迎祖国70周年华诞“众加利杯”计量科普竞赛(第八期）已上线

计量科普知识

 

一、计量从哪来

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。

    布手知尺、手捧成升。

　　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。

　　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。

　　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懵懂的阶段，由于生产力水平低下，对测量准确性要求也不高。

  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—公元前221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，在一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—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。

　　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，仅相当于今天的一个快餐盒大小。（来源计量资讯速递）

 

二、计量该怎样伴我们走向未来

跟踪国际计量科技的整体发展——国际单位制(SI)面临重大变革。随着现代科技的进步,用基本物理常数来重新定义国际单位制中的大多数基本单位已成为国际计量科技的发展趋势。这是自1960年SI建立以来前所未有的重大变革,对于整个世界计量界乃至社会各个领域的测量准确度将产生深远影响。目前世界先进国家已纷纷开展相关研究并持续攻关,我国必须紧密跟踪、科学应对,才能使中国计量体系的建设顺应国际计量体系的发展,才能在国际上争取话语权,占据主导地位。

　　 新的应用领域内的战略性新兴产业发展对计量科技提出了更高要求。能够促进经济持续发展、提高生活质量的应用新领域中的计量科技与技术(食品安全、环境保护、生物、能源、材料、医学等)在世界各国得以优先发展。例如,太阳能、风能等新能源的发展要求新的计量技术支持;环境变化的监控要求在温度、温室气体量以及海水含盐量等测量方面,建立长期稳定的计量基标准和溯源体系;二氧化碳、氮氧化物及易挥发有机化合物在低浓度时的微量变化的测量将是计量领域的一个巨大挑战;纳米材料的发展及其在航空、航天和安全保障领域的应用,成为使有效测量具有超高准确度和可溯源性的推动力;医学领域中不论是诊断还是有效而安全的治疗都需要准确可靠、可互认的测量数据支持。以美国为例,美国国家标准与技术研究院(NIST)以促进国家创新、提升工业竞争力为使命,紧密围绕测量科学前沿领域和国家重点发展战略开展持续而深入的研究工作,目前正在开展的重点项目包括:可互用智能电网建设,太阳能及存储等先进能源技术,绿色节能建筑测量和标准;支撑总体经济系统碳排放限制和交易体系的测量与标准,纳米技术相关环境、健康和安全测量与标准;医疗信息技术,支撑医疗领域创新的测量标准和测量技术;信息技术安全,如数字安全,量子信息科学,以及测量科学前沿的量子计量标准和测量技术等。

　　 国家经济社会发展对计量的需求不断加大,世界各国均结合本国社会经济发展的特点开展计量科学研究,建设科学研究和工业技术发展所需的测量能力,进行新技术探索。（来源计量资讯速递）

 

三、计量为北京找回“长城灰”

“长城灰”是蜿蜒起伏的万里长城的颜色，那种带有微微青绿色的长城青砖的灰色，是北京城市建筑景观中的重要传统标志色。2004年，北京市奥组委对“长城灰、中国红”等颜色名词进行了定义，并采用商用实物色卡保存色度量值，建立了针对北京建筑物外立面和城市氛围的视觉颜色系统。

    “长城灰”成为了北京市道路桥梁等外观的主要色彩。每年全市范围内1万余公里的道路隔离护栏，以及数千座天桥、立交桥的粉刷与维护，均需采用“长城灰”进行配色和涂刷。

    然而，“长城灰”在10年的使用和传递过程中逐渐发生了变化。据北京市城市道路养护管理中心（以下简称“北京道路养护中心”）称，由于施工方采用的色卡颜色不统一，北京市多个相邻区段的道路与桥梁的颜色出现了肉眼可见的偏差，导致工程项目无法通过验收。该中心为此重新从国外订购了一套国际通用标准色卡，但其中“长城灰”对应编号的色卡竟从2004年的青灰色变成了松树的蓝绿色——“长城灰”就此失传了。

    2016年，北京道路养护中心找到中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”），希望能够通过色度计量的方式复原失传的“长城灰”。

    为此，中国计量院光学所色度计量领域专家通过查找色度数据库、整合多种资料，经实际测量和比对，成功复原了“长城灰”的色度量值，并根据我国的色度计量量传体系，为北京市道路施工和验收方提供了可溯源至国家色度计量基准标准的配色及验收方案。据北京市道路养护中心反映，施工方采用该方案进行调色、涂刷的路桥，与老路桥的色差∆E从之前的10~20降低到1.0之内，达到了肉眼无法分辨的程度。从2016年起，这遍布北京的稳重而并不沉闷的色彩终于可以通过溯源到国家计量标准的方式实现统一一致，更好地烘托出北京大气、素雅、和谐的城市氛围。

    据中国计量院光学所色度室的孙若端博士介绍，相关色度量值可以溯源到国家色度计量基准，通过该基准与国际计量体系相联系，未来不会再因为配方失传、商用色卡色度失真或印刷等问题发生变化，属于北京的传统颜色“长城灰”再也不会遗失了。（来源：中国计量院光学所）

四、不统一的南北朝度量衡

南北朝包括南朝的宋、齐、梁、陈和北朝的北魏、西魏、东魏、北齐和北周（420~589）。南北朝时期度量衡有两大特点：（1）其200年间单位量值增长速度为历朝之冠。（2）制度混乱，各个时期、各个地区量值相差悬殊的现象十分突出。以尺度而论，唐代天文、数学家李淳风为求古律历，曾将汉至隋各种尺度以长短分别列为十五等，史家称之为“十五等尺”并多有考证。其中南朝刘宋（420~479）尺长24.5厘米，比东晋约略增长2%，仍是秦汉尺度的延续，并被齐、梁、陈所沿用。而北朝尺度则迅速增长，并且十分混乱。如北魏（420~534）前期一尺长25.5厘米，中期长27.9厘米，后期长29.5厘米。至东魏（538~543），一尺长已长达30厘米。北齐（550~577）取代东魏则承袭其各种制度。纵观北朝一百多年中尺度增长了约6厘米。

容量和权衡制度，南朝和北朝增长率也不同。南朝的梁、陈二朝，升斗仍沿袭新莽旧制，每升约合200毫升。齐朝量制大于古升，约300毫升。北朝量制增长速度却十分迅猛，北魏时每升“于古二而为一”，约400毫升，其后又有增长。至隋文帝统一全国建立隋朝时，容量每升已增至约600毫升。

权衡制，南朝和北朝的单位量值相距也很大。南朝之梁、陈、每斤约为220克，齐每斤约合330克。而北朝的增长速度却远远超过了南朝。据文献记载：“魏、齐斗秤于古二而为一”，推算每斤当合今制约440克。今藏河北省博物馆两件北魏时铁权，分别重515.5克和593克，据考证均系北魏时的一斤权。至隋统一度量衡时，每斤已高达“以古秤三斤为一斤”，推算每斤约约660克。

由于南朝与北朝度量衡单位量值竟有数倍之差，故出现了“南人适北，视升为斗”的怪现象。南北朝度量衡的混乱可见一斑。（来源中国古都计量史图鉴）

 

五、工业革命的底气——源自计量测试技术的突破     

        18世纪60年代，在英国爆发了以蒸汽动力广泛应用为标志的第一次工业革命，机器工业以摧枯拉朽之势，迅速取代了传统手工业生产方式，使生产力得到成千上万倍的提高，进而确立了资本主义制度。

      第一次工业革命时，经典力学和热力学成为机器工业的重要理论基础。蒸汽机、科尔尼锅炉的发明以及将蒸汽机应用于交通运输、工业制造领域，都建立在科学界对力学、温度的研究和测试的基础之上。在蒸汽机的研制和应用过程中，需要对蒸汽压力、热膨胀系数、燃料的燃烧效率、能量的转换等进行大量的计量测试。

      力学计量和热工计量，就是从那个时候发展起来的。而机械工业的兴起，对零部件的规格、尺寸和公差配合等提出了广泛的需求，也使几何量计量得到了新的发展。

莫尔斯电报机

19世纪70年代，出现了以电的应用为主要标志的第二次工业革命，又一次推动了生产力的发展。科学研究与技术应用有了更加密切的合作，使内燃机、汽车、飞机等新的交通工具不断创制，新的通讯手段被发明出来。

　　在第二次工业革命爆发以前，科学界对电的研究已经历经200多年。1732年，美国富兰克林提出电为一种流体的学说，但直到19世纪初，电磁感应的现象才被发现。人们在深入研究电的作用后，发明出了发电机、电动机、电报、灯泡等等。

　　电的应用与电的测量技术研究是不可分割的。不具备对电的测量能力，人类就无法驾驭电能，这种新能源就不可能得到广泛的应用。以电为基础能源的工业革命，大大推动了工业自动化进程，进而使工业企业的劳动生产效率又一次被激发和提高。欧姆定律、法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦电磁场理论等，为电磁现象的深入研究和广泛应用、电磁计量和无线电计量的开展，提供了重要的理论基础。

1821年西贝克发现的热电效应，为热电偶的诞生奠定了理论基础。而各种热电偶的研制成功，则对温度计量、电工计量以及无线电计量等提供了重要手段，促进了相应科技的发展。为了实际测量地球运动的相对速率，迈克尔逊等人借助物理学研究取得的新成就，研制出了迈克尔逊干涉仪，从而为长度计量提供了重要的工具。1892年，迈克尔逊用镐光（单色红光）作为干涉仪的光源，测量了保存于巴黎的铂铱合金基准米尺的长度，获得了相当准确的结果。直至百余年后的今天，利用各种干涉仪精密测量长度，仍然是几何量计量的一种重要方法。

　　普朗克关于能量状态的量子化假说，指出物体在辐射和吸收能量时，其带电的线性谐振子可以和周围的电磁场交换能量,以致能从一个能级跃迁到另一个能级状态，并且能量子的能量为E=hυ（式中h——普朗克常数，υ——光的频率）。随着量子力学、核物理学的创立与发展，电离辐射计量逐渐形成。

　　爱因斯坦在普朗克假说的基础上，提出了光不仅具有波动性，而且还具有粒子性，即光是以速度c 运动的粒子（光子）流，其单元（光子）的能量为E=hυ，从而说明不同频率的光子具有不同的能量。上述理论成功地解释了光电效应，成为热辐射计量的理论基础，同时也使计量开始从宏观进入微观领域。

20世纪40年代至50年代，出现了以核能技术、航天技术、电子计算机的应用为代表的第三次科技革命。这次革命，使科学、技术、生产三者之间的联系大大加强，也使社会经济结构和社会生活结构发生了巨大的变化，并且让人类社会跨入了以知识经济为特征的信息时代。

　　在第三次工业革命的推动下，科学技术和社会经济发展的融合较先前两次工业革命更加迅速和彻底，引发了信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等多领域的技术革命。在这次革命中，电的应用和测量仍然扮演着主角，同时，与电相关的长度、力学、温度、电磁、光学等计量技术对各个领域的技术进步发挥了更为重要的作用。测量也朝着极大、极小等极端尺度领域拓展。

　　在长度计量测试领域，随着计量测试技术研究的深入，物质的纳米特性被发现，纳米测量技术应运而生，并对纳米材料的研究和应用产生了十分重要的作用。线纹计量从一维测试向二维测试转变，促进了集成电路中高精度电路板的校准和溯源仪器的精度不断提高。真空激光干涉技术的应用将测长精度提高到20nm/m。膜厚计量快速发展，并广泛应用于半导体、微电子、通讯、电镀、核物理研究等行业。时间频率计量的准确度已可达到近亿年不差一秒，并广泛应用于航空航天、导航定位、卫星通讯、计算机、交通运输、重大工程等行业。随着电磁测试技术开始向弱磁方向发展，也为航空航天等产生了重要的推动作用。

（来源计量资讯速递）