长度单位“米”的故事
2011-07-20 09:50阅读:
国际单位制的
长度单位“米”(meter,metre)起源于
法国。1790年5月由法国科学家组成的特别委员会,建议以通过
巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位──米,1791年获法国国会批准。为了制造出表征米的量值的基准器,在法国天文学家捷梁
布尔和密伸的领导下,于1792~1799年,对法国敦克尔克至
西班牙的
巴塞罗那进行了测量。1799年根据测量结果制成一根3.5毫米×25毫米短形截面的铂杆(platinum
metre bar),以此杆两端之间的距离定为1米,并交
法国档案局保管,所以也称为“档案米”。这就是最早的米定义。
由于档案米的变形情况严重,于是,1872年放弃了“档案米”的米定义,而以铂依合金(90%的铂和10%的铱)制造的
米原器作为长度的单位。米原器是根据“档案米”的长度制造的,当时共制出了31只,截面近似呈X形,把档案米的长度以两条宽度为6~8微米的刻线刻在尺子的凹槽(中性面)上。1889年在第一次
国际计量大会
上,把经国际计量局鉴定的第6号米原器(31只米原器中在0℃时最接近档案米的长度的一只)选作
国际米原器,并作为世界上最有权威的
长度基准器
保存在巴黎国际计量局的地下室中,其余的尺子作为副尺分发给与会各国。规定在周围空气温度为0℃时,米原器两端中间刻线之间的距离为1米。1927年第七
届国际计量大会又对米定义作了严格的规定,除温度要求外,还提出了米原器须保存在1标准大气压下,并对其放置方法作出了具体规定。
但是使用米原器作为米的客观标准也存在很多缺点,如材料变形;测量精度不高(只能达
0.1μm)。很难满足计量学和其他精密测量的需要。另外,万一米原器损坏,复制将无所依据,特别是复制品很难保证与原器完全一致,给各国使用带来了困
难。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5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73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。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。
随着科学技术的进步,70年代以来,对时间和
光速的测定,都达到了很高的精确度。因此,1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会上又通过了米的新定义:“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”。这样,基于光谱线波长的米的定义就被新的米定义所替代了。
实际上,米是被定义为光在以铂原子钟测量的0.000000003335640952秒内走过
的距离(取这个特别的数字的原因是,因为它对应于历史上的米的定义——按照保存在巴黎的特定铂棒上的两个刻度之间的距离)。同样,我们可以用叫做光秒的更
方便更新的长度单位,这就是简单地定义为光在一秒走过的距离。现在,我们在相对论中按照时间和光速来定义距离,这样每个观察者都自动地测量出同样的光速
(按照定义为每0.000000003335640952秒之1米)
。没有必要引入以太的观念,正如麦克尔逊——莫雷实验显示的那样,以太的存在是无论如何检测不到的。然而,相对论迫使我们从根本上改变了对时间和空间的观
念。我们必须接受的观念是:时间不能完全脱离和独立于空间,而必须和空间结合在一起形成所谓的空间——时间的客体。
编辑本段“米”的由来及误差
1米本应是从极点到赤道距离的一千万分之一。但是根据一项发现,1米事实上没有那么长。
获奖科学读物作者肯·奥尔德在一本书里说,两位在18世纪受命算出1米有多长的法国天文学家在
计算中出现了小小的失误,因而使1米比实际应有的距离短了0·2毫米。更糟的是,这两位科学家知道自己弄错了,但由于不知道怎么改正,他们就把错误掩盖起
来。也就是说,这个错误一直保留到今天。
1792年,法国科学院决定创造一个全球通用的量度单位:这个单位将是北极到赤道距离的1千万分之一。为此,两位法国天文学家从巴黎出发,相背而行。他们要测出从敦刻尔克经由巴黎到巴塞罗那的子午线弧段。
博学多才的让—巴蒂斯特—约瑟夫·德朗布尔向北走,细致认真的皮埃尔—弗朗索瓦—安德烈·梅尚往南走。
一旦两人达到目的地,他们就开始测量彼此之间的距离。在七年的时间里,这两位科学家的足迹穿越了革命战火纷飞的法国大地。德朗布尔曾在巴黎郊外幸运地躲过断头台,梅尚则在法国与西班牙的战争中一度困在敌后并被囚禁。
但是,两人终于在南部要塞卡尔卡松会合。他们从那儿返回巴黎,把获得的资料交给一个国际委员会。人们像迎接英雄一样迎接他们,并做成一根1米长的纯铂棒来纪念他们的计算结果。
法国当时的新统治者拿破仑·波拿巴称:“胜利如过眼烟云,但这项成就将永存于世。”
然而,没人知道,梅尚发现自己的计算有误,但他把错误掩盖了起来。正是这种负罪感使他过早地离开了人世。
奥尔德博士在《万物的尺度》一书中称,梅尚发现,他在两个夏天从同一个地方得到的读数不能吻合。根据现代卫星的测量结果,从极点到赤道的经线长10,002,290米。
奥尔德博士说,这种误差是测量仪器表面的细微磨损造成的。
梅尚的书信表明,发现自己的失误后,他几乎濒临疯狂。为了修正这一错误,他再次出行。最后死于疟疾。
奥尔德认为,梅尚可能对自己过于苛刻了,他和德朗布尔给自己制定的目标几乎根本无法实现。
他说:“从根本上说,他们做出了地球是规则球体的错误假设;事实表明,地球表面有起伏。”