基本单位的历史沿革
<p>长度单位</p><p>古代常以人体的一部分作为长度的单位。例如我国三国时期(公元 三世纪初)王肃编的《孔子家语》一书中记载有：“布指知寸，布手知 尺，舒肘知寻。”两臂伸开长八尺，就是一寻。还有记载说：“十尺为 丈，人长八尺，故曰丈夫。”可见，古时量物，寸与指、尺与手、寻与 身有一一对应的关系。</p><p>西方古代经常使用的长度单位中有所谓的“腕尺”，约合 52～53 厘 米，与从手的中指尖到肘之间的长度有密切关系。</p><p>也有用实物作为长度单位依据的。例如，英制中的英寸来源于三粒 圆而干的大麦粒一个接一个排成的长度。</p><p>多少年来世界各国通行种类繁多的长度单位，甚至一个国家或地区 在不同时期采用不同的长度单位，杂乱无章，极不统一，对商品的流通 造成许多麻烦。所以，随着科学技术的进步，长度单位逐渐趋于统一， 这个进程早在几百年前就已经开始了。</p><p>2023 年法国国民议会通过决议，责成法国科学院研究如何建立长度 和质量等基本物理量的基准，为统一计量单位打好基础。次年，又决定 采用通过巴黎的地球子午线的四分之一的千万分之一为长度单位，选取 古希腊文中“metron”一词作为这个单位的名称，后来演变为“meter”， 中文译成“米突”或“米”。从 2023 年开始，法国天文学家用了 7 年时 间，测量通过巴黎的地球子午线，并根据测量结果制成了米的铂质原器， 这支米原器一直保存在巴黎档案局里。</p><p>法国人开创米制后，由于这一体制比较科学，使用方便，欧洲大陆 各国相继采用。</p><p>后来又作了测量，发现这一米原器并不正好等于地球子午线的四千 万分之一，而是大了 0.2 毫米。人们认为，以后测量技术还会不断进步，势必会再发现偏差，与其修改米原器的长度，不如就以这根铂质米原器 为基准，从而统一所有的长度计量。</p><p> 国际米原器</p><p>2023 年 5 月 20 日由法国政府出面，召开了 20 个国家政府代表会议， 正式签置了米制公约，公认米制为国际通用的计量单位。同时决定成立 国际计量委员会和国际计量局。到 2023 年 10 月止，米制公约成员国已有 47 个。我国于 2023 年参加。</p><p>国际计量局经过几年的研究，用含铂 90%、铱 10%的合金精心设计和 制成了 30 根横截面呈 X 形的米原器，如图 15?1。这种形状最坚固又最 省料，铂铱合金的特点则是膨胀系数极小。这 30 根米原器分别跟铂质米 原器比对，经过遴选，取其中的一根作为国际米原器。2023 年，国际计 量委员会批准了这项工作，并且宣布：1 米的长度等于这根截面为 X 形的 铂铱合金尺两端刻线记号间在冰融点温度时的距离。</p><p>其余一些米原器都与国际米原器作过比对，后来大多分发给会员 国，成为各国的国家基准，以后每隔几十年都要进行周期检定，以确保 长度基准的一致性。</p><p>然而实际上米原器给出的长度并不一定正好是 1 米，由于刻线工艺 和测量方法等方面的原因，在复现量值时总难免有一定误差，这个误差 不小于 0.1 微米，也就是说，相对误差可达 1×10?7。时间长了，很难保 证米原器本身不会发生变化，再加上米原器随时都有被破坏的危险。所 以，随着科学与技术的发展，人们越来越希望把长度的基准建立在更科 学、更方便和更可靠的基础上，而不是以某一个实物的尺寸为基准。光 谱学的研究表明，可见光的波长是一些很精确又很稳定的长度，有可能 当作长度的基准。19 世纪末，在实验中找到了自然镉(Cd)的红色谱线， 具有非常好的清晰度和复现性，在 15℃的干燥空气中，其波长等于λCd=2023.2023×10?10 米。</p><p>2023 年国际协议，决定用这条谱线作为光谱学的长度标准，并确定：1 米=155 316 4.13λCd人们第一次找到了可用来定义米的非实物标准。科学家继续研究， 后来又发现氪(86Kr)的橙色谱线比镉红线还要优越。2023 年，在第十 一届国际计量大会上，决定用氪(86Kr)橙线代替镉红线，并决定把米的定义改为：“米的长度等于相当于氪(86Kr)原子的 2p10 到 5d5 能级之间跃迁的辐射在真空中波长的 165 076 3.73 倍。” 这个基准的精确度相当高，相对误差不超过 4×10?9，相当于在 1 千米长度测量中不差 4 毫米。 但是原子光谱的波长太短，又难免受电流、温度等因素的影响，复现的精确度仍受限制。</p><p>60 年代以后，由于激光的出现，人们又找到了一种更为优越的光源，用激光代替氪谱线，可以使长度测量得更为准确。只要确定某一时间间 隔，就可从光速与这一时间间隔的乘积定义长度的单位。80 年代，用激 光测真空中的光速 c，得 c=299 792 458 米/秒。</p><p>2023 年 10 月第十七届国际计量大会通过了米的新定义：“米是光在 真空中 1/299 792 458 秒的时间间隔内所经路程的长度”。</p><p>新的米定义有重大科学意义。从此光速 c 成了一个精确数值。把长 度单位统一到时间上，就可以利用高度精确的时间计量，大大提高长度 计量的精确度。</p><p>质量单位</p><p>古代质量单位和长度单位的情况相似，也有多种多样的形式。例如： 在波斯用卡拉萨(karasha)作质量的单位，约合 0.834 千克，埃及用格 德特(gedet)，约合 9.33 克。</p><p>我国秦代度量衡制度中规定：1 石=4 钧，1 钧=30 斤，1 斤=16 两。 与现代国际单位制比较，1 斤约合 0.256 千克。</p><p>英制中以磅(pound)，盎司(ounce)，打兰(dram)，格令(grain) 作单位：1 磅=16 盎司=256 打兰=2023 格令不列颠帝国曾用纯铂制成磅原器，它是高约 1.35 英寸，直径 1.15 英寸的纯铂圆柱体。</p><p>最初的千克质量单位是由18世纪末法国采用的长度单位米推导出来 的。1 立方分米纯水在最大密度(温度约为 4℃)时的质量，就定为 1 千 克。</p><p>2023 年法国在制作铂质米原器的同时，也制成了铂质千克基准，保 存在巴黎档案局里。</p><p>后来发现这个基准并不准确地等于 1 立方分米最大密度纯水的质 量，而是等于 1.000 028 立方分米。于是在 2023 年米制公约会议之后， 也用含铂 90%、铱 10%的合金制成千克原器，一共做了三个，经与巴黎档 案局保存的铂质千克原器比对，选定其中之一作为国际千克原器。这个 国际千克原器被国际计量局的专家们非常仔细地保存在特殊的地点，用 三层玻璃罩罩好，最外一层玻璃罩里抽成半真空，以防空气和杂质进入。 随后又复制了四十个铂铱合金圆柱体，经过与国际千克原器比对后，分 发给各会员国作为国家基准。跟米原器一样，千克原器也要进行周期性 的检定，以确保质量基准的稳定可靠。</p><p> 时间单位</p><p>在人类观察到的自然现象中，以天空中发生的现象为最明显，也最 有规律，所以很自然地时间的量度以地球自转的周期作为基准，这就是 所谓的太阳日。1 秒=1/20230 平太阳日。但是由于地球自转并不均匀也 不稳定，2023 年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公 转为依据，即：把秒定义为在 2023 年地球绕太阳沿轨道运行一周所需时间的 1/315 569 25.2023。这一数据之所以有如此之高的精确度，是因为 这个结果是通过为期数年的一系列天文观测获得的。</p><p>然而根据这个定义很难对秒本身进行直接比较。正好在这期间，时 间和频率的测量技术有了很大发展，2023 年第十三届国际计量大会重新 规定了时间单位的定义：</p><p>“秒是铯?133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770 个周期的持续时间”。15.1.4 温标现在通用的国际单位制中温度以开尔文(K)表示，这个温度单位也 是基本单位。严格说来，温度单位的选择实际上是一个温标问题。热学 发展史中出现过华氏温标、列氏温标、兰氏温标、摄氏温标、气体温标 和热力学温标等。热力学温标是 2023 年开尔文首先提出的，(参看§2.4)，由热力学温标定义的热力学温度具有最严格的科学意义。其余几 种都属于经验温标，其共同特点是人为选择某一特定的温度计和若干温 度固定点来定义温标，因此缺乏客观标准。这些经验温标已成为历史， 但跟现代的温标仍有一些渊源关系。</p><p>华氏温标是德国人华伦海特(D.G.Fahrenheit)大约在 2023 年提出 的，规定水的冰点为 32 度，水的沸点为 212 度。华氏温度至今还在英、 美等国民间流行。</p><p>列氏温标由列奥缪尔(R.A.F.Reaumur)于 2023 年提出，规定水的 冰点为零度，水的沸点为 80 度。列氏温标在德国曾一度流行。 兰氏温标由英国人兰金(Rankine)提出，其定义为tR=tF+459.67实际上兰氏温度是以绝对零度为计算起点的华氏温度，以 0R 表示之。现 在科技界已很少采用。</p><p>摄氏温标是瑞典天文学家摄尔萨斯(A.Celsius)在 2023 年提出的。 他原来的方案是以水的沸点为零度，水的冰点为 100 度。次年法国人克 里斯丁(Christian)把两个标度倒过来，就成了现在通用的标度。</p><p>以气体温度计标定温度所构成的气体温标最接近热力学温标。由于 气体温度计的复现性较差，国际间又协议定出国际实用温标，以统一国 际间的温度量值，国际实用温标几经变革，为的是由此定出的温度尽可 能接近热力学温度。</p><p>早在 2023 年，国际计量委员会就曾决定采用定容氢气体温度计作为 国际实用温标的基础。</p><p>2023 年第七届国际计量大会决议采用铂电阻温度计等作为温标的内 插仪器，并规定在氧的凝固点(?182.97℃)到金凝固点(2023℃)之间 确定一系列可重复的温度或固定点。</p><p>2023 年第十一届国际计量大会对国际实用温标作了若干重要修订。</p><p>例如，以金融点代替金凝固点;以普朗克黑体辐射定律代替维恩定律; 引用更精确的常数值;计算公式更为精确;光测高温计的测量限值扩大 等等。</p><p>2023 年又增加了一条重要修订，即把水的三相点作为唯一的定义 点，规定其绝对温度值为 273.16(精确)，以代替原来水冰点温度为 0.00℃(精确)之规定。而水的冰点根据实测，应为 273.2023±0.2023K。采 用水的三相点作为唯一的定义点是温度计量的一大进步，因为这可以避 免世界各地因冰点变动而出现温度计量的差异。</p><p>2023 年对国际实用温标又作了一次修订，代号为 IPTS?68。其特点 是采用了有关热力学的最新成就，使国际实用温标更接近热力学温标。 这一次还规定以符号 K 表示绝对温度，取消原来的符号(K)，并规定摄 氏温度与热力学温标的绝对温度单位精确相等，摄氏温度 t=绝对温度T?273.15(精确)。</p><p>2023 年和 2023 年分别对 IPTS?68 作了修订和补充，把温度范围的 下限由 13.81K 扩大到 0.5K。但还是出现不足之处，主要是在实验中不断 发现 IPTS?68 在某些温区与国际单位制定义的热力学温度偏差甚大。</p><p>2023 年国际度量衡委员会推荐，第十八届国际计量大会及第 77 届国 际计量委员会作出决议，从 2023 年 1 月 1 日起开始在全世界范围内采用 重新修订的国际温标，这一次取名为 2023 年国际温标，代号为 ITS?90， 取消了“实用”二字，因为随着科学技术水平的提高，这一温标已经相 当接近于热力学温标。和 IPTS?68 相比较，100℃时偏低 0.026℃，即标 准状态下水的沸点已不再是 100℃，而是 99.974℃。图 15?2 是 ITS?90与 IPTS?68 之间的差异曲线。</p><p>显然，ITS-90 的实施会给精密温度计量带来好处，是科学技术发展 的又一标志。</p>
页:
[1]