马爱文：七个国际计量单位是如何被定义的

马爱文：七个国际计量单位是如何被定义的

计量单位是人类认识世界、描述世界的重要工具，其发展历史见证了人类对世界特性的认识逐渐精确化的过程。从中国古代的度量衡到现代的七个基本物理量，计量单位的演变不仅体现了科技的进步，也反映了人类对精度追求的不断深化。

长度

在中国历史上，长度单位的定义经历了从人体部位到自然物再到物理常数的演变过程。例如，“1尺”这个单位在不同朝代所代表的长度就有所不同：商朝时，1尺相当于现在的16厘米左右；明代，1尺相当于现在的30.3厘米。

这种定义方式的缺陷在于不同人的身体部位长度并不相等。为了解决这个问题，《汉书·律历志》中规定：“度者……本起黄钟之长。以子谷秬黍中者，一黍之广度之，九十分黄钟之长，一为一分。”也就是说，定义一个黍粒的宽度为1分，10分为1寸，100分就是1尺。黄钟律管正好9寸。这样，长度的单位就定义到黍粒的长度、黄钟的长度上。

18世纪初，法国人提出将通过法国巴黎的地球子午线的4千万分之一定义为1米。经过测量后，他们得到了“精确”的1米的长度，并根据这个1米的长度制定了一个“米尺”，做为国家的米基准。1875年3月1日，法国组织19个国家在巴黎召开“米制外交会议”，同年5月20日共同签署了《米制公约》，即以“通过法国巴黎地球子午线长度的四千万分之一为1米”，根据这个定义制作了一个横截面为“X”的合金原器，做为米原器，存放在位于巴黎的国际计量局，作为全世界1 米的统一标准。

在《米制公约》签署之后，“米”的定义又进行了几次改变：1960年第11届国际计量大会废除铂铱米原器，而将“米”定义为：“米等于86Kr原子的2p10和5d5能级间的跃迁所对应的辐射在真空中波长的1650763.73个波长的长度”。长度基准完成了从实物基准向自然基准的过渡。后来又发现，86Kr基准谱线的波长仍稍有不对称。1983年的第17届国际计量大会通过了新的“米”定义：“米等于光在真空中299 792 458 分之一秒的时间间隔内所经路径的长度”。该定义隐含了光速值c=299 792 458m/s。由于真空光速稳定且十分快，因此用光速定义“米”更为准确。自此，长度基准又完成了由自然基准向基本物理常数定义基本单位的过渡。

质量

在我国，质量的计量也可以追溯到黄钟，黄钟律管可容纳1200个黍粒，定义这些黍粒的重量为12铢。1累是10个黍粒的重量，即十分之一铢；6铢为1锱，24铢为1两，16两为1斤，30斤为1钧，4钧为1石。这种进制蕴含着很多中华文化理念，如1两等于24铢，代表24节气；1钧等于30斤，代表1月30天；1石等于4钧，代表一年四季；1斤等于16两，代表四时乘以四方等。

质量单位的定义也经历了从以实物为基准到以基本物理常数为基准的变革。1889年起，一千克定义为国际千克原器的质量，这个原器是一个铂铱合金圆柱体，被保存在位于巴黎的国际计量局一间地下储藏室内。但是随着时间的推移，其质量受空气污染、氧化等因素影响出现细微变化，已难以适应现代精密测量要求。因此，第26届国际计量大会于2018年11月16日通过“修订国际单位制”决议，更新了包括国际质量单位“千克”在内的4项基本单位定义，这些定义于2019年5月20日世界计量日起正式生效。千克的新定义用普朗克常数来表达。

时间

对于时间的计量，最早出现的概念是“天”，因为人们最早观察到太阳的东升西落，有了天的概念。之后，人们观察月的圆缺变化和地球绕太阳的周期运动，产生了“月”和“年”的概念。古代人对于日夜长短随着季节的变化有着朴素的观察，一首关于冬至的诗写到：“晓云舒瑞，寒影初回长日至。罗袜新成，更有何人继后尘。绮窗寒浅，尽道朝来添一线。秉烛须游，已减铜壶昨夜筹。”该诗表现出冬至之后，白昼逐渐变长、夜晚逐渐缩短以及对人的日常生活的细微影响。古代人为了精确计时，发明了各种计量装置，比如滴漏、龙舟香漏、圭表、观象台等。

在现代时间计量中，其基本计量单位是“秒”，它的定义也经过了多次变革。1960年以前，国际计量大会以地球自转为基础，以平均太阳日之86400分之一作为1秒的定义。后来，人们研究发现：每天的时间长短也并不完全相同。1967年规定，“1秒”是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。铯原子的跃迁周期十分稳定，因而这次对“秒”的重新定义使时间测量精度大幅提高。时间的高精度定义使得基于时间差计算距离的卫星导航以及其他与时间相关参数的测量精度大幅度提升。目前我国研制的铯原子喷泉钟的精度已达到3000万年不差1秒。国际计量局正在研究用光钟来重新定义时间秒，新定义还会将时间秒的精度提高2-3个数量级。

温度

对温度的计量，与最初长度的计量单位定义一样，也是以身体为标准。《齐民要术》记载，做奶酪的温度“小暖于人体，为合适宜”，意思是“比身体稍微暖一点，发酵出来的牛奶是最好的”。可以看出人就是一个“温度计”。《淮南子·说山训》中：“以小明大，见一叶落而知岁之将暮；暏瓶中之冰，而知天下之寒”，这也是温度测量的一些直观描述。

随着人们对微观世界认识能力的增强，人们发现温度的高低与分子热运动的剧烈程度有关。因此，2018年的国际计量大会，将温度计量单位开尔文定义到表征分子运动状态的参数——玻尔兹曼常数上。

电流

“安培”是电流强度的计量单位。“安培”这一单位对于现代电磁学有重要的意义。电和磁在古代中国的语境里是分不开的，我国在春秋时期就认识到了磁石能吸引小物体的性质。在当代电磁学中，“安培”这一计量单位的具体定义是通过电子的基本特性来实现的：由于电子带的电荷数是固定的，使用仪器控制每秒通过的电子个数，这样就可以得到电流强度的基本单位“安培”。

发光强度

“坎德拉”是光学发光强度的计量单位。“坎德拉”是从“candle（蜡烛）”这个词发展而来的。1坎德拉最早的定义就是1个蜡烛燃烧时的亮度。而现在则将“坎德拉”定义到辐射光的发射频率上。

物质的量

“摩尔”是物质的量的计量单位。摩尔实际就是一个常数，表示含有一定数目粒子的集体，1摩尔的概念源自相对原子质量与相对分子质量。2018年第26届国际计量大会，将摩尔定义到确定的阿伏伽德罗数上。

米、秒、千克、安培、开尔文、坎德拉和摩尔，这七个基本单位构成了我们认识世界、表达万事万物特性的基础，其它参数都可以用这七个基本参数来导出或表征。计量的定义都是人为规定的，且随着科技的发展，还会有新的定义出现，而每一次定义的变革，都一定程度地提高了它们的精度，使得测量更为准确。这些变革对我们的日常生活影响不大，但是它对科学的进步以及高精度的测量都有着重大的推动意义。

计量——人类发展的基石

门捷列夫讲：没有测量就没有科学。元素周期表的发明和发现就是以测量为基础，只有知晓元素对应原子的质量，才能对它们进行排序。计量是科学研究的基础。聂荣臻曾讲：科技要发展，计量须先行。哈尔滨工业大学谭久彬院士在一篇文章中讲：截至2017年，诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖获奖项目总数为371项，获奖总人数为594人；直接因测量科学研究成果或直接发明新原理仪器而获奖的项目总数为42项（占11.3%)，总人数为64人（占10.8%) ，如电子显微镜、质谱仪、CT断层扫描仪、扫描隧道显微镜、超分辨荧光显微镜、冷冻电镜、激光干涉仪等；同时，72%的物理学奖、81%的化学奖、95%的生理学或医学奖都是借助于相关尖端仪器完成的。清华大学王大珩院士曾讲：计量测试仪器是科学研究的先行官。

计量是先进制造业高质量发展的引擎。历史上三次工业革命都是以计量测试技术的发展为引领、为前提的。第四次工业革命更离不计量测试技术的发展，离不开2018年国际计量单位的变革。精密机械专家大连理工大学王立鼎院士曾说过：要造出高精度的齿轮，必须要有更高精度的计量检测手段。

计量也是经济社会发展的基础：公平贸易需要计量，环境监测需要计量，国防军事、体育竞赛都离不开计量。计量是社会公平公正的物化法官，没有测量的准确可靠就不可能有社会的公平公正。在呼之欲出的数字时代，测量感知更是数据和计算的基础，是大数据时代、智能时代的重要技术基础。

结语

从中国古代的度量衡到现代的七个基本物理量的定义来看，计量是人类认识世界、描述世界的重要工具，计量的发展过程也是我们对世界特性的描述逐渐精确化的过程。清华大学科学博物馆的这次展览名称为“不可限量”，至少可以从三个方面理解：第一，人类的测量能力正在向宏观（如外太空）以及微观世界这些看似不可测量的领域延伸；第二，测量的精度提高是不断发展的，也是不可限量的；第三，人类的测量也会进入生命领域，最终回归到对人类自身的认识，比如对意识、对基因、对心脏跳动等的计量，这也是不可限量的。

王阳明指出：“格物致知”。“格物”即是对物质特性的认识，而认识的手段主要就是测量。通过测量而达到对物质的不断认识提升。通过“格物致知”达到修身、齐家、治国、平天下。人类认识世界的工具是计量，而认识人生也需要计量。老子有言：“知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。知足者富，强行者有志。不失其所者久，死而不亡者寿。”人如何做到“长寿”？死而不亡者寿，如何做到死而不亡？用七个基本单位来确定的话就是：人生的寿命取决于你站位的高度（米），对事业追求的热度（开尔文），干事业的程度和力度（质量），与别人碰撞智慧时产生的火花（电流强度），内心知识的多少（摩尔数），对时间把握的松紧度（秒）以及对社会的发光强度（坎德拉）。