1999年,第21届国际计量大会把5月20日设立为“世界计量日”,以纪念1875年“米制公约”签署,这项协议为后来国际计量标准的统一奠定了基础。在国际单位制中,为了纪念那些伟大的科学家做出的贡献,许多单位用了他们的名字作为单位名称,其中与电磁学直接相关就有10位。今天,在这个特别有爱的日子里——让我们看看与生活息息相关的电磁学单位,以及它们背后科学家的故事。
计量单位又称测量单位,是用来度量、比较同类量大小的一个标准量或参考。比如,比较质量时我们用“千克”,比较长度时我们用“米”等单位。而法定计量单位则是国家以法令的形式规定使用的计量单位。
我国是世界上最早统一度量衡的国家之一。秦始皇统一中国后便颁发了统一度量衡诏书,对长度、容积、质量做出了精准定义,制定了一套严格的管理制度,结束了原来各战国之间的混乱、多样的计量单位,方便了国家治理和民间生产生活往来。而同时期的古埃及、古罗马等国家也都发明了各自的计量制度。彼时,国家之间来往尚不密切,科学技术发展还在初始阶段,计量单位不统一、不精确的问题对当时世界的发展造成的困扰尚不明显。
然而,进入近代社会以来,尤其近两百年来,计量单位的统一及精确度的需求大大提高。各国之间交往越来越频繁,各领域科学技术大爆发大发展,工业化程度越来越高,这些都需要统一及精确的计量单位作为支撑。
为了适应工业生产科学技术和国际贸易的发展,保证世界范围内计量的统一,法、俄、德等17个国家在1875年5月20日签署了一项以“米制”为基础的国际公约。成立米制公约国际组织后,各国的计量单位制取得巨大突破,后来越来越多的国家加入米制公约,世界范围内计量单位逐渐走向统一。这一时期,电磁学刚刚完成了电学、磁学和光学的统一,与计量体系不断完善之路同行,以奔涌之势把近代科学乃至人类文明带入了前进的快车道。
伟大的理论物理学家和思想家,电磁学的集大成者和奠基人麦克斯韦在其代表著作《电磁论》中曾指出:“从数学的观点看,任何一种现象的最重要方面就是可测量的问题。”他不但对计量的科学价值高度重视,还提出了提高计量精度的革命性思想,改变了计量的发展方向和历史进程。
他说:“如果希望得到绝对恒久的标准,我们不能以地球的大小或运动来寻找,而应以波长、振动周期和这些永恒不变的绝对数值,来寻找这些永恒不变且完全相似的计量单元。”
1967年召开的第13届国际计量大会对秒的定义改为:铯133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所对应辐射电磁波的9,192,631,770个周期所持续的时间。这个定义提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的,而且所在的环境是零磁场。这就是我们通常所说的国际原子时,原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒,直到现在“秒”的定义仍由铯原子喷泉钟保持。
20世纪70年代,由于激光技术的发展,光速的测定已非常精确。1983年国际计量大会重新制定米的定义:“光在真空中行进1/299,792,458秒的距离”为1标准米。麦克斯韦的思想突破了技术条件的限制,他的计量预言在身后一百多年得以完美实现。从这个角度可以说,麦克斯韦及其电磁学思想,把科学与计量从牛顿力学时代引向了量子时代。
1999年,在第21届国际计量大会在法国巴黎召开,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。今天恰逢世界计量日,本文通过梳理电磁学中的计量单位,和大家一起回顾电磁学的发展历程,向伟大的科学家们致敬。
我们共梳理出10个电磁学计量单位,其中前7个为电学基础单位,后3个单位则用在磁学和频率的计量中,分为前后两篇文章进行介绍。
根据国际计量大会规定,现在通行的国际单位制(SI)有7个基本单位,它们好比七块彼此独立又相互支撑的“基石”,通过这7个基本单位能够导出所有其他的物理量单位,构成了国际单位制的基础。同时,为了方便使用,1993年国际计量大会又规定了19个具有专门名称的SI导出单位。
在电磁学领域,有10位科学家的名字作为了国际单位制计量单位,他们是:安培、库仑、伏特、法拉、欧姆、西门子、亨利、赫兹、韦伯和特斯拉。正是这些彪炳史册如雷贯耳的名字,奠定了电磁学乃至现代科学的巨厦之基,他们的成就如同璀璨明珠几乎串联起了整部电磁学史。