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度量衡是一门最基础的科技,也是一切科学的根本。在科技史上,公制的发明绝对是影响最深远的事件之一。1960年至今,全球通用的“国际单位制”(International System of Units,简称SI)便是衍生自公制的一套系统。而无论是公制或国际单位制,“公尺”(metre或meter,源自希腊文“测量”)这个长度单位都具有中心地位。
然而正如“国际度量衡局”所强调的“度量衡总是不停演化”,过去两百多年来,公尺的定义经过数次大大小小的更迭,正好反映了18世纪以来的科技发展。
1789年,法国首创公制
公制与法国大革命有着密不可分的关系。法国人早就有心建立一套科学的度量衡制度,1789年那场革命正好带来“破旧立新”的机会。他们郑重其事地设立一个委员会,成员包括当时一些著名科学家。为了要让这套度量衡成为名副其实的“公制”,委员会决议采用地球周长为标准,将北极到赤道的经线定义为一千万公尺(粗略地说,便是将地球周长定义为四千万公尺)。
他们最初定义的是经过巴黎的经线,但后来真正测量的,则是从敦刻尔克到巴塞罗那的一小段,根据这段距离,再配合天文观测,便可推算出所需要的长度。然后将这段长度除以一千万,便是制作“公尺原器”这根金属棒的根据(这根金属棒曾经改版好几次)。
1889年。国际公尺原器
从此以后,法国人推广公制不遗余力,不过世界各地的阻力却相当大。1875年是公制全球化的第一个里程碑:许多国家在《公尺条约》上签字,算是承认了公制的国际地位。位于巴黎近郊的“国际度量衡局”便是根据这个条约于1889年成立的,而公尺定义则改为:保存于该局里面那根铂铱合金“国际公尺原器”上两个刻度问的长度。
根据这个定义,公尺与地球周长不再有绝对的关系。原因之一是地球并非真正的球形,表面又凹凸不平,并不适合当长度的标准;原因之二是“国际公尺原器”还有许多副本,分送各国妥善保存,例如美国便将其副本存放于“国家标准与技术局”。
1960年,以光波波长定义
随着科技的发展,“公尺原器”这种中央集权式定义逐渐过时,于是在1960年,第十一届“万国度量衡会议”通过改以光波波长来定义公尺,即1公尺=Kr-86原子能阶跃迁(5d5—2P10)时,所放出的轴射线在真空中波长之1,650,763.73倍的长度。如此只要有足够精密的设备,任何实验室皆可量得公尺的标准长度。套句政治术语,这是个标准的“去中心化”定义。有趣的是,某位法国科学家在1827年便提出过这样的建议。
1983年,改以光速定义
上述定义只用了23年。到1983年,第十七届“万国度量衡会议”再度翻案,改将光线在真空中行进1秒的距离定义为299792458公尺,小数点后为零。
这个定义不但比波长定义简洁得多,而且放诸宇宙皆玳。因为自从爱因斯坦1905年提出狭义相对论之后,物理学家便坚信真空光速是宇宙中最绝对的速度。值得注意的是,这个新定义造成“国际单位制”根本上的改变:最基本的物理量从长度变成了光速(通常写作c)。此后测量光速的目的,不而是为了求得更精确的c值,而是为了对公尺做更精确的定义。
为何要用299792458这个既古怪又麻烦的数字定义光速呢?那是因为虽然光速非常接近每秒3亿公尺(30万公里),科学家却早就测得十分精确的数据:以公尺的㈦定义来说,这个数据的整数部分,正是299792458。因此1983年的新定义可算是“倒因为果”,利用这个整数倒过来定义光速。
据说当年在会场上,有人主张干脆将光速定义为每秒恰好3亿公尺,可惜这个高瞻远瞩的提议却遭到否决。想必是由于那会使得许多精密数据被迫更改,而全球科学社群经不起这样天翻地覆的变化。
然而正如“国际度量衡局”所强调的“度量衡总是不停演化”,过去两百多年来,公尺的定义经过数次大大小小的更迭,正好反映了18世纪以来的科技发展。
1789年,法国首创公制
公制与法国大革命有着密不可分的关系。法国人早就有心建立一套科学的度量衡制度,1789年那场革命正好带来“破旧立新”的机会。他们郑重其事地设立一个委员会,成员包括当时一些著名科学家。为了要让这套度量衡成为名副其实的“公制”,委员会决议采用地球周长为标准,将北极到赤道的经线定义为一千万公尺(粗略地说,便是将地球周长定义为四千万公尺)。
他们最初定义的是经过巴黎的经线,但后来真正测量的,则是从敦刻尔克到巴塞罗那的一小段,根据这段距离,再配合天文观测,便可推算出所需要的长度。然后将这段长度除以一千万,便是制作“公尺原器”这根金属棒的根据(这根金属棒曾经改版好几次)。
1889年。国际公尺原器
从此以后,法国人推广公制不遗余力,不过世界各地的阻力却相当大。1875年是公制全球化的第一个里程碑:许多国家在《公尺条约》上签字,算是承认了公制的国际地位。位于巴黎近郊的“国际度量衡局”便是根据这个条约于1889年成立的,而公尺定义则改为:保存于该局里面那根铂铱合金“国际公尺原器”上两个刻度问的长度。
根据这个定义,公尺与地球周长不再有绝对的关系。原因之一是地球并非真正的球形,表面又凹凸不平,并不适合当长度的标准;原因之二是“国际公尺原器”还有许多副本,分送各国妥善保存,例如美国便将其副本存放于“国家标准与技术局”。
1960年,以光波波长定义
随着科技的发展,“公尺原器”这种中央集权式定义逐渐过时,于是在1960年,第十一届“万国度量衡会议”通过改以光波波长来定义公尺,即1公尺=Kr-86原子能阶跃迁(5d5—2P10)时,所放出的轴射线在真空中波长之1,650,763.73倍的长度。如此只要有足够精密的设备,任何实验室皆可量得公尺的标准长度。套句政治术语,这是个标准的“去中心化”定义。有趣的是,某位法国科学家在1827年便提出过这样的建议。
1983年,改以光速定义
上述定义只用了23年。到1983年,第十七届“万国度量衡会议”再度翻案,改将光线在真空中行进1秒的距离定义为299792458公尺,小数点后为零。
这个定义不但比波长定义简洁得多,而且放诸宇宙皆玳。因为自从爱因斯坦1905年提出狭义相对论之后,物理学家便坚信真空光速是宇宙中最绝对的速度。值得注意的是,这个新定义造成“国际单位制”根本上的改变:最基本的物理量从长度变成了光速(通常写作c)。此后测量光速的目的,不而是为了求得更精确的c值,而是为了对公尺做更精确的定义。
为何要用299792458这个既古怪又麻烦的数字定义光速呢?那是因为虽然光速非常接近每秒3亿公尺(30万公里),科学家却早就测得十分精确的数据:以公尺的㈦定义来说,这个数据的整数部分,正是299792458。因此1983年的新定义可算是“倒因为果”,利用这个整数倒过来定义光速。
据说当年在会场上,有人主张干脆将光速定义为每秒恰好3亿公尺,可惜这个高瞻远瞩的提议却遭到否决。想必是由于那会使得许多精密数据被迫更改,而全球科学社群经不起这样天翻地覆的变化。