在日常生活(huó)中人們為估測長度或(huò)距離(lí),習慣用手比(bǐ)一比或(huò)跨步量一量。據中國古書(shū)記載,“布指知寸(cùn),布手知尺,舒肘知尋,婦手為咫,人身為丈”,“舉足為跬,倍跬為步,邁步為畝”。這裏的寸、尺、尋、咫、丈、跬、步等,實(shí)際上(shàng)就是(shì)長度計量單位。眾多的單位直到公元前221年(nián),秦始皇頒布“一法度衡石丈尺”命令和詔(zhào)書後才得以統(tǒng)一。
我們的祖先早在(zài)漢朝就利用自然規律建(jiàn)立了度量衡標準,它們在原理上與米的現代定義相近(jìn),而在時間(jiān)上卻比西方早約二千(qiān)年,令世人驚歎不已。
米(m)是國際單位製中表(biǎo)示長度的基本單位。提高米的測量準確度不僅對(duì)於物理學、天文學等基礎學科有重(chóng)要意義,而(ér)且(qiě)也(yě)促進了大地測量、空間技術、納米(mǐ)技術等的發展和進步。
米的最初定義是由1791年法國(guó)國民代表大會確定的,一米等於地球子午線1/4長度的一千萬分之(zhī)一。“米”來源於古希臘文,意為度量。當時認為子午線長度(dù)是固定不變的,所以米及由米確定的千克和升也固定不變(biàn),從而形成(chéng)一種基(jī)於自(zì)然不變的“米製”。
1799年,根據度量子午線弧長的(de)結果,用燒結鉑製成了體現端度基準的米原(yuán)器並保存在巴黎檔案局,這就是最早的“檔案(àn)米”(後來(lái)證明它(tā)的實(shí)際值比定(dìng)義值短約0.2毫米)。
國際計量局(BIPM)據此複製(zhì)了30個鉑(90%)銥(10%)合金製的X型線紋基準米原器。1889年經第一屆國際計量大會(CIPM)批準,從中(zhōng)選出了一個作為(wéi)國際米原器,留(liú)出數個作為工作原器,而把(bǎ)其餘的(de)分發給米製公(gōng)約成(chéng)員國作為國家基準。這時的米被定義為,國際計量局保存的國際米原器上,兩端刻劃的中間刻(kè)線的(de)軸線在00C時的距離。此定義實際上是由後來第7屆國際計量大會,1927年,認定的。可以說這是米定義的第一次變遷。
國際米原(yuán)器的準確度為0.1微米,即(jí)千(qiān)萬分之一(1×10-7)。到20世紀中葉,這個準確度已無法滿足精密機械製造業和計量學發展的需要。於是有人提出用原子輻射波長值取(qǔ)而代之的建議,因為它是一種固定不變的自然基準。不久發(fā)現新研製的氪-86低壓氣體放電燈,在一定條件(jiàn)下輻射出的橙(chéng)黃光譜的(de)真空波長值是個“定值(zhí)”。1960年第11屆(jiè)國際計量大會決定廢除國(guó)際米原器,將米定義為,氪-86原子的(de)2P10和 5d5能級之間(jiān)躍過所對應輻射在真空(kōng)中波長的1650763.73倍。這樣米的準確度達到十億分之四(4×10-9),它意味著(zhe)在1000公裏的長度上(shàng)誤差僅為4毫米。這是米定義的第(dì)二次變遷。
幾乎與此同時(shí),一種方向性好、亮度高、單色性強(相幹能力強)的激光問世,其特性優於任何已有的光源。隨著穩頻(pín)和伺服技術(shù)的發展和應用,又使激光器輸出頻率的穩定性和複現性(xìng)提高到百億(yì)分之一(1×10-10),而後測得的真(zhēn)空中光速值(zhí)為299792458米/秒(miǎo),其準(zhǔn)確度也比過去提高了100倍(bèi)。
在這種背景下,1975年第15屆(jiè)國際計量大會提出,米定義可以通過光(guāng)速表示,並認為(wéi)光速值保持不變對(duì)天文學和大地測量具(jù)有重要意義。這就是說,光速值不再是可測的量,而(ér)是固定不變的常(cháng)數,長度則可以建立在光速為常數(shù)的基礎上,通過時間或頻率確定。1983年第17屆(jiè)國際計量大會將米定(dìng)義為,光在真空中(zhōng),在1/299792458秒時間間隔內所行進路徑的長(zhǎng)度。這是米定義的第三次變遷。
新定義的米,可以通過時間法、頻率法和輻射法來複現。時間法利用光行進的時間(jiān)來(lái)測量長度,主要用於天文學和大地測量(liàng)學。頻率法利用(yòng)光的頻率來測量其真空波長,故在準(zhǔn)確度方麵潛力很大,但在實際應用中尚需建立激光波(bō)長基(jī)準。在輻射法方(fāng)麵,1993年國際計量委員會推薦了8種穩頻激光器輻射的標準譜線頻率(波長)值,作為複現(xiàn)米定(dìng)義的國際標準。
由於目前還沒有一(yī)種光電接收器能(néng)夠響應可見光頻率,所(suǒ)以(yǐ)尚需分波段研製多個穩頻激光(guāng)器作為基準。穩頻激光器輻射頻率的測量準確度仍在不斷改進中,比如目前常用(yòng)的碘吸收633納米(mǐ)氦氖穩頻激光器的複(fù)現性,已在(zài)1×10-10的基礎上又提高了約一個數量級。因(yīn)而,在(zài)光頻範圍內米有可能建立頻率(lǜ)標準,這無疑將促進原(yuán)子物理學、分子物理及(jí)高分辨率(lǜ)激光光譜學的發展。兩個世紀以來米定義(yì)的變遷,既反映(yìng)了科技(jì)進步對計量學發展的推動作用,也反映了計量學發展對科技進步(bù)的(de)反作用。
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