我国计量发展历史

我国计量发展历史大体可分为原始、经典和现代三个阶段原始阶段以经验和权利为主，大多利用人、动物或自然物体作为计量基准。象上述“布手知尺、掬手为升、取权定重、迈步算亩和滴水计时”等，相传在大禹治水时，就使用了“准绳”和“规”“距”等计量器具，秦始皇统一度量衡这一史实大家都知道。古埃及的尺度是以人的胳膊到指尖的距离为依据的，称之为“腕尺”（约46cm），英国的码是亨利一世将其手臂向前平伸，从其鼻尖到嘴尖的距离（1yd=0.9144m）；英尺是查理曼大帝的脚长（1ft=0.3038m）英寸是英王埃德加的手拇指关节的长度；而英亩则是两牛同轭，一日翻耕土地的面积（1英亩=4050平方米）。计量是指实现单位统一、量值准确可靠的活动。中国古代以度量衡和时间为主要内容的计量技术，有着悠久的历史，早在父系氏族社会，度量衡和计时已是农业文明的基础。传说在黄帝时代已发明了以干支记日、月。继而尧命羲、和二人参照日、月、星辰定历法。舜到东方巡视，在部落联盟议事时，商讨把四时之气节、日之大小、日之甲乙，度量衡的齐同，乐律声音高低都统一起来。禹治理水患，划分九州，“身为度，称以出”，以人体建立度量衡标准。上述虽然都属后人追溯，却真实地反映了先民们的自然哲学观念。计量制度的建立，单位标准的确定虽然都是人为的，但必须具有权威性。公元前221年，秦始皇用武力征服了各诸侯国，颁发了统一度量衡诏书，同时初步建立了一套完整的度量衡制度。后经汉代的改进、完善，成文于典籍而被历代遵循，奉为圭臬。此后每经改朝换代，都要探究古制之本，以确定当朝度量衡和计时单位标准。历代流传下来的器物不断被发现，其传承关系明确便是有力的证明。直至清朝，无论是度量衡或计时制度都是秦汉古制的沿袭。今犹陈列在北京故宫博物院太和殿前的鎏金铜嘉量和晷便是有力的物证。中华民族的祖先，通过长期的生产实践和天文观测，创造了里亩、尺寸、升斗、斤两等度量衡单位制和年、月、日时、刻等计时单位。以当时先进的科学方法，制定了单位量值标准，不断完善测量器具和则量方法，使中华民族繁衍生息创造的物质财富和科技文明，都能在时空坐标上定格记录下来，其量化的数据真实、可比。中华悠久的文明史流传下来的大量的珍贵文物，其中许多与计量有关的器物和文字资料，记录和讲述了一个个生动而有价值的故事。如考古学家曾统计过，在100多座春秋战国时期楚国的墓葬中，出土了数量不等的天平、砝码，它们是用来称量可切割的黄金贷币的。反映了楚地盛产黄金、经济繁荣、商贾活跃的社会面貌。而掌握着大量财富的王公贵族和豪商们，死后仍然向往着升入天堂，继续过着荣华富贵的生活，天平、砝码便成为随葬品埋入地下。又如留存至今的“商鞅铜方升”，器壁刻铭详尽，其中“十八年”即器的制造年代在商鞅辅助秦孝公变法的公元前344年，为了统一秦国度量衡而由官居卿相的商鞅亲自督造的。“十六寸五分寸壹为升”，说明当时已普遍使用“以度审容”。“齐卿大夫众来聘”，一方面是记录了当时重大的政治事件，同时也可能有两国共同商定过有关统一度量衡的内容。公元前221年，秦始皇下诏书统一全国度量衡，又将诏书加刻在器的底部。一件量器所刻铭文，向后人讲述了秦国几百年的历史，它的重要意义远远超过了器物本身。秦始皇统一度量衡几乎是世人有口皆碑的历史功绩。秦权、秦量出土地域之广、数量之多，令人惊叹。据粗略统计，出土地域囊括了被统一的每一个诸侯国旧地，数量多达百余件。这些都展示了秦始皇统一度量衡的决心和雄才大略。中国古代计量技术，在历代史籍中都有辑录。研究者根据文献记载，对照所能见到的器物，考释其铭文，测量其实际数值，模拟、复现其计量功能，使尘封的古老科技重现光彩。西汉末年，经学家刘歆总结了前人的智慧，提出了一套系统的以黄种、累黍定度量衡标准的理论，后载入《汉书?律历志》。即以音频定长度，用累黍为介质加以复现。声与量皆为无形之物，量尚可通过度量衡量测出来，而在古代，声是无法测量并保存的。如何让以黄种定度量衡这一科学的设想得以实现，刘歆等先哲们通过反复试难后。提出以黍为介质，即选用中等大小的自然物“黍”，横排90粒得黄钟律管之长（9寸），加一寸即一尺。律管之积约容1200粒黍，与一龠的容量相当，二龠为一合（16.2立方分）。积1200黍之重约12铢，24铢即一两。这样便形成了一组参量公式，厘定出度、量、衡三个单位量。从此这一量化了的公式便成为其后历代制定当朝制度时可遵循的古代标准，既可以用度量衡来定律，又可以用律来校度量衡。近现代许多学者对此做过大量的理论推算和实物验测，证明这一公式是符合物理学原理的，在一定误差范围内也是可以复现。中国古代许多杰出的科学家，在他们的科学实践中因离不开“时空量”的测量，都关注和研究度量衡及时间计量。如战国时的著作《墨经》，首先讨论了等臂杠杆和不等臂杠杆各种平衡的状况，对衡器的制造作了理论上的分析。不足之处是尚示以应用数学或数学语言来表达这些平衡关系，三国时期的数学家刘微注释《九章算术》时以“新莽嘉量”与三国?魏时的尺度、容量作比较，得出魏尺、魏斛分别增大了4.7%和2.6%。南朝数学家祖冲之，经反复运算、研究后，得到了精确小数点后七位数的圆周率（3.1415926-3.1415927）。并用它校核了“新莽嘉量”的设计数据后，指出其设计者———刘歆的数术“粗疏”。唐代在经过长期的实际运用后，把沿续了大约1600多年衡制中的“两、铢、累、黍”非十进制，改进为“十钱为一两”。后又经过宋代进一步完善，推出了“两、钱、分、厘、毫”皆十进位的质量小单位系列。宋代的另一特点是，众多的天文、音律、算术家以及达官显宦都参与到详考古今（宋）计量器具的行列中来。如开国之初便有刘承口精校朝廷收支银两的各种衡器，创制了精巧的小型杆秤———戥子，重新制颁了成套标准砝码。李照研制了“乐秤”（又称水秤），提出用1升水定1斤重的标准。司马光与范镇关于是“律生度”还是“度生律”，往返书信数万言，历时三十年。北宋科学家沈括著《浮漏仪》，将漏刻的结构及消除误差的各种措施一一记录下来。《宋史?舆服志》中对指南车、记里鼓车的内部结构、齿轮传动系和机构装置作了详细的叙述。把长度、容量、重量三个物理量建立起自然物标准，在我国秦汉时期已积累了这方面的知识并实验应用。西汉末年，律历学家刘歆(？～23年)用积累和黄钟律管互相参校，定出长度、容量、重量的单位标准量。这种利用音频原理和黍的容重特性，使度量衡三个量之间建立起参数关系，在一定条件下是合理的。又如史书记:“黄金方寸，而重一斤”，“水一升，冬重十三两”这些参数关系都是科学的。古时检定度量衡器具十分强调时令，都选择春分秋分时节进行，因为这时“昼夜均而寒暑平”气温适中，昼夜温差小，校正度量衡器具不会受温度变化的影响。古人还认识到“悬羽与炭而知燥湿之气”，“煤故炭轻，湿故炭重”测量湿度的知识。在掌握度量衡技术方面，对自然规律有深入的了解。千百年来，祖先们接连不断地进行计量测试实践活动，积累了丰富的认识自然、改造自然的知识和经验，留下了弥足珍贵的度量衡文物，在中国灿烂的古代科学文明中，谱写下光辉的一页。经典阶段一个以宏观现象与人工实物为科学基础的阶段，标志是1875年签定的《米制公约》。包括根据地球子午线1/4长度的一千万之一建立了铂铱合金制的米原器；根据一立方米水在在规定温度下的质量建立了铂铱合金制的千克原器；根据地球饶太阳公转周期确定了时间（历书时）单位秒等。它们形成一种基于所谓自然不变的米制,并成为国际单位制的基础。但是这些宏观实物基准随着时间的推移或地点的变动,其量值不可避免地受物理或化学性能缓慢变化的影响而发生飘移,从而影响了复现、保存，并限制了准确度的提高。早在1870年英国物理学家、数学家J.G.麦克斯韦就指出，长度、质量和时间的单位应当建立在原子波长、频率、和原子质量中，而不是在运动着的星体或物体上。现代阶段以量子理论为基础，由宏观实物基准过度到微观量子基准。国际上以正式确立的量子基准有长度单位米基准、时间单位秒基准、电压单位伏特基准和电阻单位欧姆基准。从经典理论来看，物资世界在做连续的、渐进的宏观运动；而在微观量子体系中，事物的发展是不连续的、跳跃的也是量子话的。由于原子的能级非常稳定，跃迁时辐射信号的周期自然也非常稳定，因此跃迁所对应的量值是固定不变的。这类微观量子基准，包括1960年用氪86原子的特定能级跃迁所定义的米、1967年用铯133原子特定能级跃迁所定义的秒等，提高了SI基本单位实现的准确性、稳定性和可靠性。但是，它们仍与某种原子的特定量子跃迁过程有关，因而尚不具备普实性。最好的方案是用基本物理常量来定义计量单位。例如：1983年将米定义为光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内所行进的长度，既认为真空中光速作为一个定义值恒为299792458m/s（约30万公里/秒）；而长度事实上变成了时间（频率）的导出量。这种定义通过不变的光速给出了空间和时间的联系，使新定义的米只依赖于目前测量不确定度最小（10-15量级）的频率，从而更具准确性、稳定性、可靠性和普适性。以上主要是从量的定义上划分阶段，从另一个角度来看，由于计量在古代是各国独立产生，并作为民族文化和社会制度的一部分继承和发展，直到19世纪，各国使用的计量单位及其进位制度、计量器具和管理措施等彼此差异甚大。计量学长期停留在记述各种计量单位和换算各种关系的阶段上；计量管理工作都是各国、各地区各自为政。随着工业和国际贸易、特别是物理学等实验科学的发展，需要测量的量已从传统的度量衡剧增至上百个。18～19世纪，欧美科学家开始创建一种以科学实验为基础、可在国际上通用的计量单位制。1875年《米制公约》的签订标志着各国计量制度趋向统一；1955年签订《国际法制计量组织公约》和1960年第11届国际计量大会（CGPM）通过国际单位制，标志着各国计量制度基本统一和计量学的基本成熟。计量的发展趋势主要沿着两个方面：一是利用最新科技成果不断完善国际单位制及其实验基础，使单位的定义及基准、标准建立在物理常量的稳固基础上；二是推动全球计量体系的形成，逐步实现国际间测量与校准结果的相互承认，以适用贸易和经济全球化进展的需要。从冶金计量的角度考虑，计量与控制的结合将把冶金计量工作推向一个更广阔的领域。