长度基准的历史演变及其意义

长度作为一种衡量产品和仪器等的几何尺寸是否合格的依据，已经渗透到人类生活、科学研究、工业生产的每一个角落。长度基准是长度测量的前提，是保证量值准确的基础。我们的祖先在几千年以前就寻求利用自然界物理规律来确定度量衡单位的基准，如利用“黄钟律管”作为中国原长度单位“尺”的基准。“黄钟律管”是以它的共振频率（波长）作为基准，这与当今“米”的定义是一致的。英国和一些欧洲国家采用英尺（feet）作为市场交易的临时标准。在英文中feet 的本意是“脚”，规定为一个成年男子一只脚的长度。这些定义方法在当时对精度要求不高时问题不大，而随着科技的发展，人们对长度基准及其精度的要求越来越高，同时，随着国际贸易的不断加强以及工业化大生产对产品互换性要求的提升，因此人们迫切需要建立统一的各国都能接受的长度标准。

1790年法国国民议会采纳了达特兰提出的“以经过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一为一米”的建议，“米”（meter）源于古希腊文“metron”一词（意为“测量”）。1799年巴黎科学院完成了从法国的敦尔克经巴黎到西班牙的巴尔雪隆纳这一段子午线的实测工作，并根据这一长度制作了白金杆尺来复现米的量值，按测量结果所得的1 米长度制作了一支米尺，这就是世界上第一个“米”定义的实物标准——档案米尺。1875年3月1日，法国政府召集了“米制外交会议”，会议通过了国际米制委员会的建议，按档案米尺长度制作的国际米原器取代档案米尺，作为国际长度计量标准，并在1875年5月20日正式签署了《米制公约》，俄国、法国、德国、美国和意大利等17 国代表在公约上签了字，公认米制为国际通用的计量单位，并决定成立国际计量委员会和国际计量局。国际米制公约的建立改变了欧洲长度单位不统一的混乱局面。

19世纪末，机械制造业迅速发展，1875年定义的“米”的精度已满足不了当时的要求。1889年9月28日，米制公约国际计量大会对“米”进行了重新定义，规定了在一个掺有90%铂和10%铱元素的铂铱合金制成的标准尺上，两条刻线之间的距离为1 米，测量时的温度为冰的熔点，其相对精度为10-7，即0.1 微米。这个标准尺称为“国际米原器”。如图3.1所示，米原器的结构呈X 形结构，这种截面结构的特点是，可用最少的材料取得最大的刚度，而且它与周围空气有最大的接触面积，可使温度迅速达到平衡状态。这是“米”定义的第一次变更。

图3.1　国际米原器(https://www.xing528.com)

随着对微观世界认识的不断深入，人们发现铂铱合金米尺由于内部精细结构随时间变化，造成了两条规定刻线间距离的变化，从而无法保证国际米原器所规定的精度，米原器的实际长度会随着时间而变化，并且不易复制。其次，米原器随时随地还有损坏和毁灭的危险，如战争和自然灾害等。因此便出现了由刻线尺作米的定义转化为以自然基准的新的米定义的客观需要。1890年，美国物理学家迈克尔逊发现了一种辐射，即自然镉的红色谱线，其清晰度和复现性在当时都是无与伦比的。1927年国际协议将这条谱线作为光谱学的长度标准，其单位是埃（Å）。同年，第七届国际计量大会建议利用光波波长来复制米，将镉的红色谱线的光波波长放在含有0.03%（体积）CO2的干燥空气内，在15 ℃及一个大气压下，同米原器比较，1 m 等于这种光波波长的155 316 4.1 倍。这样就将米原器刻线距离（1 m）稳定在镉的红色谱线的波长上了。此后，人们不断地寻找更为合适的光谱线。其中联邦德国物理技术联合研究所研究测定的86 Kr 的橙色谱线因最窄得到人们的关注。1960年，沿用了71年的国际米原器被放弃了，米第一次以光波长的形式定义下来，即“米的长度相当于86Kr原子的2P10到5d5能级之间跃迁的辐射在真空中波长的165 076 3.73 倍”，其相对精度提高到了4×10-9。这是“米”定义的第二次变更。

采用以原子辐射的单色光波长来确定长度单位比采用以铂铱米原器上两刻线间的距离要优越得多。首先，原子辐射的单色光波长是物质本身的属性，是不变的自然现象，这样能保证长度量值高度稳定，永恒不变。其次，原子辐射的光波长具有极高的复制精度与传递精度。另外，它的量值可以用“光干涉方法”传递，既精密又方便。最后，原子辐射的光波长是自然长度基准，在自然界中，86Kr 原子是永远不会消灭的，因此长度基准也永不会毁灭，另外保存和维护也很方便。但是，86Kr 原子辐射的橙黄谱线波长的干涉长度最佳的情况只有80 mm，因此要想用光波直接干涉测量1 m 以上的长度是不可能的，这是新长度基准的最大缺陷。另外，新长度基准还受电流、温度等影响，要进一步提高复制精度十分困难。

20世纪60年代初期出现了新型光源——激光，人们立即开始了对稳频激光技术的研究。由于激光的单色性和相干性远比86Kr 优越，不久就开始了用激光代替86Kr 作为长度基准的研究，随着兰姆凹陷、约瑟夫森效应与霍尔效应的发现及其在计量科学里的应用，时间和光速的测定都达到了很高的精确度，特别是20世纪60年代末激光频率测试技术崭露头角并取得了突破性的进展。目前，频率是迄今人类所有测量中最准确的物理量，光速又是一个基本物理常数，一旦固定后可以没有误差，其导出波长值可以与频率测量值具有相同的准确度（频率测量的准确度可望达到10-13 量级），因此用频率定义“米”的主张最后被通过。于是，1983年10月召开的第十七届国际计量大会通过了“米”的新定义，即“米是光在真空中于1/299 792 458 秒的时间间隔内所经路径的长度”。这是“米”定义的第三次变更。

新“米”定义的特点是：把真空光速值作为一个固定不变的基本物理常量，真空光速值不再是可以测量的量，而是一个换算常量，而且不受精度的限制，长度量值可以通过测量光在真空飞行的时间导出。长度基准“米”从此成为时间基准“秒”的导出基准。至此，“米”作为基本物理单位固定了下来，并成为时间及其倒数——频率的导出量。在实际测量中使用的是经过与铯原子钟进行频率比对后的稳频激光器，通过干涉的方法完成长度测量。目前已有数种波长的激光器可以使用，它们的波长已经得到了非常精确的标定，并将随着科学技术的发展而相应地提高。

总的来说，长度基准的定义经过了三次变更，从自然基准到实物基准再到自然基准的三个过程，其每次突破性进展都有力地推动了人类科技文明的进步，在国民经济、国防建设、量子通信技术、微观粒子间相互作用等领域起着不可估量的作用。