一米到底有多长

罗锋

在中国古代与近代，我们使用的计量单位里是没有“米”这个概念的，一般用“寸”、“尺”、“丈”等来表示长度。谈到“米”的来历，就要从米制的建立说起。米制是国际上最早建立的一种计量单位制度，在17、18世纪，人们认为计量单位和计量制度比较混乱，影响国际贸易、经济发展和科技交流，迫切希望科学家能研究出一种新的、通用的、适合所有国家的计量单位和计量制度。

米的由来

1675年，意大利科学家提托·李维欧·布拉提尼首次在论文中使用了met -ro cattolico-词，该词是由希腊语”STQO-）caOoUM6v（metron katholikon）衍生而来的，意为”一种通用测量单位*。到1688年，英国哲学家和教士约翰·威尔金斯提出需要一个十进制标准的长度单位系统对国际通用长度计量作进一步细化和统一。法国大革命胜利后，国民公会令法国科学院组织一个委员会来制定一个标准的度量衡制度。委员会提出了一套新的十进制度量衡制度。当时，科学家认为地球的大小是不变的，于是开始测量地球子午线，并建议以通过巴黎的子午线上从地球赤道到北极点距离的一千万分之一（即地球子午线的四千万分之一）的长度定为1米，并用铂制成了截面为4mmX 25. 3mm的一根标准米尺。这根米尺就成为了世界上最早的米原器，现存于法国档案馆。考虑到能在全世界通用，米尺的单位名称没有采用法语，而是采用古希腊语metre，意为测量，后演变为meter，中文译为“米突”或“米”。1791年，该方案获法国国会批准。

米的发展

为了进一步统一世界的计量制度，18 69年法国政府向一些国家发出邀请，希望他们派代表到巴黎召开“国际米制委员会”会议。在1872年8月开会时，共有24个国家派出了代表，会议决定以巴黎档案局所保存的米原器为基准，复制一些新原器发给与会国。至此，米制便开始在各国萌芽。到了1875年3月1日，法国政府又召集了20个国家的政府代表和科学家参加“米制外交会议”，并于当年5月20日由17个国家的代表签署了《米制公约》，为米制的传播和发展奠定了国际基础。当时的清政府虽未参加米制公约，但早在1858年（清咸丰八年）订立《天津条约》以后，中国就正式接受英、法、德、俄等国的度量衡单位制，使中国清制和米制建立了换算关系。1889年，在第一次国际计量大会（CGPM）上，把经国际计量局鉴定的第6号米原器选为国际米原器，并作为世界上最权威的长度基准器，其余的米原器作为副尺分发给与会各国，成为各国的度量基准，并对“米”作了定义：0℃时，巴黎国际计量局的截面为X型的铂铱合金尺两端刻线记号间的距离。这便是“米”定义的第一次变迁。自此，米制在全世界广泛传播，也被普遍接受。

随着米制的广泛应用，逐渐出现了一些问题。实际上，米原器给出的长度并不一定正好是l米，由于刻线工艺、材料变形和测量方法等方面的原因，在复现量值时会有一定的误差。受刻线宽度的影响，科学家们对米原器的准确度（只达0. 2u由感到不满意。而且这根米原器太娇弱，为保持准确度，必须终年放在恒温房里，不能让阳光直射。如果外界变化一个大气压，它就会伸缩万分之一毫米：加上铂铱合金会受热胀冷缩的影响，很难满足精密零件的测量;此外.由于它是金属制造，长时间存放就会被腐蚀、损坏，再造一个和原来一模一样的米尺几乎是不可能的。基于种种原因，科学家们不得不寻求新的“米”的定义方法。

1880--1882年，美籍德国科学家阿尔伯·迈克尔逊在柏林大学研制了一台镜式干涉仪。经过不断地改进和完善，他在1892年第一次用镉红外波长，以光波干涉法测量了国际米原器，测量准确度高达2.5X l0-7m，比法国档案局保存的测量器的准确度提高了100倍。干涉仪的出现使长度计量迈进了一大步，有效地促进了计量科学的发展。

随着科学研究的深入，到20世纪50年代末，出现了一种氪86同位素光源，它在规定的条件下所辐射在真空中橙黄色谱线的波长值是恒定不变的。这正好可作为理想的“自然基准”。只要是在规定的条件下，可任意复制具有相同波长的光源，因此各国均可具有而无需溯源到米原器。1960年，在第十一届国际计量大会（CGPM）上，决定用氪（Kr）橙线代替镉红线，并决定把米的定义改为：“米的长度等于氪86原子的2p：。和5d;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，没有变形问题，容易复现，且具有很高的复现精度，相对误差不超过4X 10-。，相当于在l千米长度测量中不差4微米。这便是“米”定义的第二次变迁。这种以自然基准代替实物基准的做法，也是计量科学的一次革命。

米的飞跃

自然基准的建立几乎要实现科学家们长期以来所追求的目标，但是用光波波长定义的“米”虽具有稳定、不受环境影响，且容易复现的优势，可在特殊条件下，使用氪86很困难，仍不是最理想的“米原器”。

20世纪60年代，一种光的方向性好、亮度高、单色性强的“气体激光”出现了，它比氪86光源优越许多倍。随着稳频和伺服技术的发展与应用，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（1X 10叫。），而后测得的真空中光速值为299792458米/秒，其准确度比氪（Kr）橙线又提高了100倍。1979年，经“米定义咨询委员会”研究，正式提出了这个米定义的新概念，并得到1983年召开的第16届国际计量大会的批准。米的新定义为：米是光在真空中1/299792458秒时间间隔内所行进路径的长度。这便是米的第三次变迁。该定义的优点在于它不固定某一波长的光源，只要己知它的频率，许多不同波长的光源均可在不同的准确度范围内复现米，适用范围很广。所以，它被认为是米定义的一次质的飞跃。

國际米原器

历经百年，米的定义由宏观自然基准到实物基准，又发展为微观自然基准，并且正继续向着不确定度更小的微观自然基准发展。