测试测量是一切科学的基础,这毫无疑问了。俄国科学家门捷列夫就曾说过:“科学从测量开始”,“没有计量,就没有科学”。但测试测量的基础又是什么?它们就是各种各样的计量单位,长度、重量、时间等。没有准确的计量单位,哪来的测试测量呀。

但多数人不知道,计量单位的标准性也是一步一步完善的,象文艺作品临摹生活一样,计量单位产生时也是临摹生活的。我们来看两个小例子。

一英寸(inch):源自一个大拇指的长度。由于每人大拇指的长短不一,14世纪英皇爱德华二世颁令,三颗大麦排列起来就是一英寸。

一英尺(foot):英文foot本来就指“脚”,因此,一男子单脚的长度就是一英尺。同理,由于每人的脚长不一,有必要明确英尺的准确长度。后来德国人想出一招,求出16个男子的平均脚长,以此作为一英尺,这就是它的来源。

大家可能不知道,世上还有不少稀奇古怪的计量单位,它们的命名也是描绘生活,绘声绘色,活灵活现,好玩得很。

1)威尔士和比利时面积单位

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表示辐射的单位多为科学家的姓氏,例如:伦琴、西弗特等。而香蕉作为辐射单位,大家还没听过吧?原来我们爱吃的香蕉都含有微量的辐射,约为0.1的微西弗,这么点辐射对人体当然无害,却可作为一个形象的辐射剂量的单位。例如:人如果受到日本福岛核漏泄的辐射,就相当于吃下了76,000,000条香蕉。

3)蟹量

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蟹作为计量单位,不是用来计量海鲜,而是用来表示太空中的辐射量。原来在公元1054年,太空中的超新星爆炸,产生大量强烈而稳定的无线电射线、X射线、宇宙射线以及其他粒子,并留下巨大的蟹状星云。因此,蟹用来计算太空中辐射的强度。近些年,科学家发现蟹状星云的辐射不如先前以为的那么稳定,因此,蟹作为辐射量单位的地位岌岌可危了。蟹,还是做回原来的大螃蟹更合适嘛。

4)狄拉克

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保罗·狄拉克(Paul Dirac;1902-1984)是英国著名的理论物理学家,在量子力学方面为世界作出了非同寻常的贡献。他的姓氏是也作计量单位了,表示什么呢?你肯定猜不着的。狄拉克单位表示“一个小时只说一个字”。原来,狄拉克先生是一位出了名的勤奋、沉默寡言的科学家,他只爱陶醉于学术研究,因此他的同事开玩笑地定义“一个小时只说一个字”为一个“狄拉克”单位。

再看看度量衡单位的发展、演进。

随着世界各国间的交流、通商的日益频繁,计量单位的准确、统一就变得至关重要。在18、19世纪,人们通常采用一实物作为计量基准。例如:1889年,第一届国际计量大会确定“米原器”为长度1米的基准。

国际米原器是一把用铂铱合金制作的尺子,铂的含量为90%,铱的为10%。为避免磕碰折损,尺子的截面做成近似“H”形。从此,1米的定义就是“0℃时,铂铱合金尺两端刻线记号间的距离”。必须以0℃时的量度值为准,这是考虑到尺子热胀冷缩的因素。

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国际米原器

第一届国际计量大会同时批准,用“国际千克原器”作为1千克的标准物,千克原器是用90%铂和10%铱制作的一块标准砝码,存放在法国。世界各国有它的仿制品,作为每国1千克的标准,并使用至今。

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国际千克原器

但由于实物易受环境影响,热胀冷缩,比如:国际千克原器过去100多年来增重了50微克,相当于一个直径为0.4毫米的小沙粒,导致质量的测量出现偏差。随着自然科学的突飞猛进,从20世纪开始,科学家们逐渐放弃实物基准,采用自然常量或量子作为计量单位。例如:1960年第11届国际计量大会通过,废除米原器对米的定义,规定了新的“米”的标准——不存在引起波长改变的干扰因素(如多普勒效应、压力效应、斯塔克效应等)时,米的长度等于氪86原子在真空中波长的1650763.73倍。

第26届国际计量大会16日通过“修订国际单位制”决议,正式更新包括国际标准质量单位“千克”在内的4项基本单位定义。新国际单位体系将于2019年5月20日世界计量日起正式生效。

  新国际单位体系采用物理常数重新定义质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”和物质的量单位“摩尔”。以基本物理常数定义计量单位,可大大提高稳定性和精确度。

  其中,最受关注的“千克”定义,将以量子力学中的普朗克常数为基准,其原理是将移动质量1千克物体所需机械力换算成可用普朗克常数表达的电磁力,再通过质能转换公式算出质量。

  此前近130年来,“1千克”这一质量单位由一个直径和高度同约为39毫米的铂铱合金圆柱体定义,即“国际千克原器”,外号为“大K”。“大K”原器保存在巴黎西郊一间地下储藏室内,其质量受空气污染和氧化等因素影响出现细微变化,已难以适应现代精密测量要求。因此科学界一直想用一种基于物理常数的定义来取代。

  本届国际计量大会于11月13日至16日在巴黎近郊凡尔赛举办。国际计量大会近几十年先后修改多个基本计量单位的定义。

  国际单位制是全球一致认可的测量体系,包括7个基本单位,分别是长度单位“米”、质量单位“千克”、时间单位“秒”、电流强度单位“安培”、热力学温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”和发光强度单位“坎德拉”。

题外话:

1、国际单位制全面知识:https://baike.baidu.com/item/国际单位制/1189599?fr=aladdin

2、中国在这方面的贡献:在对普朗克常数的准确测量方面,中国计量科学研究院联合国内部分高校发展了一种能量天平方案,与世界主流方案在测量方法上有较大区别。2017年最新发表的其测量结果的不确定度,离被此次国际上确定普朗克常数量值的准确性要求仅差一点。

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但李世松预计,在未来的1-2年内,我国能量天平测量准确性预计能进入世界先进行列。另外,中国计量科学研究院与清华大学合作,还提出了一种测量原理上完全原创的普朗克常数精密测量方案,目前正在提升其测量准确性。

此次SI单位变革,还会采用玻尔兹曼常数来定义开尔文。在玻尔兹曼常数测量方面,中国计量科学研究院的两个团队于2017年取得了两个玻尔兹曼常数测量结果,均已被国际科学数据委员会采用,这对此次国际单位制修订中确定玻尔兹曼常数的值做出了重要贡献。

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