世界计量日
1875年5月20日,20个国家中的17个全权代表签订了《米制公约》,这是一项在全球范围内采用国际单位制和保证测量结果一致的政府间协议。各签字国共同出资设立科学机构,即国际计量局(BIPM),局址设在法国。国际计量局由国际计量大会(CGPM)和科学专家委员会即“国际计量委员会”(CIPM)管辖。
1999年10月11~15日,第21届国际计量大会在法国巴黎国际计量局召开,为了使各国政府和公众了解计量,鼓励和推动各国计量领域的发展,加强各国在计量领域的国际交流与合作,大会确定每年5月20日为世界计量日。
在全球范围内统一度量衡,是一项造福全人类的伟业,这也是国际单位制的要义所在。基本单位植根于前沿科技,服务于整个社会,其每一次“进化”都是计量科学的跨越。值此“世界计量日”之际,让我们回望国际单位制7个基本单位的前世今生,去追寻那些烙刻在每个基本单位上的时代印记,并揭示基本单位将如何“变脸”。
秒:计量精度第一
“一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴。”古人很懂得惜时的道理。然而,人类对于时间的测量经历了极其漫长的过程。
我们的祖先是用春夏秋冬的四季轮回来定义年,用月球的圆缺变化来定义月,用太阳的东升西落来定义日,并且还出现了时、刻、更、点等许多独特的计时单位。从17世纪开始,天文学家引入“平太阳日”的概念,即当地球自转一周,地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。
随着科学技术的进步,计时精度不断提高,人们希望找到一个更为准确的时间尺度。1820年,法国科学院正式提出了关于“秒”的定义:一个平太阳日的1/86400为1秒(即平太阳秒)。这就是人们通常所说的天文秒,以天文秒为基本单位建立的时标叫作世界时。
由于地球的自转并不稳定,因此天文秒的精度不高。1956年10月,国际计量委员会(CIPM)决定采用以地球公转为基础的历书时秒作为时间单位。然而,地球公转的周期也不是恒定的,因此秒长也存在误差。在这样的背景下,“原子秒”登上了计时舞台。
米:全球同此尺度
在人类的发展历史上,关于长度的计量由来已久。然而,每个国家都有自己的计量标准。即便在同一个国家,不同的地区和不同的历史时期,长度单位的名称和量值也是不一样的。长度计量单位的杂乱无章,无疑为商品和文化交流带来了诸多麻烦。“米”的诞生就是为解决长度计量混乱问题而进行的一个科学尝试。1790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基准的问题,为统一计量单位打好基础。
1791年,米的定义诞生了,即把经过巴黎的地球子午线,也就是经线长度的4000万分之一定义为1米。为什么要选取地球子午线作为米定义的参照系呢?因为当时认为地球子午线长度是固定不变的。关于米的名称,则是选取古希腊文metron(度量)一词,后来则演变为metre(meter)。
千克:百年寿星让位
我们常说的度量衡,其中的“衡”指的就是测量物体轻重(质量)的工具,比如古代的杆秤以及现代的电子秤等。国际单位制中的质量单位为千克,在现代社会中应用十分广泛。千克的“诞生地”也在法国,第一个千克原器存放于巴黎档案局,也叫“档案千克”。1799年,法国科学家最初提出的千克定义是:1立方分米纯水在最大密度(温度约为4℃)时的质量定为1千克。很显然,最初的千克质量单位是由长度单位米推导出来的。
开尔文:感知冷暖更准
开尔文是英国著名的物理学家,在电磁学和热力学方面都取得了很大的成就。特别是在热力学方面,他是热力学第二定律的奠基人之一,并创立了热力学温标。热力学温标也称绝对温标或开尔文温标。1954年,开尔文被确定为温度的基本单位,并规定了热力学温度单位的定义,即选取水的三相点为基本定点,并定义其温度为273.16开尔文。
坎德拉:基准与时俱进
人类对于世界的认识,大多是通过眼睛对光的感知而获得的。我们生活中除了阳光之外还有许许多多的光,比如可燃物的燃烧、电光源的发光以及生物的发光等。人类对于光的认识经历了极其漫长的过程,其中发光强度就是一个重要的方面。1881年,国际电工技术委员会确定烛光为国际标准,其定义为:1磅鲸油制成6支蜡烛,并以每小时120格令(1格令约为0.0648克)的速度燃烧时,在水平方向上的发光强度为1烛光。
对于烛光的定义,标志着近代光度计量的开端,但是这样的标准稳定性很差,复现性也不好。
安培:微观取代宏观
安培是一位伟大的物理学家,被誉为“电学中的牛顿”。为了纪念安培在电学上的杰出贡献,电流的单位便以他的姓氏命名。虽然我们平时听到更多的是电压的单位伏特或者电阻的单位欧姆,但是它们都不是基本的物理量,它们的定义都是基于电流而得出的。
摩尔:将与“硅球”挂钩
摩尔作为国际单位制物质的量的基本单位,在化学上的应用是十分广泛的。摩尔的拉丁文意为“大量、堆积”,并不是科学家的名字。20世纪初,摩尔被定义为以克为单位的物质质量与分子量的比值。由于分子量的定义涉及到了碳-12,所以后来把摩尔的定义修改为直接基于碳-12,而不再引入分子量的概念。