第57章 关于米的对话
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作者提醒：不喜欢物理学的读者请跳过此章。
周末。
吃了晚饭，二狗和高建、周洁、韩刚在客厅里聊天。前几天关于长度单位”米“的由来问题，二狗把高建问住了。高建回去查了许多资料，他说今天基本上可以回答二狗提出的这一问题了。下面是他们的对话。
“谁规定了米的长度？”二狗问。
“米只是翻译成中文的叫法。它是一个外来的量。它最早起源于法国，在法文里叫mètre。中国古代是没有米这个长度单位。”
“这个不重要，重要的是米为什么是这么长？”二狗道。
“要弄明白这个问题，其实要弄明白长度问题的发展历史。”高建说。
“我能想像出来，人类在进化的过程中需要对长度进行量度。比如：行军打仗需要知道走了多少路，做个衣裳需要知道用多少布，盖个房子需要知道用多高的门。”
“是的，古代的日常生活和贸易活动中也需要对各种长度进行测量，因此需要一个用来测量的标准物。不光是长度、还有面积、体积、质量、时间等。长度只是度量标准中的一个而已。你学过的《几何》学，就是从丈量土地的技术发展起来的。”
“我也能够想像，在不同的地区，不同的国度，人们用来测量长度的工具和单位是不一样的。从历史上看，我们国家以前的长度单位是很乱的，只到秦始皇统一华夏才将度量的单位统一起来。”二狗道。
高建接着说：“是的，秦人的尺大致是普通人从手腕到肘部的长度，相当于今天的大约23厘米。古人定义长度的标准先是用人体的部位来定，就像数数的进制用十个手指来定。比如你针灸上用的寸就是大约一个姆指的宽度。古人还用拃、庹、步、寻、仞等，都是如此。”
“关键是用人体的部位来确定长度它是变化的，不用说不同的人，就是同一个人也会变化。虽然有时候采用这种相对长度有好处（比如针灸定穴位），但是大多数的时候是会造成混乱的。计量的误差会很大。如果就规定是用秦始皇的肘来定义尺，那倒是确定的，不过他死后，如何保存他的肘就是个问题了，因此不能长久。”二狗道。
“肘是变化的，但是当一个人的肘一旦被定为标准，就可以用其它的东西来等价地表示，比如完全可以用青铜制造一个标准的尺作为标准。”
顿了顿，高建接着说：
“用人体的部位作为长度的标准不仅在华夏如此，在其它国家也是一样的。公元前6世纪，古希腊人找来美男子库里修斯，以他双手伸开时，两手中指尖的距离为长度标准，按华夏的翻译也称一寻。古罗马凯撒大帝时代规定，把罗马士兵行军时的两千步定为1哩，即罗马里，后来英国人沿用至今，便是英里的由来。公元九世纪，英皇亨利一世在位时，组织大臣们讨论一码究竟应该为多长。大臣们为此争论不休，各说各的理。亨利一世急了，他没想到这么简单的问题，大臣们居然可以闹得不可开交。他一拍大腿，说道：全都不许闹，一码就是我鼻尖到食指尖的距离。于是，码的标准便伴随着亨利一世的怒气诞生了。德国人显然要更严谨一些，他们认为脚的长度因人而异，具体使用时，人们基本都是依据自己的脚长来计算长度，这样误差太大。于是在16世纪，他们找了16个从教堂出来的男子，将他们左脚的长度加在一起，再除以16，求得平均脚长。这样才诞生了我们现在使用的英尺标准。你可以从英尺的英文单词foot看出，它和脚是同一个词。”
二狗接道：“用人体的尺寸作单位就算是有德国人的严谨性，但是它有一个关键问题是各单位之间不好换算，它们并不是整进制。比如华夏国的一拃和一庹、一步，就无法说清楚他们之间如何换算。”
“各国人在定义长度的时候都差不多，起初并未考虑各种长度之间准确的换算关系，比如英国人定义的英尺最先的规定是一个成年人的脚长，这和亨利一世定义的码也一样没法换算。英寸的原标准是十世纪英王埃德加的拇指关节长度。但到了14世纪，英皇爱德华二世颁布“标准合法英寸”，即从大麦穗中选取三粒最大的麦粒排成一行的长度就是一英寸。这些规定虽然确定了长度的单位标准，但是其随意性和混乱性是非常明显的。不同单位之间也没办法换算。”高建道。
“华夏国的长度单位在秦时，大概有了进制的关系体系，比如，秦朝的长度标准单位是尺，由尺再细分为寸、分、厘、毫，都是十进制。又如再由尺放大可以诞生其它的单位，如：五尺曰墨，六尺曰步，七尺曰仞，八尺曰寻，倍墨曰丈，倍寻曰常，一百五十丈曰里等等。这样，长度虽然由人体而来，但是最后还是脱离了人体，产生了其它派生出来的单位。”二狗道。
“不仅华夏，其它民族也是一样的。比如英制长度单位中：1码=3英尺，1英尺=12英寸，1760码=1英里。这些都是能换算的，不过不是十进制，比较麻烦。”高建道。
“就算能换算，问题还是存在的。因为各个民族、不同地区、不同行业的长度标准都不一样，在国际贸易中，难以换算。另外，测量长度的标准工具只能有一个，否则，如果其中一个工具变长了些，都弄不清是这个长了，还是那个短了，甚至可能是这个长的多些而另一个长的少些，更甚至也可能是这个短的少些那个短的多些。”二狗像是在说绕口令。
“是啊，所以需要一个长度比较确定不变的东西作为长度的标准工具。这个事情法国做的比较早。这里面的故事很多，但是简单地说，他们把通过巴黎的由赤道到北极的子午线全长的千万分之一定义为长度的标准单位1米，其它长度单位以米为标准进行十进制换算。他们认为地球子午线的长度是不会变化的。后来这一规定逐渐在全世界推广开来，这就是米的由来。”高建道。
“能说说那些有趣的故事吗？”
“1790年5月8日，法国国民议会宣布对计量衡进行改革，并委托法国科学院决定如何规范度量衡。法国科学院成立了一个委员会来处理这个问题。该委员会由数学和力学专家拉格朗日、力学和天文学家拉普拉斯、化学家拉瓦西、测量仪器设计师德邦达、科学院秘书等组成。拉格朗日任委员会主席。
委员会首先采用了拉格朗日提出的以十进制为标准单位的建议。1790年10月27日，委员会决定将计量单位定为十进制。这样，计量单位的十进制与长期形成的数的十进制是一致的，这给单位换算带来了极大的方便。
接着，他们讨论了长度和质量的单位。他们提出采用从赤道到北极的子午线长的千万分之一作为米，十分之一米作为分米，1立方分米的纯水作为基本质量单位。1791年3月30日，法国国民议会通过了这项提案。此后，法国科学院的许多专家致力于这个标准量的测量和测定。
之所以采用从赤道到北极千万分之一作为长度的基本单位，是基于这样的思考：15至16世纪，随着世界航海事业的迅速发展，一种与航海密切相关的长度单位非常流行，那就是海里。1海里大约是地球大圆角度一分对应的弧长。这对导航非常方便。只要测量星空与原始位置的角度差值，就可以直接得到距离。新的长度单位也应方便航海的要求，因此大圆的1\/4，即赤道到北极长度的千万分之一，被视为1米。当时，委员会原还计划将直角度从90°改为100°，这样地球大圆的每1度对应的弧长就是100千米。这会给航海带来极大的方便，但是未能实现。”
“如果实现，那现在的周角就是400度了。”二狗插话道。
“是的。”高建继续讲述。
“接下来，他们就需要精确测量地球子午线的长度。天文学家约瑟夫·德·兰布尔和安德烈·迈尚毅然接受了这一重要任务。他们同时从巴黎出发，相背而行，博学的德·兰布尔从巴黎北上，细致的麦尚从巴黎南下。他们到达各自的目的地敦刻尔克和巴塞罗那后，就开始测量他们之间的距离。最后，根据实测数据，他们算出了一米的长度。然而，当时法国正处于资产阶级革命的狂潮之中，社会一片混乱。这两位科学家经常冒着被追捕的危险。在巴黎郊区，德兰布尔多次避开狂热分子的追击，几次差点被送上断头台。在法国和西班牙的激战中，麦尚作为法国间谍被拘留。
经过七年的跋涉，德·兰布尔和麦尚终于在法国南部的卡尔卡松要塞相遇。当他们带着调查数据回到巴黎时，拿破仑·波拿巴已经成为法国的新统治者，法国政局已经恢复稳定。巴黎人民像迎接英雄一样欢迎他们。提倡科学的拿破仑也对他们给予了高度评价：“胜利就像过眼云烟，但这一成就将永垂不朽。”
不幸的是，从事测量工作的天文学家犯了一个小错误，导致1米的长度比规定长度短了0.02毫米。后来，通过精确的卫星测量，人们发现从地球极点到赤道的经度为.9米，而不是麦尚测量的千米。也就是说，1米的标准长度单位比规定长度短0.02毫米。着名科普作家肯·奥尔德曾在《万物衡》杂志上披露，当麦尚回到巴黎时，他发现自己的测量有误，因为他在同一个地方的两个测量不符。这个错误造成的内疚让麦尚日夜不安，精神濒临崩溃。为了改正错误，他又到野外测量，在测量的途中死于疟疾。
1799年，法国科学家根据测量结果制作了一根横截面为3.5mmx25mm的铂金棒，棒两端的距离定为1m，交法国档案馆保管。因此，这个铂金棒也被称为‘档案米’。这是“米”的最早定义。
1812年，法国颁布了“米制”，并于1837年起在全国推行，使米制首先在法国生根发芽。
公制米一开始并没有很快得到其他国家的认可，在英国眼中，公制依然是‘法国的公制’，因为它的标准再怎么说也是基于经过巴黎的经线测定的。而且，英国这边的社会情况也并不是很支持在度量衡方面进行大刀阔斧的改革。 当时法国的贸易和经济已接近破产，但英国却是当时世界上首屈一指的工业强国，过分激进的改变必定会损害当下和未来的经济，尤其是，目前的计量体系也没有特别明显的坏处。1824年，英国出台了《大英帝国度量衡法》，将从罗马人那里继承的度量衡标准化，而且确定长度的标准方法采用了‘秒摆’法。关于长度标准的确定方法变成了两个体系、两个国家间的较量。经过漫长的研究，英国的学术机构终于在1841年悻悻地宣布，秒摆的精度不足以用来重建长度的标准。子午线法的米才被逐渐接受。
由于“档案米”变形严重，1872年法国放弃了‘档案米’的定义，根据‘档案米’的长度，采用铂铱合金（90%铂和10%铱）材料重新制作了米原器。当时共制作了31件米原器，横截面大致呈x形。‘档案米’的长度被刻在尺子的凹槽（中性面）上，两条线的宽度为6-8微米。
1875年，国际度量衡理事会在巴黎召开会议。法、德、美、俄等17国政府代表共同签署了《公制公约》，同意成立国际度量衡局，承认公制是法国大革命诞生的最大科学事业。‘米’被确定为国际标准长度单位，一直沿用至今。
1889年，在第一届国际计量大会上，在31个米原器中最接近0c时‘档案米’的第6号米原器被国际计量局选为国际米原器。规定1米就是米原器在0摄氏度时两条刻线中心间的距离。作为世界上最权威的长度基准，它被保存在巴黎国际计量局的地下室，其余的标尺作为辅助标尺分发给参与国。米原器的精度可以达到0.1 微米。
1927年，第七届国际计量大会对长度计量的定义又作了更为严格的规定。除温度要求外，还提出国际米原器必须保持在1标准大气压下，并对其放置方法作了具体规定。
国际米原器的出现，是人类长度测量技术标准从人体部位的相对量值到实物量值转化的重要转折。”
说了这么多，高建终于停下来，喝了口水休息一下。
“那么，我们现在所用的米，就是从这个米原器来的啰？我们国家的尺和米为什么正好是3倍的关系？能有这么巧合的事情吗？”二狗又开始了新的问题。
“为了可以使我国与国际科学界、工商界接轨，1908年，清政府制定了采用国际单位制度的规模和实施条例。国际权威局应邀生产了铂铱合金和镍钢合金原辅材料的标准米器，并运回华夏。1928年，颁布了《计量衡算法》，规定以‘万国公制’为标准体系，并临时以‘市场制’为过渡辅助体系，修改了我国原来的计量体系，强行适应国际单位。规定1公尺为1米=3市尺，1公升=1市升，1 公斤=2市斤。新修订的市尺、市升和市斤和原来旧的尺、升、斤大致相当，这样在引进国际标准单位的同时也适应了人们原来的生活习惯。与公制的转换很简单，使国际单位制逐渐为公众所接受。1949年以后，国际单位制由政府系统在全国范围内普及。因此，1米=3尺是人为的规定，并不是巧合。
华夏国不同朝代时，尺的长度都是不一样的。商代的一尺约等于现在的16.95厘米，周代一尺约等于现在的23.1厘米、秦时一尺约等于现在的23.1厘米、汉时一尺约等于现在的23.75厘米、三国时期一尺约等于现在的24.2厘米、南朝一尺约等于现在的25.8厘米、北魏一尺约等于现在的30.9厘米、隋代一尺约等于现在的29.6厘米、唐代一尺约等于现在的30.7厘米、宋元时一尺约等于现在的31.68厘米。现在的一市尺相当于33.3333厘米。总体上看，尺越来越长了。
《三国演义》中古人动不动就身长八尺，其实也就相当于今天的1.95米左右。
1959年华夏国发布了《关于统一计量制度的命令》，确定米制为我国计量制度。1977年国务院颁布的《计量管理条例(试行)》，规定:“我国的基本计量制度是米制(即“公制”)，逐步采用国际单位制”。1978年又批准成立了由20人组成的“国际单位制推行委员会””，负责组织全国性的国际单位制推行工作。1979年1月1日，中药方剂计量开始采用公制。为了保证国家计量制度的统一，1985年华夏国颁布了《计量法》，第二条规定:“国家采用国际单位制”。自1991年1月1日起，法定单位制成为我国唯一的法定计量单位。
到目前为止，世界上224个国家和地区，大多采用国际单位制，只有美国、缅甸和利比里亚仍坚持采用英制，拒绝使用公制。后两个国家可能是由于习惯问题，而美国拒绝它，是因为他作为科技、工业的领导者和游戏规则的制定者，不肯执行其他国家主导制定的标准。”
听高建讲了这么多的故事，二狗又问：“费了这么多事才完成的国际米原器现在怎么样了？”
“保存得的再好，也不可能保证它永远没有任何损失。万一哪一天它损坏了，就很难再制作出一个和它长度相等的米原器。况且它的精度只有0.1微米，早已不能满足现代的科学测量的精度需要。在1960年召开的第11届国际计量大会上，各国代表一致通过决议，废除了米原器对米的定义，理由是它既不方便，也不准确。”
“费了这么多事，这就废了？”
“采用实物量值的方法做的再精确，也是难以保存的，维护费用极高。因此采用自然量值作为单位基准器的设想一直为人们所向往。20世纪50年代，随着同位素光谱光源的发展。发现了宽度很窄的氪 - 86同位素谱线，加上干涉技术的成功，人们终于找到了一种不易毁坏的自然标准，即以光波波长作为长度单位的自然基准。
1960年第十一届国际计量大会对米的定义作了如下更改：”米的长度等于氪- 86原子的2p10和5d5能级之间跃迁的辐射在真空中波长的.73倍”。这一自然基准，性能稳定，没有变形问题，容易复现，而且具有很高的复现精度。精确度可以达到 0.001微米，比用米原器法提高了100倍。世界各地都可以制造氪灯，不必去国际计量局核对米尺了。我国于1963年也建立了氪-86同位素长度基准。米的定义更改后，国际米原器仍按原规定保存在国际计量局。”
“这就精确多了，那么现在的米就是用的这个定义吗？”
“不是的。激光出现以后，氪灯就逊色多了。用激光的波长当尺，从理论上推算，可以比氪86同位素灯准确100万倍。1969年用激光测量地球和月球之间的距离，长达38万多千米，误差只有几米。得益于光速测量技术的提高，1983年10月，联合国度量组织在巴黎举行会议，规定了新的“米”的定义，即把光在真空中1\/ 秒所走的距离定为一个标准米。采用了自然界的基本物理常数——光速常数作为“米”这一国际基本单位的定义。
这就是我们现在使用的米。”
“好麻烦的米啊！不过这个方法虽然好，却又引出了一个新的问题。”二狗说。
“什么问题？”高建问。
“它引入了另外一个难以定义的物理量——秒，或者说，是时间。我们只有准确地测定时间，才能准确地测定米啊！那我们如何准确地测定时间呢？”
“好不容易回答了你一个问题，又来一个更难回答的新问题。下次再说吧！”