18世紀末，法國創立米製（zhì）單位，為近代計（jì）量學打開了新的一頁。

　　法國從1789-1793年經曆（lì）著一（yī）場波瀾壯闊的資產階級革命，在革命進程（chéng）中，不斷提出建立資本（běn）主義經（jīng）濟秩序的政策法令。1789年8月初，製憲議會在（zài）通過“八月法令”的同時頒布了另一些法令，如取（qǔ）消行會製度、糧食自由買賣、廢除內地稅卡、統一度量衡（héng）和幣製等。1799年，拿破（pò）侖·波（bō）拿巴掌握政權之後，開始國內改革，實行一係列加強統治的經濟措施。采用十進製計（jì）量單位也被提到議事日（rì）程上來。

　　法國（guó）在17世紀後期就開始（shǐ）地球弧長測量，1683-1718年，天文學家卡西尼父子（zǐ）(G.D.Cassini & J.Cassini)在通過巴（bā）黎子午線圓上，用三角測量法測量了弧幅8°20′的弧長，並推算地球橢圓球的長半（bàn）軸的扁率（lǜ）。18世（shì）紀中期，法國科學界在接受牛頓力學時，對地球的形狀產生爭議。1735—1741年，巴黎科學院派出兩支測量（liàng）隊，用傳統測地技術測定當地經線的一度弧長。克萊羅率領（lǐng）的南美秘魯遠征（zhēng）隊於1735年出發，莫培都率領的極地拉普（pǔ）蘭考察隊次年出發，全部工作於1744年結束（shù），兩地的（de）測量結果證實，地球的形狀是兩極略扁的橢球。1754年，天文（wén）學家拉·卡伊首次測量南部非洲的地球子午線弧長。天文（wén）學家們在測量實踐中要（yào）求選用合適的尺度（dù）單位並建立標準。

　　18世紀中後期的法國（guó），由於啟（qǐ）蒙運動的影響和大革命的發展，科學迅速發展，超過英國處在（zài）了世界（jiè）前列。科學家得到特殊愛（ài）護（hù），巴黎匯集一批著名科學家，如:法國數學家、天（tiān）文學家和（hé）物理學家（jiā）拉普拉斯(P.S.Laplace)，物理學（xué）家庫倫(C.A.Coulomb)，化學家拉瓦錫(A.L.Lavoisier)，數學家蒙日(G.Monge)，數學家孔多塞(M.J.Condorcet)，數學家、航海天文（wén）學家玻爾達(J.C.Borda)，天文學家德朗布爾(J.B.J.Delambre)、麥（mài）卡恩（ēn）(F.A.Mechain)，法國-意大利數學家拉格朗（lǎng）日(J.L.Lagrange)等。都以科學理論、實驗成果參與創立米製單位做出貢獻。

　　米製單位的建立成為法國大革命的第一個科學成果。
    

　　米製的誕生

    17、18世（shì）紀的法國和歐洲使用著各種（zhǒng）不同的（de）計（jì）量單（dān）位，不僅日常經濟（jì）生活中就（jiù）是科學實驗中也越來越受到不同計量單位的擾亂。1742年，一個科學家小組仔細比（bǐ）較了“巴黎度量單（dān）位”和英國當時所用的度量衡單（dān）位（wèi），結果發現法國的“Pied”和“livre”分（fèn）別比（bǐ）“英（yīng）尺”和“磅”大6%和8%。科學家們開（kāi）始（shǐ）尋找一種適合各國通用（yòng）的計量單位，但是這時的法國王室已無力統一計量製度。1789年春，革命（mìng）風暴來臨。6月，巴黎科（kē）學院就成立了以拉普拉斯和拉瓦錫為首的（de）專門小組（zǔ）,研究（jiū）製（zhì）定新（xīn）的計量單位（wèi）係統。7月14日，法國資產階級革（gé）命開始（shǐ）。11月2日，革命政府推選拉普（pǔ）拉斯等15位（wèi）院士組成一個“技（jì）術谘詢局”，作為政（zhèng）府的技（jì）術政（zhèng）策谘詢機（jī）構（gòu）。同年僧侶外（wài）交官泰萊朗特（tè）(Talleyrand)在一次演（yǎn）講中首次提出建立（lì）一個統一的長度單位，並於1790年正式（shì）向國民議會提出以秒擺（bǎi）的長度建（jiàn）立長度單位的（de）建議。由於秒擺的長度依賴於重力加速度，而重（chóng）力加速度又隨地球的緯度與海拔高（gāo）度而異。因而，這一建議未（wèi）被采納。1790年4月14日法國科學院技（jì）術谘詢局讚成以子午線的一個弧度的長度為基（jī）礎建立（lì）長度單位的建議。5月8日製憲大會通過了采用新製度（dù）量衡單位的法令，並責成科學院考定新製。科學院任命由院士拉普拉斯、拉瓦錫（xī）、玻爾達、拉格朗日、蒙日、孔多塞等（děng）人組成統一（yī）度量衡委員會(又稱計量改革委（wěi）員會)。委員會設測量、計算、試驗擺的振動（dòng）、研（yán）究蒸（zhēng）餾水的重量以及比較（jiào）古代度量衡製（zhì）度五個小組。次年（nián），委員會提議以赤道到北極的子午線的千萬分之一為長度基本單位。考慮到（dào）能在全世界通用，單位名稱沒有采（cǎi）用法語，而用古希臘語metre(米)，意為測量。1米的長度與當時歐洲各國的舊製（zhì）長（zhǎng）度單位相近。麵積和體積的單位分別（bié）是平方米和立方米以及它們的十進倍數單位和分數單位。質量的單（dān）位千克是1立方分米的水在密度為最大(溫度為（wéi）4℃)時的質量。單位係列必須是十（shí）進的。由於這一組度量衡單位都（dōu）以米為基礎，因此得名“米製（zhì）”。

　　1791年3月25日，法國國（guó）民議會（huì）決定采納了隻基於一個長度基本（běn）單位“米（mǐ）”的計量製（zhì）度。隨即委派德朗布（bù）爾(J.B.J.Delambre)和麥卡恩(F.A.Mechain)測量從法（fǎ）國敦刻爾克（kè）(Dunkergue)海口至西班牙的巴塞羅（luó）那(Barcelona)之間子午線的弧長；拉瓦錫(A.L.Lavoisier)等科學家測量給（gěi）定體積水的（de）質量。由於測量地（dì）球子午線需要較長時間（jiān），1793年，計量改革委員會提議根據已有測量子午線長度的數（shù）值設定1米的長度，並製作了一支黃銅尺作為米的臨時標準；拉瓦錫於1794年5月8日身故後，由他的助手完（wán）成了4℃時1立方分米水的（de）質（zhì）量的測定（dìng），並依此製作了一個純鉑千克（kè）砝碼。1795年4月7日，國民議會頒（bān）布了（le）米（mǐ）製。從1792年開始的子午線測量工作，在當（dāng）時的戰爭環境下，十分艱難地進行（háng）著。他們延長了測量的距離，向北（běi），由（yóu）敦刻爾克延長到（dào）與格林威治差（chà）不多相同的緯度圈上（shàng）(約N51°)；向南，由巴塞羅那延長（zhǎng）到地中海（hǎi）的福爾（ěr）門特拉島(約N38.5°)(圖1)所測子午（wǔ）線弧度長為12.5°，其（qí）中點接近北極點和赤道之間的中央緯圈(即N45°)。1798年完成全（quán）部測量工作，由（yóu）德朗（lǎng）布（bù）爾等整理（lǐ）了實測數據，結果（guǒ）求得:巴黎所在經度圈（quān）上一個象限的子午線的長度等於當時法國古尺5 130 740督亞斯（sī）(Toise)，以一個（gè）象限子午線的一千萬分之一，即0.513 074督亞（yà）斯為1米(1督亞（yà）斯等於1.949 036 5米，相當1.95米；1督亞斯又相當於6法國尺，1法國尺等（děng）於32.5厘米)。根（gēn）據測量（liàng）結（jié）果，用純鉑製作了一（yī）支端麵米尺（chǐ）(截麵積為25.3×4.05毫米)，用當時的一（yī）種（zhǒng）叫（jiào）“噚”(xun，等於6英尺，合1.829米)的長度單位（wèi）與之相比較,準（zhǔn）確度為10微米左右。用此尺取代原（yuán）定的臨時標準尺。1799年6月（yuè）22日（rì）把鉑（bó）米（mǐ）尺和鉑千克砝碼一起（qǐ）存放在巴黎檔案局，分別稱為檔案局米尺(Metre des Archives)、檔案（àn）局千克(Kilogramme des Archives)。被法國元老會和五（wǔ）百人會議承認,並於12月10日國民議會公布了確定這兩個（gè）原器的值的法律。

　　1817—1819年（nián）間，拉（lā）普拉斯發（fā）表了（le）《概率測地公式在（zài）巴黎子午（wǔ）線測量中的應用》，論文中引用了德朗布爾等當時（shí）測量的全部（bù）700個三角網原始資料(德朗布爾等在1796年整理時隻（zhī）用了27個三角網資料)，算出了不（bú）同子午線長度的誤差概（gài）率，得出巴黎子午線長度的最優值。發現檔案局米尺比精確計算值短（duǎn）了約0.2毫米。另外，也發現檔案（àn）局千克比測量計（jì）算值大了28毫（háo）克。但是如果重新製作也很不容易，所以就公認上述二者為檔案局米原器與（yǔ）檔案（àn）局千克原（yuán）器。
    

    圖1
    注:“……”表示實際測（cè）量的線段；“·—·—·—·”表示經過計算所換算成的經過巴黎的子午線段。

    圖2

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　　米製公約

　　1801年，法國政府下令實行米製，但在推行（háng）中遇到許（xǔ）多障礙，進展十分緩慢。1812年（nián）拿破侖竟下令恢複舊製，“以順民（mín）情”。其（qí）後，科學文化迅速發展，1837年7月4日法令（lìng）終於（yú）確（què）定法國從（cóng）1840年1月1日起法定實行米（mǐ）製。為（wéi）了（le）紀念這一盛事，頒發了紀念章（zhāng），上麵寫著:“永遠為全人類服務”(見圖2，紀念章兩（liǎng）麵的文字（zì）和圖案是（shì）1799年設計的，當（dāng）時並未製作)。漸漸地外國都知道了“米製”，並稱頌其簡易、邏輯（jí）結構（gòu）合（hé）理和通用性廣。19世紀（jì）初米製逐漸向歐洲國家推行開來。1820年，荷蘭、比利時、盧森堡采用。接（jiē）著西班牙、哥倫比（bǐ）亞、墨西哥、葡萄牙、意（yì）大利以及世界其他國家相繼采用。1851年，第一屆萬國博覽會(世界博覽會)在倫敦舉辦（bàn）。會上，展出了巴黎工藝院米（mǐ）尺，參觀者見此製造精良之尺，十分驚喜，認為必須（xū）有統一的度量衡製，才能對陳列品比較其優劣、評定其價值。1855年，巴黎（lí）萬國工藝博覽會審查委員會討論采用米製的辦（bàn）法，要求委員們各盡心力，“勸告各國（guó）政府（fǔ）及有識之士，群策群力推行米製以謀公益”。1864年德國采用米（mǐ）製。1864年、1866年英國和美國相繼允許米製與英製並用。可見統一世界計量製（zhì）度已是大勢所趨、勢在必行。1867年和1869年由（yóu）於國際大地測量協會、巴黎天文局、聖彼得堡科（kē）學院和巴黎科（kē）學院不斷提出推行米製（zhì）的願望和（hé）建議，發起了輿論運動，使米製的影響迅速擴大。1869年法國政府邀請（qǐng）許多國家到巴黎召（zhào）開“國際米製委員會”會議(The International Commission of the Meter)，1870年8月，有24個國家的代表參加，後因普法（fǎ）戰爭而會議中止。1872年9月24日至10月（yuè）12日，有30個國家的代表繼續開會，再次肯定（dìng）上次會議關於參考“檔案局原器”製造米和千克新原器並向各與會國提供複製品（pǐn）的決議。1875年3月1日，法國政（zhèng）府召開“米（mǐ）製外交（jiāo）會議”。5月20日，17個國家的全權代表簽署了（le）《米製公（gōng）約》，決定（dìng）設立國際計量局(當時叫萬國權度局（jú），該局1877年成立並開始工作)。自此，米製在全世界廣泛地傳（chuán）布、被普遍接受。

　　當時中國清政府雖未參加米製（zhì）公約，但早（zǎo）在1858年(清鹹豐八年)訂立（lì）《天津條約（yuē）》以後，中（zhōng）國就正式接受英、法（fǎ）、德、俄等國的度量衡單位製（zhì），使中（zhōng）國清製和米製建立了換算關係。1908年清政府農工商部谘詢駐法國使臣，商請國際計量局訂做營造尺(32厘米)和庫平兩砝碼(37.301克)鉑銥合（hé）金原器和鎳鋼合金副原（yuán）器（qì）各一副，1909年（nián）(宣統元年)該原器、副原器由國際計量局精（jīng）密校準給予證書攜送來華（huá）。1913年民國政府工商部（bù）派員參加（jiā）國際計量局的會議。1915年(民國四年（nián）)《權度法》規定權度以米製（zhì）原器為（wéi）標準。1928年2月公布（bù）的《度量衡法》規定:中華民國度量衡（héng）采用米製為標準（zhǔn）製:以國際計量局製定的（de）鉑銥合金米（mǐ）尺、公斤（jīn）原器為標準（zhǔn）。1977年，中國正式參加米製公約。
    

    圖3

    圖4

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　　國（guó）際千克原器（qì）和米原器的建立（lì）

　　1799年建立檔案局米原器和千克原器以（yǐ）後，到19世紀80年代（dài）使用了80多年（nián）。由於米（mǐ）製迅速在（zài）全世界推行，測量科（kē）學和材料科學的發展，迫切要求對它們進行技術改造並（bìng）製造一批等效的複製品，以提高計量（liàng）學性能、滿足各國的需求。
　　1878年，國際計量委（wěi）員會向英國（guó）倫敦約翰遜·馬瑟(Johnson Matthey)公司定製了三個鉑銥合金圓柱體（tǐ）砝碼(KⅠ、KⅡ和KⅢ)。由科洛（luò）特(A.Collot)在巴黎進行拋光和調準，於1880年在巴黎天文台由四位觀察員（yuán）用“檔案局千克”分別比對，發現其中KⅢ最接近“檔案局千克”的質量，1883年被選作國際千克（kè）原器。1887年10月15日，國際計（jì）量委員會正式決定，將千克定義為質量單（dān）位。在1889年9月26日第一屆國際計量大（dà）會上，被認定為“國際千克原（yuán）器”，規定鉑銥合金中（zhōng）含10%的銥(誤差（chà）為萬分之一)。在1901年（nián）第三屆國際計量大會明確規定:“千克作為質量單位，它等於國際千克原器的（de）質量。”這個（gè）原器稱作“國際千克”，用符號表示。1882年國際計量委員會又（yòu）向（xiàng）英國倫敦約翰遜·馬瑟公司訂購了40個鉑銥圓（yuán）柱體，於1884年交貨，並測量了其密度（dù）。然後由（yóu）科洛特在國際計量局拋光，調準到與1千克的質量偏差在±1毫克（kè）以內，分別標上（shàng）No.1至No.40的標記。加上KⅠ和KⅡ，共有42個千克原器，與一樣供使用。這些原器砝碼用水蒸汽（qì）和酒精蒸汽清洗後，在它們（men）中間（jiān）一對一對地大量（liàng）組合進行（háng）比（bǐ）對，而且，每個（gè）都要直接與進（jìn）行比對。1889年，第（dì）一屆國際計量（liàng）大會期間，國際計量委員會決定將34個原器砝碼分發給米製公約成員國。No.9和（hé）No.31交（jiāo）給國際計量局，作為工作（zuò）原器；KⅠ和No.1成為的兩個作證原器，並保存（cún）在相同的拱形複蓋容器中；Nos.7、8、29和32留作備用。

　　原器砝碼的（de）形狀從理論上說應當（dāng）是一個圓球，因（yīn）為球的表麵（miàn）積最小，因而受外界的影響麵也最小。但考慮到球的加工、調準和使用（yòng）不便，最終采用高度和直徑均為39毫（háo）米的圓柱體(圖3)。選用的（de）材料是90%鉑和10%銥的合金，通過鍛（duàn）造(後來用粉末（mò）冶金技術)鉑銥合金的密度達到（dào）21.55克/立方厘米，同時使其穩定和不易（yì）磨損（sǔn）。原器表麵經過精（jīng）細拋光(後來改（gǎi）用激光拋光技術)，以（yǐ）減少凹處吸附和凸處磨損引起的質量增減。

　　與檔案局千克不同的是，檔案局米尺存在（zài）兩個嚴重缺點:(1)比較測量時很（hěn）困難，而且端麵容易（yì）磨損；(2)端點的（de）標誌不明確，故使測量軸的概（gài）念模糊。因（yīn）此，按照1872年“國際米製委員會”會議提出的建立新“米原器”的議案，國際計量局著手籌建工作。法國工程師特蘭斯卡（kǎ）(Tresca)完成了新“米原器”的設計(圖4)。國際計量局向瑞士日內瓦（wǎ）物理（lǐ）儀器公司定做了31支鉑銥合金米尺，1880年做出第一支（zhī），到1887全部製造完（wán）成。其中編號No.6與檔案（àn）局米尺最為接（jiē）近，被國際米製委員會選定，經1889年第一（yī）屆國（guó）際計量大會批準將這個“米原器”定為“國際米”()。自那時以（yǐ）來一直保存在國際計量局。其餘（yú）的（de）作為副原器(都有編號)，就在這屆大會上分發給（gěi）米製公約參加國。當時得到副原器的國家有:俄No.28、英（yīng）No.16、法No.26、日No.22、德No.18、美No.27等。
    新建立（lì）的米原（yuán）器是一支“線紋尺”，其橫截麵為（wéi）“X”形(圖5)。其外接正（zhèng）方形的每邊長為20毫米，所以采用這種設計是考慮到重量相對輕而剛性（xìng）好，且不易扭曲（qǔ）等優點。米原器全（quán）長1020毫米，合金比重為21.5，重量為3.3公斤，熱（rè）膨脹係數約（yuē）為（wéi）8.65×10^-6℃^-1。在（zài）其橫截麵中間(平（píng）麵寬（kuān）4毫米)的那個稱為中性麵A—B的表（biǎo）麵兩端各有8毫（háo）米長的拋光部分，其上刻（kè）有形狀如（rú）(圖6)所示的刻（kè）線。兩條相距0.2毫米平行於尺長方向的刻線中間的假想聯線稱為（wéi）“測量軸線”，兩端各（gè）刻有（yǒu）三條與測量軸線（xiàn）垂直的刻線，彼此相距0.5毫米，中間刻線距端麵10毫米，米的（de）定義規定為:在0℃時，米尺在左右兩端（duān）的光滑麵上，兩條中央橫刻線之間沿米尺測量軸線的（de）距離（lí）為1米。該米原器具有以下（xià）特點:

　　(1)由於采用了性能十分穩定的鉑銥合金材料，其長度（dù）的變化很小，國際米原器的準確度為0.1微米，即千萬分之一(1×10^-7)；
　　(2)即使米（mǐ）原器本身產生了少許變形，但在其具（jù）有刻線（xiàn）的中（zhōng）性麵上引起1米長（zhǎng）度的變化可以被忽略；
　　(3)用兩（liǎng）刻線間的距離代替檔案局米尺易於磨損的端（duān）麵之（zhī）間的距離，使校驗、檢（jiǎn）定較為方便，且測量軸的概念也十分明確。

　　根據1927年第7屆（jiè）國際計量大會的（de）決議:米原器應被放置同一水平麵上的兩個（gè）直徑至少為1厘米的圓柱上(圖7)，其兩（liǎng）支承點的距離必須（xū）因（yīn）尺身自重而引（yǐn）起的彎曲變形（xíng）對長度變短的影響為最（zuì）小。按此要求，經（jīng）計算後得出兩支承點間（jiān）的距離l與（yǔ）米原器全長L之比應為0.55938，稱白塞爾(Bessel)支點。即
    l=0.55938L
    因L=1020毫（háo）米,所以兩支點間距離應為571毫米。

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　　米定義的變遷

　　最早的米（mǐ）定義是1791年提出的:以赤道到北極的子午線的一千萬分（fèn）之一為長度（dù）基本單位“米”。1889年第一屆國際計量（liàng）大會批準的線紋米原器，這時（shí）米（mǐ）被定義（yì）為:國（guó）際計量局（jú）保存的國際米原器上，兩端刻劃的中間刻線的軸線（xiàn）在0℃時的距離。這個定義實際上是由後來1927年第7屆國（guó）際計量大會認定的。可以說這是米定義的第（dì）一次變遷（qiān）。雖然第二代的（de）X形米原器比檔（dàng）案局米尺前（qián）進了一大步（bù），但它畢竟還是用一個實物（wù）來體現米的，通常稱之為“實物基準”。依然不具備恒定不變及不可（kě）毀滅的性質。而且刻線本身的弊病，致使難於滿足更高的檢（jiǎn）定準確度的要求（qiú）。

　　在20世紀50年代末，出（chū）現了一種氪-86同位素光源，它在規定的條件下所輻射在真空中橙黃色（sè）譜線的波長（zhǎng）值是恒定不變的。這正可作為理想的（de）“自然基準”。隻要在規定條件下可以任意複製具有相同波長的光源，因此（cǐ）各（gè）國均可具有而（ér）無需溯源到米原器，所以被1960年第11屆國際計量大（dà）會所接受並對（duì）米定義作了新的更改:即“米等於氪-86(⁸⁶Kr)原子的2p₁₀與5d₅能（néng）級之間的躍（yuè）遷所對應的輻射在真空中波長的1 650 763.73個波長的（de）長度”。也就是:
    1m=1650763.73λ(λ=0.605 78021μm)。這樣（yàng）米的準確度達到十億分之四(4×10^-9)，它意味（wèi）著在1000公裏的長度上誤（wù）差僅為4毫米。這是米定義的第二次變遷。

　　自然基準的建立終於實現（xiàn）了（le）科學家長期以來所追求的目標，它除了具有不可毀滅（miè）性外，其複現性及檢定的準確（què）度均遠好於實物基準。然而，上述米定義剛被確定不久（jiǔ），一種光的方向性好、亮度高、單色性強的（de）“氣體（tǐ）激光（guāng）”出現了，它比氪-86光源（yuán）優越許多倍。隨著穩頻和伺服技術的發展和應用，又使激光器輸出頻率的穩定性和複現（xiàn）性提（tí）高到百億分之一(1×10^-10)；而後測（cè）得的真（zhēn）空中光速值為299 792458米/秒（miǎo），其準確度比（bǐ）過去提（tí）高了（le）100倍。在這種（zhǒng）背景下，1975年（nián）第15屆國際計量大（dà）會提出，米（mǐ）定義可以通過光速表示，長度可以建立在光速為常（cháng）數的基礎上，通過時間或頻率確定。1979年經“米定義谘詢（xún）委員會”研究，隨後提出了（le）一個（gè）米（mǐ）定義的（de）新概念，並得到1983年的第16屆國際計量大會（huì）的批（pī）準。米的新定義為:“米是光在真空中1/299 792 458秒時間間隔內所行進路徑的長度”。這是（shì）米定義的第三次變遷。該定義（yì）的（de）優點在於它不固定某一波長的光源，隻要已知它的頻率，許多不同（tóng）波長的光源，均可在不同的準確度範圍內複現米，而不必更改米（mǐ）定義，因而適用範圍很廣。所以它被認為（wéi）是當前最理想的米定（dìng）義。兩個世（shì）紀以（yǐ）來米定義的變遷，反映了從近代計量學發展到現代計量學（xué）的（de）曆史進程。
  

    圖5

    圖6

    圖7

    (本文作者  蔣塤為原中國計量科學研（yán）究院高級工程師邱隆為原國家（jiā）計量局（jú）《中國計量（liàng）》雜（zá）誌總編輯)