量以载道 量值定义世界，精准改变未来

量以载道-----量值定义世界，精准改变未来

   “计量”是关于测量及其应用的科学,也是实现单位统一、保证值准确可靠的活动。计量自古以来就与人类活动有着十分密切的关系已经深深地植根于人们的生产和生活之中。历史上,计量称“度量衡代表着与生产、贸易相关的单位和制度。在现代社会,计量对社会进步的促进作用目益重要,不断被赋了法制、科学和文化等更加丰富的内涵一方面,计量关系国计民生,是保证国家秩序、依法治国、维护国家主权和经济可持续发展的重要基础;另一方面,计量归属在测量的范畴,是关于测量及其应用的科学,也是认识世界和改造世界的基本方法。计量自古以来就不是单纯的技术活动,它是技术与管理的有效结合。整体来看,计量主要有两项任务,一是一切事物只要可以测量的就要测得更准;二是一切尚不可测量的事物,要实现对它可测量

   计量对于一个国家或民族的文明进步有着广泛的作用。它源于人类对自然界的感知、观察、认识和实践,集中了人类的智慧和灵感它是人类认识自然和改造自然依赖的主要工具,也是知识的主要来派它是贸易的通行语言,是国际间经济、技术互认的基础。它是科学研究的“眼睛”,是验证科学理论的重要实践。它引发了波澜壮阔的工业革命,为人类带来了巨大的物质财富。它把精准带给全社会,不改变着人们的生活品质。它凝聚了人类的知识和精神财富,是认湖字宙规律、拓展科学思想的武器。

计量发展水平可以代表一个国家的竞争力、影响力、创新力,是国家科技、经济和社会发展水平的重要标志。只有构建起现代化的计量基础,才能够支撑起国家的繁荣进步,实现民族的伟大复兴。

   一、计量从哪里来

   对于数和量的认识是大自然对所有生物的造化,也是人类拥有的本能。人的五官乃至身体的每一部位都有着某种特定的测量能力或者功能。在数以亿万计的地球生物中,唯有人类能通过大脑把获得的外来信息加以综合并形成认知,进而超越其他物种,用智慧和想象实现创造。因此,在人类文明的萌发和形成过程中,测量就成为了知识出现与升华的源泉。

   新疆维吾尔自治区博物馆珍藏着一幅伏羲女娲图,图中展示了中国古代神话传说中人类始祖的形象。画面中,上方有日,下方有月,伏羲手持矩,女娲手持规,蛇形下半身互相交绕。伏羲拿着“矩尺”,以“矩”测地;女娲拿着“规”,以“规”画圆,留下了一段持规开天、掌矩辟地的神奇佳话。类似这样的图案,目前在我国许多地方都能看到。它是我国最早有关计量的记载,反映出测量开启人们认识和改造自然的篇章,宣告了用量分析世界和利用世界时代的来临人类为了生存和发展,必须认识自然、适应自然并不断改造自然。自然界一切现象或存在的物质,都可以用“量值”来描述,以量来反映事物的信息。“量”无所不在,无处不在,无时不在。大量的考古证明,人类对于数与量的认识,可以追溯到原始社会的早期。在那个时期,人们为了记住涉猎数量和生产状况,会采用结绳记事和按量估堆的方法。原始人群从天然洞穴里走出来,要靠自己的双手来建造房屋制作生产工具、丈量耕作的土地和从事其他生产活动,于是就开始了运用工具来延伸人体功能的测量活动。

   在我国陕西省发掘的母系氏族社会村落遗址中,发现了当时建造的房星大小适当、排列有序,说明人们在动工前,已经开始有了布局规划,而且对房屋的朝向间距、面积等“量”进行了测量。

   随着人类文明的出现,农业、畜牧业和手工业之间的分工也逐渐扩大,在物资不断丰富并且出现物资交换的形式后,人们对于长度容量、重量、时间等“量”的使用就产生了一致性的要求。于是,在那些较早进入文明的民族和地区,出现了能够被大众所认同的参考测量标准或参照物,而且以“君权神授”等形式加以神化,让这个参照物获得了神权或王权的地位和权威性,并被人们广泛使用。随后,度量衡在部落、国家的管理中也应运而生,并且伴随农耕社会和封建王朝不断得到发展,前后历时达数千年之久。

从史前文明时代开始,人们运用的自然资源主要是土地。为了安排农业耕作、围地狩猎、交换粮食、征收税赋等,就需要丈量土地面积和掌握农作物的收成等。从事计量活动是人类社会进入文明时代的重要特征之一。这个时期的计量是以经验和权力为主,通常会把人谷物、动物或其他自然物体作为测量的标准,多采用直观的测量方法去适应农业社会对农产品和生活用品贸易的基本需要。当时人们对自然界的认识还处在懂的阶段,由干生产力水平低下,对测量准确性要求也不高。

  早期出现的计量单位,或以人体某个部位为准,或以肉眼对星辰的观察为准。比如在我国古代曾一度被人们广泛使用的测量方法“布手知尺”,就是将人的拇指与食指伸开的距离作为一尺。而“一手之盛谓之溢,两手谓之掬”,是将人的一只手捧起谷物的多少作为一溢两手捧起谷物的多少作为一掬。

   相传在远古时期,黄帝“设五量”,有“权衡、斗斛、尺丈、里步十百”,简称为度、量、衡、里、数。之后,颛顼利用观测星辰可以推算出一年的时长,尧命羲和氏族按照日月星辰的运动规律来制定历法,确定一年为366日。舜在东巡时对各部落氏族使用的日月和四时季节的历法进行了统一。

  我国是较早进入农耕时代并建立封建制度的国家之一。随着经济和社会的不断发展,物资交易的规模不断扩大,人们对测量也不断提出了新的需求,并且逐渐采用由实物量具来统一交易的规则。比如出现的“尺、斗、秤”等计量器具,就是分别对长度、面积(尤其是土地面积)、容积(主要是为确定粮食的数量)和质量(重量)等进行统一测量的工具。我国的春秋战国时期(公元前770年一公元前22年)正是奴隶社会向封建社会转变的阶段,新兴地主阶级为了获得其政治权利,在些诸侯国掀起了变法运动。当时经济较为落后的秦国为了增强实力开展了一系列变法改革。其中,最具影响的是“商鞅变法”。

   商鞅曾亲自监制了一种容量为1升的标准器具,后人称其为“铜方升”。从铜方升上所刻的铭文中可知,这种容器的容量是从长度单位推导出来的商鞅变法为秦国经济和军事实力的快速发展提供了重要的政治保障,也为秦始皇统一六国打下了坚实的基础。公元前221年,秦始皇发布了统一度量衡的诏书。这一制度与措施,不仅极大巩固了秦朝的政权统治,国家疆土不断扩大,而且被秦朝以后的历代皇朝所承袭并沿用,给对外经济和文化交流提供了极大便利,开创了中华民族的千年繁荣昌盛。

除我国以外,世界上的一些古老民族创建度量衡的历史也十分久远。公元前约4000年,在幼发拉底河和底格里斯河流域(现今伊拉克)有一个叫苏美尔的国家,被考古界和历史学界公认为是世界上最早出现的可考证文明。考古中发现了苏美尔人绘制的一种量器图形,该量器被认为是人们用来测量谷物、酒等物品的一种容器。在古埃及的象形文字里,很早就出现了“肘尺”的图形。在公元前2800年一前2300年,古埃及人建造了规模宏大的金字塔,这种类似天梯的角锥形建筑是用规整的石块堆砌的,金字塔的边长和高度都经过了精确测量,不仅规模庞大且基础稳固。

   公元前2690年的统治时期埃及人建造起了迄今规模最大均一座字塔,塔的高度146.5米,底部为方形,每边长500肘尺,相当于现在的232米。可见，古埃及人在长度计量的运用上已经十分成熟和高超。

  据古埃及人的纸草书记载,公元前1500年,甚至还可追溯到更久远的年代,古埃及就出现了用于称重的衡器“天平”。后来,古罗马人就是按照这种衡器的原理,制作出一端为固定、另一端是通过秤砣移动平衡进行称重的“杆秤。公元前约140年,古希腊人还制造出一种由30至70个齿轮系统组成的计时器。这种仪器由29个彼此啮合的铜质齿轮和多个刻度盘构成,仅相当于天的一个快餐盒大小。

  二、计量在哪里兴

  度量衡制度的建立,使最早的农耕民族和国家在经济发展以及社会的文明进步等方面都远远超越了游牧民族和奴隶制国家,并且成为封建制度得以建立和巩固的基础。在秦始皇统一度量衡以后一千多年里,我国的科技、经济、社会等发展水平不仅始终处于世界的前列还创造出无比灿烂的东方文明。我国先人们很早就掌握了纺织、陶瓷、冶炼、造纸等先进技术,这与当时已经具有发达的度量衡密切相关

  陶瓷器具的制作,从选材、设计到加工制作,都需要依靠精准的度量衡技术。特别是唐三彩等仅要求温度控制十分精准还要对同一器物进行多种色彩和交错使用,对度量和测量的要求极高我国古人制作的许多陶瓷工艺品,即便是在科学技术高度发达的个仍难以原样复制。

  在15世纪和16世纪,欧洲人在天文学、医学、数学等研究方重获得了不少新的发现。其中,波兰人哥自尼提出的日心说,颠覆了统治人们宇宙观达上千年之久的托勒密地心说。哥白尼的学说,不仅颠覆了当时教会占统治地位的宇宙观,也为后来伽利略、牛顿等伟大科学家的重要科学发现奠定了基础。

哥白尼的天文观测始于他在克拉科夫大学读书的时候,他利用学校的“捕星器”和“三弧仪观测了月食和星空。最著名的次观测是在1497年3月9日天,他站在圣约瑟夫教堂楼顶

   用仪器观测“金牛座”的亮屋“宿五”是怎样被逐渐移近的月所淹没的。经过精确测定“半宿五”隐没的时间,他有了一个十分重要和惊人的发现。此后,哥白尼在其所著的《天体运行论》中,依观测和计算,得出恒星年的时间为365天6小时9分40秒,这个结果与现代的测量结果仅相差约30秒。他通过观测,还得出了月亮到地球的距离是地球半径的60.30倍,和现代测量值仅相差约万分之五。

度量衡的发展为我国与其他国家的通商和经济交往创造了有利的条件。影响最为持久和巨大的是我国西汉时期开辟的陆上和海上丝绸之路。这两条商贸大道,把华夏文明取得的成果源源不断地传递到国外，前后历时1500年。我国先人开辟的海上丝绸之路，无论是造船或者航海，都借助了先进的度量衡技术。

   我国唐代的造船技术已经相当发达,制作的罗盘不仅技术先进,而且测量已经相当精准。15世纪初郑和下西洋时率商船200余艘,载有2.7万名海员,乘坐的船长44丈,宽18丈,船上装备了各种先进的航海测量仪器,先后到达了30多个国家,规模史无前例。

17世纪以后,生产力水平的提高和发展,极大促进了自然科学和社会科学的研究。这个时期出现了一批深刻影响和改变人类的伟大科学家。其中,对科学事业贡献最大的当属英国科学家艾萨克·牛顿。牛顿对万有引力和三大运动定律的描述,奠定了物理学和工程学的科学基础,不仅影响十分深远,并为此后在英国爆发的第一次工业革命提供了重要的科学准备。牛顿在建立经典物理学理论体系时引入了物理量的概念,并因此开创了物理学理论的一门新学科,这就是计量学。计量学主要研究基本物理量,并且对测量的准确性不断提出新的更高要求。计量学的形成和发展,为世界各国度量衡制度走向统一奠定了坚实基础。在经典物理学理论体系建立后,迅速掀起了一场史无前例的科学革命浪潮。这个时期法国出现了把“米”定为长度测量基本单位的重大事件。“米制”的发明者明智地把“米”的定义与地球子午线的长度联系起来,使长度测量的单位对应到了相对稳定的宏观自然物体,因此让长度测量的准确度出现了前所未有的提高。同时,“米制”明确地告诉人们,它不属于任何个人或国家,能够供全人类使用。

19世纪以后,世界各国的经济和贸易都出现了迅速发展势头。当时经典物理学已经建立起完整的理论体系,有力促进了实验科学的发展。一方面，人们测量的量值已经不再局限于长度、容量、重量，还出现了上百种新的量值单位;另一方面,原来的测量技术已经不能满足机器工业对零部件的互换要求,无法适应科学技术对精密测量的需要。在这个阶段,实验科学方法及仪器与机器的创造出现了可相促进和竞相发展的局面,也为后来创建统一的计量单位以及建近高准确度的实物计量标准提供了物质基础和条件。

按照法国人对“米”的定义,法国料学派两位科学家对地球子午线长度进行了实地测量过对测量结果的严密计算后,周的皱合金成均基准,即国际米原器。从实现了人们称之为自然不变的“米制”

  1875年5月20日,17个国家在巴黎签订了《米制公约》,开启了世异各国计量单位和制度走向统的新纪元,计量单位制也从这个时候开始,近向「以宏观自然现象定义、以人L实物复现、以科学实验为基础并可模拟精确测量的新阶段。

  三、计量向哪里变

  从计量的发展历程来看,测量准确性的提高、与人们对自然界的观察、认识以及自然科学和生产力的发展有着紧密的联系。尤其在生产方式的变革之中,当人们期待用一种新的生产技术取代传统技术时对测量方法和测量的准确性就会提出新的、更高的要求,这就促使些学者、发明家或「程人员去探紫和改进测量的技术、手段和方法。

  第一次工业革命的爆发,不仅使生产力以及财富创造力都较农耕文明时代有了成千上万倍的增长,也成为科技进步和知识爆炸的导火素。在19世纪的中后期,物理学领域取得了一个重要的科学成就,这就是英国科学家麦克斯韦创建的电磁学理论体系。这个理论以测量试验为基础,为人类深入物质内部观察并探索物质的微观世界提供了全新的方法和手段,也为人类运用电能提供了理论和实践的依据。在电磁理论和技术发展的推动下,新的科学发现及理论也井喷式地爆发和涌现出来,最重要的突破是20世纪初期科学家普朗克提出的量子论和爱因斯坦提出的相对论。这两个全新的观点在相继被科学实验证明后,终于让人类的视野和触角伸向了广袤的宇宙,进入了物质的微观世界,并且随即引发了化学、生命科学、板块理论以及宇宙大爆炸模型等系列科学与技术的相继突破。量子论和相对论是继牛顿经典物理学形成后的又一次物理学革命,也成为近现代物理学的重要支柱,是20世纪以来人类在自然科学领域取得的伟大成就,为当代自然科学研究奠定了重要的基础。

  量子力学理论诞生后,计量学也随之发生了革命性的变化。科学家们开始探索以物质内部的运动规律来定义基本物理量单位的可能性。在《米制公约》时代建立的长度单位“米”的实物基准,其测量的准确性是0.1微米。到了20世纪50年代,随着同位素光谱光源的发展，科学家发现了宽度很窄的氪-86同位素谱线,再加上干涉技术的成功应用,人们终于找到了一种可以取代实物基准且不易毁坏的新标准,即通过光波的波长来定义长度单位“米”。1960年,科学界研制出第一个依据量子理论建立,并被正式确立为长度单位的新基准,后在国际计量大会上重新定义了“米”。新的“米”量子基准不仅准确性较先前的实物基准提高了3~4个数量级,而且十分稳定。随后,在1967年此前以特定历元下地球的公转周期定义的时间单位“秒”,也被新的量子时间频率基准所取代。相对于用地球公转周期来定义时间“秒”量子基准的准确度达到了十分惊人的程度,从原先30年误差1秒下子提高到了几千万年误差不到1秒的新高度。

   按照1955年签订的《国际法制计量组织公约》,1960年举行的第11届国际计量大会正式通过了建立国际单位制的决议,标志着世界各国计量制度走向全面统一时代的到来。计量单位制和计量基准的革命性变化,给全人类带来的影响和作用都极其深远。

计量的发展,不仅有力推动了社会测量堆确性的显著提高,还促进了激光、X射线干涉仪、扫描隧道显微镜等一系列科学仪器的发明和应用,带来了约瑟夫森效应、量子化霍尔效应、单电子隧道效应等系列重大的科学发现,催生出核能、半导体、激光、超导、纳米、基因等一系列新技术,成为创造和培育新技术革命和产业革命的重要驱动力进入21世纪以后,随着计算机、互联网、智能技术与传感技术的不断发展,计量技术和方法也面临着新的进步和发展。参量之间互相渗透,测量方法与设备的光、机、电结合以及数字测量逐渐取代模拟测量,正成为现代计量科技创新和进步的主要方向和内容。与此同时量子基准的研究也在不断向纵深挺进。近年来,科学界新研制的“光晶格钟”,其准确度可达到10-6量级,较现今的铯原子时间频率基准又提高了几个数量级。时间频率由精准到超精准,为长度、电学以及质量等基本单位利用超高准确度频率导出新定义提供了可行的路径,由此叩开了用基本物理常数定义基本物理量的大门。

   科学界认为，量子基准虽然能实现很高的准确度和稳定性，但是，要想复制相同准确度的基准却十分困难。因此,从20世纪中期起，科学界又开始了新的探索,期待通过物理学领域的普适性常数来定义计量单位。从20世纪60年代到80年代,这项探索在电磁计量的电压和电阻两个领域的实践中相继获得成功。从20世纪60年代至今,在7个基本物理量中,除了质量基本物理量依然保持实物基准以外,电学、热力学、光学、化学等其余6个基本物理量单位都建立了量子基准。经过世界各国科学家半个多世纪的努力,在质量基准重新定义方面已经建立了多个解决的方案,相信质量千克原器完成历史使命、进入档案馆的日子也已为期不远。

   

    小结

   计量是认识世界和改造世界的工具。计量推动了人类世界的动态发展变化,同时,随着动态世界的变化和需求,计量本身也在不断发展变化。当前,计量不仅全面融入人们的生产生活之中,而且远远超出了人们的传统认知,不断创造着一个又一个奇迹和神话。

现在,就让我们一起走进这个充满奥秘和未知的计量世界,来近距离感受它的神奇和魅力吧!