米的定义及其变迁

施昌彦

在日常生活中人们为估测长度或距离，习惯用手比一比或跨步量一量。据中国古书记载，“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻，妇手为咫，人身为丈”，“举足为跬，倍跬为步，迈步为亩”。这里的寸、尺、寻、咫、丈、跬、步等，实际上就是长度计量单位。众多的单位直到公元前221年，秦始皇颁布“一法度衡石丈尺”命令和诏书后才得以统一。

我们的祖先早在汉朝就利用自然规律建立了度量衡标准，它们在原理上与米的现代定义相近，而在时间上却比西方早约二千年，令世人惊叹不已。

米(m)是国际单位制中表示长度的基本单位。提高米的测量准确度不仅对于物理学、天文学等基础学科有重要意义，而且也促进了大地测量、空间技术、纳米技术等的发展和进步。

米的最初定义是由1791年法国国民代表大会确定的，一米等于地球子午线1/4长度的一千万分之一。“米”来源于古希腊文，意为度量。当时认为子午线长度是固定不变的，所以米及由米确定的千克和升也固定不变，从而形成一种基于自然不变的“米制”。

1799年，根据度量子午线弧长的结果，用烧结铂制成了体现端度基准的米原器并保存在巴黎档案局，这就是最早的“档案米”(后来证明它的实际值比定义值短约0.2毫米)。

国际计量局(BIPM)据此复制了30个铂(90%)铱(10%)合金制的X型线纹基准米原器。1889年经第一届国际计量大会(CIPM)批准，从中选出了一个作为国际米原器，留出数个作为工作原器，而把其余的分发给米制公约成员国作为国家基准。这时的米被定义为，国际计量局保存的国际米原器上，两端刻划的中间刻线的轴线在00C时的距离。此定义实际上是由后来第7届国际计量大会，1927年，认定的。可以说这是米定义的第一次变迁。

国际米原器的准确度为0.1微米，即千万分之一(1×10 -7 )。到20世纪中叶，这个准确度已无法满足精密机械制造业和计量学发展的需要。于是有人提出用原子辐射波长值取而代之的建议，因为它是一种固定不变的自然基准。不久发现新研制的氪-86低压气体放电灯，在一定条件下辐射出的橙黄光谱的真空波长值是个“定值”。1960年第11届国际计量大会决定废除国际米原器，将米定义为，氪-86原子的2P 10 和 5d 5 能级之间跃过所对应辐射在真空中波长的1650763.73倍。这样米的准确度达到十亿分之四(4×10 -9 )，它意味着在1000公里的长度上误差仅为4毫米。这是米定义的第二次变迁。

几乎与此同时，一种方向性好、亮度高、单色性强(相干能力强)的激光问世，其特性优于任何已有的光源。随着稳频和伺服技术的发展和应用，又使激光器输出频率的稳定性和复现性提高到百亿分之一(1×10 -10 )，而后测得的真空中光速值为299792458米/秒，其准确度也比过去提高了100倍。

在这种背景下，1975年第15届国际计量大会提出，米定义可以通过光速表示，并认为光速值保持不变对天文学和大地测量具有重要意义。这就是说，光速值不再是可测的量，而是固定不变的常数，长度则可以建立在光速为常数的基础上，通过时间或频率确定。1983年第17届国际计量大会将米定义为，光在真空中，在1/299792458秒时间间隔内所行进路径的长度。这是米定义的第三次变迁。

新定义的米，可以通过时间法、频率法和辐射法来复现。时间法利用光行进的时间来测量长度，主要用于天文学和大地测量学。频率法利用光的频率来测量其真空波长，故在准确度方面潜力很大，但在实际应用中尚需建立激光波长基准。在辐射法方面，1993年国际计量委员会推荐了8种稳频激光器辐射的标准谱线频率(波长)值，作为复现米定义的国际标准。

由于目前还没有一种光电接收器能够响应可见光频率，所以尚需分波段研制多个稳频激光器作为基准。稳频激光器辐射频率的测量准确度仍在不断改进中，比如目前常用的碘吸收633纳米氦氖稳频激光器的复现性，已在1×10 -10 的基础上又提高了约一个数量级。因而，在光频范围内米有可能建立频率标准，这无疑将促进原子物理学、分子物理及高分辨率激光光谱学的发展。两个世纪以来米定义的变迁，既反映了科技进步对计量学发展的推动作用，也反映了计量学发展对科技进步的反作用。●