大體可分為原始、經(jīng)典和現(xiàn)代三個階段。
原始階段 以經(jīng)驗和權(quán)利為主,大多利用人、動物或自然物體作為計量基準。象上述“布手知尺、掬手為升、取權(quán)定重、邁步算畝和滴水計時”等,相傳在大禹治水時,就使用了“準繩”和“規(guī)”“距”等計量器具,秦始皇統(tǒng)一度量衡這一史實大家都知道。古埃及的尺度是以人的胳膊到指尖的距離為依據(jù)的,稱之為“腕尺”(約46cm),英國的碼是亨利一世將其手臂向前平伸,從其鼻尖到嘴尖的距離(1yd=0.9144m);英尺是查理曼大帝的腳長(1ft=0.3038m)英寸是英王埃德加的手拇指關(guān)節(jié)的長度;而英畝則是兩牛同軛,一日翻耕土地的面積(1英畝=4050平方米)。
經(jīng)典階段 一個以宏觀現(xiàn)象與人工實物為科學基礎(chǔ)的階段,標志是1875年簽定的《米制公約》。包括根據(jù)地球子午線1/4長度的一千萬之一建立了鉑銥合金制的米原器;根據(jù)一立方米水在在規(guī)定溫度下的質(zhì)量建立了鉑銥合金制的千克原器;根據(jù)地球饒?zhí)柟D(zhuǎn)周期確定了時間(歷書時)單位秒等。
它們形成一種基于所謂自然不變的米制,并成為國際單位制的基礎(chǔ)。但是這些宏觀實物基準隨著時間的推移或地點的變動,其量值不可避免地受物理或化學性能緩慢變化的影響而發(fā)生飄移,從而影響了復(fù)現(xiàn)、保存,并限制了準確度的提高。早在1870年英國物理學家、數(shù)學家J.G.麥克斯韋就指出,長度、質(zhì)量和時間的單位應(yīng)當建立在原子波長、頻率、和原子質(zhì)量中,而不是在運動著的星體或物體上。
現(xiàn)代階段 以量子理論為基礎(chǔ),由宏觀實物基準過度到微觀量子基準。國際上以正式確立的量子基準有長度單位米基準、時間單位秒基準、電壓單位伏特基準和電阻單位歐姆基準。從經(jīng)典理論來看,物資世界在做連續(xù)的、漸進的宏觀運動;而在微觀量子體系中,事物的發(fā)展是不連續(xù)的、跳躍的也是量子話的。由于原子的能級非常穩(wěn)定,躍遷時輻射信號的周期自然也非常穩(wěn)定,因此躍遷所對應(yīng)的量值是固定不變的。這類微觀量子基準,包括1960年用氪86原子的特定能級躍遷所定義的米、1967年用銫133原子特定能級躍遷所定義的秒等,提高了SI基本單位實現(xiàn)的準確性、穩(wěn)定性和可靠性。但是,它們?nèi)耘c某種原子的特定量子躍遷過程有關(guān),因而尚不具備普實性。最好的方案是用基本物理常量來定義計量單位。例如:1983年將米定義為光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內(nèi)所行進的長度,既認為真空中光速作為一個定義值恒為299792458m/s(約30萬公里/秒);而長度事實上變成了時間(頻率)的導(dǎo)出量。這種定義通過不變的光速給出了空間 和時間的聯(lián)系,使新定義的米只依賴于目前測量不確定度最小(10-15量級)的頻率,從而更具準確性、穩(wěn)定性、可靠性和普適性。
以上主要是從量的定義上劃分階段,從另一個角度來看,由于計量在古代是各國獨立產(chǎn)生,并作為民族文化和社會制度的一部分繼承和發(fā)展,直到19世紀,各國使用的計量單位及其進位制度、計量器具和管理措施等彼此差異甚大。計量學長期停留在記述各種計量單位和換算各種關(guān)系的階段上;計量管理工作都是各國、各地區(qū)各自為政。隨著工業(yè)和國際貿(mào)易、特別是物理學等實驗科學的發(fā)展,需要測量的量已從傳統(tǒng)的度量衡劇增至上百個。18~19世紀,歐美科學家開始創(chuàng)建一種以科學實驗為基礎(chǔ)、可在國際上通用的計量單位制。1875年《米制公約》的簽訂標志著各國計量制度趨向統(tǒng)一;1955年簽訂《國際法制計量組織公約》和1960年第11屆國際計量大會(CGPM)通過國際單位制,標志著各國計量制度基本統(tǒng)一和計量學的基本成熟。計量的發(fā)展趨勢主要沿著兩個方面:一是利用最新科技成果不斷完善國際單位制及其實驗基礎(chǔ),使單位的定義及基準、標準建立在物理常量的穩(wěn)固基礎(chǔ)上;二是推動全球計量體系的形成,逐步實現(xiàn)國際間測量與校準結(jié)果的相互承認,以適用貿(mào)易和經(jīng)濟全球化進展的需要。
從冶金計量的角度考慮,計量與控制的結(jié)合將把冶金計量工作推向一個更廣闊的領(lǐng)域。 |
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