单位制沿革

长度单位在古代曾是人体的一部分。例如，中国三国时期(公元三世纪初)王肃编撰的《孔子家语》一书中就有这样的记载:“手指一寸，手一尺，手肘一尺。”当你伸出八英尺长的手臂时，你会找到一只。还有一个记录是“十英尺等于十英尺，人有八英尺长，所以他们被称为丈夫。”可以看出，在古代，测量物体、英寸和手指、脚和手、发现和身体之间有一一对应的关系。所谓的“腕尺”，大约52 ~ 53厘米长，在古代西方国家经常使用，与从手的中间指尖到肘部的长度密切相关。它还使用物理对象作为长度单位的基础。例如，英语中的英寸是由三个一个排列的圆形干燥大麦颗粒的长度衍生而来的。多年来，各种长度单位在世界各国被广泛使用，甚至一个国家或地区在不同时期采用了不同的长度单位，这种情况非常混乱和不一致，给商品流通带来了很多麻烦。因此，随着科学技术的进步，长度单位逐渐趋于统一，这一过程开始于数百年前。1790年，法国国民议会通过了一项决议，指示法国科学院研究如何建立基本物理量的基准，如长度和质量，以便为统一的计量单位奠定良好的基础。第二年，还决定用穿过巴黎的地球子午线的四分之一作为长度单位。古希腊词“metron”被选为这个单位的名称，后来演变成“meter”并翻译成中文的“米兔”或“meter”。从1792年开始，法国天文学家花了七年时间测量穿过巴黎的地球子午线，并根据测量结果制作了一个白金原表，保存在巴黎档案馆。法国人开始使用公制之后，欧洲国家相继采用了公制，因为它使用起来既科学又方便。后来，进行了另一次测量，发现该米并不完全等于地球子午线的1/4000万，而是大0.2毫米。相信测量技术在未来会继续提高，热量会再次发现偏差。与其修改电饭煲的长度，不如使用这款铂金电饭煲作为基准，从而统一所有长度测量。1875年5月20日，法国*出面召集了20个*的代表开会。他们正式签署了公制公约，并承认公制是国际通用的计量单位。同时决定成立国际计量委员会和国际计量局。到1985年10月，公制大会有47个成员。中国于1977年加入。经过几年的研究，国际计量局已经使用含90%铂和10%铱的合金精心设计和制造了30米的X-Qi截面。这种形状最结实，也最节省材料。铂铱合金的特点是膨胀系数极小。将这30个大米容器分别与铂大米容器进行比较。经过筛选，其中一个被选为国际大米容器。1889年，国际计量委员会批准了这项工作，并宣布1米的长度等于熔点温度下X形铂铱合金标尺两端标记之间的距离。其余的仪表与国际仪表进行比较，大部分分配给成员国，成为每个国家的国家标准。此后，每隔几十年进行一次定期验证，以确保长度标准的一致性。然而，事实上，仪表源给出的长度不一定正好是1米。由于划线过程和测量方法的原因，在再现数值时总是存在一定的误差。该误差不小于0.1微米，即相对误差可达1×10e(-7)。很长一段时间后，很难保证电饭煲本身不会改变，加上电饭煲随时都有被损坏的危险。因此，随着科学技术的发展，人们越来越希望在更加科学、方便和可靠的基础上建立长度基准，而不是以某一物体的大小为基准。光谱研究表明可见光的波长是一些非常精确和稳定的长度，可以作为长度的基准。19世纪末，在实验中发现了天然镉的红色谱线，具有很好的清晰度和重现性。在15摄氏度的干燥空气中，其波长等于y=6438.4696×10e(-10)米。1927年，国际协议决定用这条谱线作为光谱学的长度标准，并确定1米= =1553164.13yCd。人们第一次发现了一个可以用来定义米的非物理标准。科学家继续他们的研究，后来发现氪(86Kr)的橙色谱线优于镉的红色谱线。1960年，在第11届国际计量大会上，人们决定用氪(86Kr)橙线代替镉红线，并将米的定义改为:“米的长度等于真空中辐射波长的1650763.73倍，这相当于氪(86Kr)原子在2P10和5d5之间的跃迁。”该基准的精度相当高，相对误差不超过4x10e (-9)，相当于1公里长测量中的4毫米。然而，由于原子光谱的波长太短，不可避免地会受到电流和温度等因素的影响，并且再现的精度仍然有限。自20世纪60年代以来，随着激光的出现，人们发现了一种更优越的光源。用激光代替氪谱线可以使长度测量更精确。只要确定了某个时间间隔，长度的单位就可以由光速和这个时间间隔的乘积来定义。20世纪80年代，激光被用来测量真空中的光速，得到的速度为299792458米/秒。1983年10月，第17届国际计量大会通过了一个新的米定义:“米是光在真空中以1/299792458秒的时间间隔行进的距离”。大米的新定义具有重大的科学意义。从那时起，光速就成了一个精确的数值。将长度单位与时间相结合，可以使用高精度的时间测量，大大提高长度测量的准确性。

质量单位古代质量单位和长度单位相似，有不同的形式。例如，波斯使用加拉萨作为质量单位，约为0.834公斤，而埃及使用埃及，约为9.33克。中国秦朝的度量衡制度规定:1石= 4君，1君= 30公斤，1公斤= 16两。与现代国际单位制相比，1公斤大约是0，256公斤。在英国体系中，磅、盎司、德拉姆和谷物被用作单位:1磅= 16盎司= 265德拉姆= 7000谷物。大英帝国用纯铂制造英镑器皿。它是一个纯铂圆柱体，高约1.35英寸，直径1.15英寸。第一公斤质量单位是由18世纪末法国采用的长度单位米衍生而来的。在最大密度下(温度约为4摄氏度)，1立方分米纯水的质量为1千克。1799年，当法国正在制作白金米制品时，它也制作了一个白金千克标准，并保存在巴黎档案馆。后来，人们发现这个基准并不完全等于最大密度为1立方分米的纯水的质量，而是等于1000028立方分米。因此，在1875年公制会议之后，千克原型也是由含90%铂和10%铱的合金制成的。一共做了三个。在与巴黎档案馆保存的铂金公斤原型进行比较后，其中一个被选为国际公斤原型。国际计量局的专家将国际千克小心地存放在一个特殊的地方。它被三层玻璃覆盖着。最外层的玻璃被抽真空以防止空气和杂质进入。此后，复制了40个铂铱合金圆柱体，并与国际千克原型进行比较，然后作为国家基准分发给成员国。就像电饭锅一样，千克锅也需要定期验证，以确保质量标准的稳定性和可靠性。在人类观察到的自然现象中，时间单位是最明显和最有规律的。因此，自然时间的测量是基于地球自转的周期，这被称为太阳日。1秒= 1/86400太阳日。然而，由于地球自转不均匀且不稳定，1960年国际计量会议确认，时间基准被改为基于地球绕太阳公转，即第二次被定义为地球绕太阳公转所需时间的1/31569.9747(1900年)。这个数据如此准确的原因是，这个结果是通过几年来的一系列天文观测获得的。然而，根据这个定义，很难直接比较秒本身。就在这个时期，时间和频率的测量技术取得了很大的进步。1967年第13届国际计量大会重新定义了时间单位的定义:“秒是9192631770个辐射周期的持续时间，对应于铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁。”在当前的国际单位制中，温度等级以开尔文(K)表示。这个学位日也是基本单位。严格地说，度日的选择实际上是一个温度等级的问题。在热发展的历史中，有华氏温标、柱温标、朗缪尔温标、摄氏温标、气体温标和热力学温标。热力学温标是开尔文在1848年首次提出的。热力学温标定义的热力学温度具有最严格的科学意义。其余的属于经验温标，它们的共同特点是人为选择一个特定的温度计和一些固定的温度点来定义温标，因而缺乏客观的标准。这些经验温标已经成为历史，但它们仍然与现代温标有一些渊源。华氏温标是由德国人在1710年提出的。它设定水的冰点为32度，水的沸点为212度。华氏温度仍然在英国、美国和其他国家的人们中流行。莱勒温标是由皇家空军在1730年提出的。它把水的冰点设定在零度，把水的沸点设定在80度。莱勒温标曾在德国流行。朗肯温标由英国朗肯公司提出，定义为tr = tR=tF+459.67。实际上，lang温度是华氏温度，从绝对零度开始，用0r表示。现在科技界很少采用它。摄氏温标是瑞典天文学家在1742年提出的。他最初的计划是把水的沸点定为零度，把水的冰点定为100度。第二年，法国基督徒颠倒了这两个音阶，成为了现在通用的音阶。用气体温度计校准温度形成的气体温标最接近热力学温标。由于气体温度计的再现性差，国际社会也同意设置一个国际实用温度标尺来统一国际温度值。国际实用温标经历了几次变化，为此目的设定的温度尽可能接近热力学温度。早在1887年，国际计量委员会就决定使用定容氢气温度计作为国际实用温标的基础。1927年，第七届国际计量大会决定使用铂电阻温度计和其他插值仪器作为温标，并规定应在氧的冰点(-182.97摄氏度)和金的冰点(1063摄氏度)之间确定一系列可重复的温度或固定点。1948年，第11届国际计量大会对国际实用温标进行了重要修改。例如，黄金的冰点被金融点所取代；普朗克黑体辐射定律取代了韦恩定律；引用更精确的常数值；计算公式更加准确；光学高温计的测量极限扩大等。在1960年，增加了一项重要的修正，即水的三相点被作为唯一的定义点，其绝对温度值为273.16(精确)，取代了水的冰点温度为0.00摄氏度(精确)的原始规定。根据实际测量，水的冰点应为273.1500±0.0001K。采用水的三相点作为唯一的定义点是对温度测量的一大改进，因为它可以避免由于世界各地冰点的变化而造成的温度测量的差异。1968年，国际实用温度标准再次修订，代号为IPTS-68。其特点是采用热力学的最新成果，使国际实用温标更接近热力学温标。这一次，还规定绝对温度由符号K表示，并且原始符号(K)被取消。它还规定，摄氏温度正好等于热力学温标的绝对度日，摄氏温度T =绝对温度T-273.15(精确)。IPTS-68分别于1975年和1976年进行了修订和补充，将温度范围的下限从13.8K扩大到0.5K。然而，仍然存在一些不足，主要是因为在实验中发现IPTS-68在某些温度区域大大偏离了国际单位制定义的热力学温度。1988年，国际度量衡委员会建议第18届国际计量大会和第77届国际计量委员会做出决议，从1990年1月1日起在全球范围内采用经修订的国际温标。这一次它被命名为1990年国际温标，代号为ITS-90，而“实用”一词被删除了，因为随着科学技术的进步，这个温标已经相当接近热力学温标。与IPTS-68相比，100℃低0.026℃，即水在标准状态下的沸点是99.974℃，而不是100℃。显然，ITS-90的实施将为精密温度测量带来好处，是科技发展的又一标志。