1米有多長,誰說了算?

2020-12-05 大科技雜誌社

「米」是大家都要用到的長度單位。你有沒有過這樣的疑問:為什麼1米是這麼長,而不是長一點或者短一點?世界上的尺子這麼多,有時不同尺子的一米長度或多或少會有一點差別,那麼,最標準的、永恆不變的1米長度在哪裡?

用身體部位作尺子

米、升和千克以及不同層級的單位,如毫米、毫升等是全球通用的計量單位,被稱為「米制」或「公制」。然而,在古代相當長的時間裡,人們沒有統一的計量標準,不同國家或地區之間,甚至不同村落之間就有不同的衡量標準,長度往往以身體部位作為參照,如肘長、步長、腳長、手指跨度等;有的地區用種子的數量衡量容量;穀物或石頭曾作為重量的標準……今天,有些時候,人們仍然用步長或肘長來臨時估計一下長度,在沒有尺的時候非常方便,如估算房屋面積。

美國日常使用的英尺的英文為「foot」,原意是「腳」,因為其起源於腳的長度。

對標準長度單位的渴求

這些衡量方式既雜亂又不精確,你的肘和我的肘不一樣長,究竟用誰的呢?各種不公平會隱藏在雜亂的計量標準中。介於古代的交流範圍比較小,農業社會對精確度的需求也不高,這些衡量方式大致可以應付日常生活所需,但隨著社會大範圍交流的需求越來越多,各種物資交換越來越頻繁,加上科學技術的發展,人們對統一度量衡的需求越來越強烈。

那麼,究竟用多長來作為通用的單位,而且大家都能獲得標準的、永恆不變的長度呢?

只有美國、賴比瑞亞和緬甸官方未採用米制,而用英制(以英尺為標準)。不過國際上也有標準的換算公式,使多種單位之間自如換算。

米制在中國

在中國,「計量」曾被稱為「度量衡」,度即長度,量即容量,衡即重量,秦始王一統中國後,曾強制全國使用統一的度量衡單位,雖然隨著國家的分裂,度量衡再次混亂,但其中許多方法沿用了兩千多年。明末清初,隨著西方文化進入中國,米制計量標準也被帶入。1930年,中國開始推行米制;從1991年開始,米製成為中國唯一合法的計量單位。

「1米」的誕生

今天的米制起源於18世紀90年代的法國,由當時的法國科學院組織。研究團隊決定以北極到赤道並經過巴黎的這段經線長度為準,確立其千萬分之一的長度為標準長度——1米。

1米的定義下好了,然而,這條經線長度該如何測量呢?在18世紀,測量這麼長的距離並非易事。兩位天文學家花了6年時間才得到一個確切的數值,再通過數學家的計算,1米從此誕生了。

「1米」原器在保險箱中

法國科學院用鉑金打造了一根非常精確的1米長的金棒,並將之保存在一個保險箱中,這就是 「1米」的實體,被稱為「米原器」,是製作1米標尺的標準參考物。許多國家也獲得了米原器的複製品。

容積單位「升」和重量單位「千克」的定義與米的定義在同時期得到確立,即千分之一立方米的容量為1升,1千克則被定義為1升4℃的水的重量。圖為國際千克原器,由鉑合金製造,但現已不再作為千克的標準。

由於精確測量米原器從首端到尾端的距離非常困難,1889年,國際計量大會重新製作了一個鉑合金米原器,其斷面為X型。米重新定義為0℃時該合米原器的長度。

「1米」長度搞錯了

讓人尷尬的是,後來人們發現,當時的測量值是錯誤的,導致米的長度比正確值短了十分之二毫米。也許你會想,反正米的長度是人定義的,長點短點都無所謂,但6年的測量工作就是為了使米有準確的標準。不過,一切都晚了,此時1米長度的標準已經確定下來,人們只能將錯就錯,繼續使用已得出的長度。

測量北極到赤道經線長度的天文學家之一——皮埃爾·梅尚知道測量出錯了,為了得到正確的數據,他直到去世前還在田野裡測量。

「1米」在變化

1米標準終於制定下來,但故事還沒結束。時間一長,問題來了,物質總會發生變化,即使是鉑金製作的米原器,即使變化很小,隨著時間的推移,1米的精確度也會越來越低,那麼,永恆不變的標準就不存在了。很顯然,人們需要新的1米標準。

「米」的人造物計量標準被放棄

人們再次嘗試了多種方法,但總有不如意的地方。1個多世紀的努力之後,1960年,理想的方法終於被發明出來了,那就是光譜法:將氪原子能級間躍遷輻射在真空中的波長的165,0763.73倍定為標準單位米。也許你完全看不懂這句話的意思,沒關係,總之,這表明,米的長度標準不再依賴於某個人造物件,而是按照恆定不變的某種自然現象來定義。

氪是一種惰性氣體,在充電時可發光,一米的定義就是以它發出的橙色譜線作為基準。圖中是一個充滿氪的放電管。

如今的「米」以光速來定義

之後每隔幾年,國際計量大會都要重新討論米的定義。其中有代表性的是,在1983年,1米被定義為光在真空中行進1/299792458秒的距離,因為光的速度是恆定不變的,這也是沿用至今的米的定義,但更細微的修正仍在繼續。

根據上面的描述,你能得出光的速度是多少米/秒嗎?

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