长度单位米的前生今世与未来

武际可

人类对长度和距离的测量，有很长的历史，其间的变化可谓异彩纷呈。

从乱进级到十进制

从世界范围来看，度量衡的统一是人类交通和经济发展的必然结果。人们要进行贸易和商品买卖，政府为了征税，就需要把度量统一。我国是世界上较早实行度量衡统一的国家，从公元前359年秦国商鞅变法开始，就颁布了统一度量衡的法令。后来，秦国统一了全国，实行“车同轨，书同文”和全国统一度量单位的政策。

当时规定的基本长度单位是尺，大致上就是普通人从手腕到胳膊肘的长度。至今，人们还把小臂外侧的这段骨头称为尺骨。在秦朝时，标准尺的长度大约相当于今天的23厘米。话虽这么说，在实际生活中，长度的量度还是很混乱的。用于表征长度的其他单位就有如下一些：

拃，读zhǎ，指张开大拇指和中指（或小指）的长度。例如说一拃长。

庹，读tuǒ，成人两臂左右伸直的长度。例如说两庹长。

还有：五尺曰墨，六尺曰步，七尺曰仞，八尺曰寻，十尺曰丈，一百五十丈曰里，等等。

随着社会的进步，人们活动和交往的扩大，需要在更大范围统一度量衡的标准。一种理想的单位制必须具有两个条件：一是基本单位要准确客观，二是进级比较科学。

我国统一的长度计量标准虽然很早便确立，但还不科学，除了基本单位尺之外，还有拃、庹等非标准的基本单位流行;另外，进级很不科学，有墨、步、仞、寻、丈、里等不规则的进级。在国外，已经流行了很长时间的英制长度也不方便，其基本单位除英尺外还有码，进位又是十二进制，与数字的十进制不统一，使用起来很不方便。

确立比较科学的单位制，后来便历史性地落在了法国肩上。这是因为在18世纪末，当时的法国具有产生新的度量标准的客观条件：

一是，当时法国的度量标准非常乱，每一个地方都有自己的长度单位。即使在同一个地方，不同的行业也有不同的单位。人们早就渴望改革，希望制定统一的长度标准;但在法国大革命之前，政府的权威不够或者政府并没有把这个问题提高到足够重视的程度。

二是，1789年法国大革命之后，新政府对度量单位的改革比较重视，并立即着手改革。

三是，18世纪末，法国涌现了一批世界著名的科学家，新政府把这项改革委托给这些科学家，从而使得新的单位制能够牢固地建立在新发展的科学的基础上。

1790年5月8日，法国国民议会宣布进行度量衡改革，并委托法国科学院来确定如何规定单位。法国科学院成立了一个委员会来处理这个问题。该委员会的成员有数学家与力学家拉格朗日、力学家与天文学家拉普拉斯、化学家拉瓦锡、测量仪器设计家德波达、科学院秘书德孔多塞等，拉格朗日担任委员会主席。

委员会做的第一件事就是由拉格朗日提出充分根据，建议采用十进制作为标准单位。委员会于1790年10月27日决定，把度量衡单位都定为十进制。这样一来，就使度量单位的进制与长期形成的数字的十进制相一致，进而为计算带来了极大方便。

从海里到米

委员会做的第二件事是讨论长度与质量单位。他们决定，采用从赤道到北极的一千万分之一为米，米的百分之一为厘米，以1立方分米的纯水为质量的基本单位。法国国民议会于1791年3月30日通过了这个提案。这些基本单位的制定原则一定是以自然界客观存在的量为基准。之后，法国科学院的很多专家都投入到测量与确定标准量的工作之中。

法国国民议会大厦

之所以采用从赤道到北极的一千万分之一为米，是基于这样的思考：15～16世纪，世界航海事业快速发展，一种和航海关系很密切的长度单位非常普及，这就是海里。1海里大约是地球上的大圆角度一分所对应的长度。这对于航海非常方便，只要测量星空与原来的位置差多少度多少分，便可以直接得到走了多少距离。新的长度单位也要充分满足航海的要求，于是便把大圆的1/4，即赤道到北极的长度的一千万分之一作为1米。当时，委员会原本计划把直角的度数从90°改变为100°，可惜后者未能实现。如果该计划最终实现的话，沿大圆航行1°恰好是100千米，岂不很方便了。

接下来，就要测量地球子午线的长度了。天文学家约瑟夫·德朗布尔和安德烈·梅尚毅然接受了这一重任。他们约定，从巴黎出发，背向而行，共同完成从敦刻尔克到巴黎、再到巴塞罗那这一段地球子午线的测量工作。博学多才的德朗布尔从巴黎向北走，细致认真的梅尚从巴黎往南走，一旦两人到达各自目的地——敦刻尔克和巴塞罗那，就开始测量彼此间的距离;最后根据测量数据进行计算，以便得出1米的长度是多少。不过，当时的法兰西正处在资产阶级革命的狂热中，社会十分混乱，两位科学家常常要冒着被追捕的危险。在巴黎郊外，德朗布尔多次躲开狂热人群的追捕，有几次差点被送上断头台。在法兰西与西班牙的激烈交战中，梅尚曾被当作法国密探遭到拘禁。

经过7年的跋涉，德朗布尔和梅尚终于在法国南部要塞卡尔卡松会合。他们带着勘测资料返回巴黎时，拿破仑·波拿巴已成为法兰西新的统治者，法国政局也恢复稳定。巴黎群众像迎接英雄一样欢迎他们。崇尚科学的拿破仑也给予二人极高评价：“胜利如过眼烟云，但是这项成就会永存于世。”

设在巴黎的国际科学委员会还用纯铂制成一根1米长的金属棒，来纪念两位科学家的探险活动。

1812年，法国颁布施行“米制”，并于1837年起在全国强制推行，使米制率先在法国扎根。

1875年，国际度量衡委员会在巴黎开会，法、德、美、俄等17国政府代表共同签署了《米制公约》，同意成立国际度量衡局，并公认米制是在法国大革命中诞生的一项最伟大的科学事业，确定“米”为标准国际长度单位，并一直沿用至今。

1889年国际米原器

从“档案米”到光波米

遗憾的是，从事测量工作的天文学家出现了小小失误，导致1米的长度比定义中的长度缩短了0.02毫米。后来，人们通过卫星的精确测量发现，从地球极点到赤道的经线长为1.000229千万米，而不是梅尚测量的1千万米。也就是说，长度标准单位1米比规定的长度短了0.02毫米。著名科普作家肯·奥尔德曾在《万物的尺度》中披露说，梅尚返回巴黎后，发现测量有错误，因为他在同一地方的两次测量结果不能吻合。这一失误产生的负罪感令梅尚日夜不宁，精神濒临崩溃。为修正错误，他再次赴野外测量，结果因患疟疾而死于途中。

1799年，根据测量结果，法国科学家制成一根3.5毫米×25毫米X形截面的铂杆，以此杆两端之间的距离定为1米，并交法国档案局保管。因此，这根铂杆也被称为“档案米”。这是最早的“米”定义。

由于“档案米”存在严重的变形现象，人们于1872年放弃了“档案米”的米定义，而以铂铱合金（90%的铂和10%的铱）制造的米原器作为长度单位。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，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”长度的一只）被选为国际米原器，作为世界上最权威的长度基准器保存在巴黎国际计量局地下室中，其余的尺子作为副尺分发给与会各国。大会规定，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给出了严格规定，除温度要求外，还提出米原器必须保存在1标准大气压下，并对其放置方法做出了具体规定。

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（只能达到0.1微米）、很难满足计量学和其他精密测量的需要，等等。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，这给各使用国带来了困难。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，人们发现了宽度很窄的氪86同位素谱线，加之干涉技术的成功，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进行了如下更改：“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，不存在变形问题，容易复现，而且具有很高的复现精度。我国也于1963年建立了氪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。

“火星气候探测者”号

随着科学技术的进步，20世纪70年代以来，人类对时间和光速的测定都达到了很高的精确度。因此，在1983年10月于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。”

这样一来，基于光谱线波长的米的定义就被新的米定义所替代了。

从“自家米”到“国际米”

采用国际单位，能够使本国比较快地和国际科学界、工商业接轨，是一个国家向世界开放的标志。

清光绪三十四年（1908），清政府拟订划一度量衡制和推行章程，商请国际权度局制造铂铱合金原器和镍钢合金副原器，次年制成运回国。1928年，中华民国政府公布度量衡法，规定采用“万国公制”为标准制，并暂设辅制“市用制”作为过渡，即1公尺为3市尺，1公升为1市升，1 公斤为2市斤。改革后的市制适应民众习惯，又与公制换算简便，逐渐为民众所接受。1949年后，市用制通行全国。

1984年，国务院发布命令，采用以国际单位制为基础，同时选用一些非国际单位制单位的中华人民共和国法定计量单位（简称法定单位）。当时，考虑到民众习惯，对中药方剂计量还保留了市用制;1979年1月1日，中药方剂计量也开始使用公制。自1991 年1月1日起，法定单位制成为我国唯一合法的计量单位。

迄今为止，世界上224个国家和地区，绝大部分都采用国际单位制，只有美国、缅甸和利比里亚3个国家还坚持使用英制而拒绝使用公制。后两个国家可能是由于习惯问题，美国则认为自己是科技、工业、教育界老大而拒绝使用。

不过，美国也为此付出了代价，除了大量的单位换算给教学和交换带来不便之外，还造成过巨大的损失。1999年，美国宇航局“火星气候探测者”号发现它距离火星比科学家预测的近了60英里（96千米）左右。这不是因为时空关系出现了问题，而是因为在“火星气候探测者”号开发中出现了两种计量单位的冲突。美国宇航局科学家在计算中采用的是公制单位（如米和厘米等），但提供导航软件的洛克希德·马丁公司的工程师在研究中采用的是英尺、英寸等英制单位。结果，由于运行轨道总不稳定， 耗资8000万英镑建造的“火星气候探测者”号最终撞向火星表面报销。

【责任编辑】赵 菲