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米
國際單位制的基本長(cháng)度單位
國際單位制7個(gè)基本量之一
國際單位制中的長(cháng)度單位，符號m。當真空中光速c以單位ms表示時(shí)，將其固定數值取為299792458來(lái)定義米，其中秒用Δv（Cs）定義。對于一般應用場(chǎng)合，新華字典對米的定義為：長(cháng)度單位，符號m，1米等于10分米。
基本信息
中文名
米
英文名
meter
歷史上的長(cháng)度單位
腕尺是一種古老的長(cháng)度單位，它以人類(lèi)手臂前臂的長(cháng)度為標準。不同地區和時(shí)代的腕尺有所差異。例如：
英國歷史上也使用過(guò)類(lèi)似于腕尺的長(cháng)度單位，如英寸（inch）和英尺（foot），但它們也隨著(zhù)君主和法規而變化。例如：
- 10世紀時(shí)，英國國王埃德加（Edgar）將一個(gè)拇指手指關(guān)節（thumb-joint） 的長(cháng)度規定為1英寸（inch），約等于0.0254米；
- 14世紀時(shí)，英國國王愛(ài)德華二世（Edward II）將“三顆干燥圓形大麥粒首尾相連擺放時(shí)”的長(cháng)度規定為1英寸（inch），12英寸（36大麥粒） 為1英尺（foot）；
- 1566年，英國頒布了一項新法規規定：“4顆大麥粒為一個(gè)指寬（finger-breadth）；4個(gè)指寬為一個(gè)手寬（hand-breadth）；4個(gè)手寬為一個(gè)掌心寬度或者說(shuō)是一個(gè)掌心加上四個(gè)拇指寬度之和（palm or hand with thumb） ；3個(gè)掌心寬度或者說(shuō)是3個(gè)掌心加上12個(gè)拇指寬度之和為一個(gè)小肘長(cháng)或者說(shuō)是一個(gè)肘長(cháng)減去四個(gè)拇指之和 （small ell or ell minus four fingers） ；5個(gè)小肘長(cháng)或者說(shuō)是5個(gè)肘長(cháng)減去20個(gè)拇指之和為一碼 （yard） ” ，這意味著(zhù)64顆大麥?？诘扔诩s等于16厘米或者說(shuō)6.3 英寸。
古代中國，公元前16世紀至前11世紀的商代，1尺等于0.158米；公元前221年，秦始皇統一度量衡后，1尺等于0.231米；公元9年，王莽建立了古代計量標準器之一——新莽銅卡尺（也是世界上最早的游標卡尺），其長(cháng)度為13.3厘米；公元1682年（康熙21年），清朝規定1尺等于0.32米。這里所說(shuō)的“尺”即“市尺”。。
檔案米尺的誕生
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各國對長(cháng)度單位的定義逐漸統一。18世紀末，人們開(kāi)始放棄以人體、自然物體等為標準的原始長(cháng)度單位，轉向科學(xué)化的度量方法。1790年，法國國民議會(huì )批準了法國科學(xué)院提出的“米制”方案。該方案規定以地球子午線(xiàn)長(cháng)度的四千萬(wàn)分之一為1m，并于1799年用鉑金制作了一根橫截面為（25.3×4.05）mm的矩形棒作為基準米尺。該米尺兩端之間的距離即為1m。這就是“檔案米尺”。
長(cháng)度計量基準的演變
米原器
1872年，30個(gè)國家在巴黎舉行了國際米制委員會(huì )（The International Commission of the Meter）會(huì )議，決定以檔案米尺為參考標準，制造并分發(fā)米原器給各參會(huì )國。米原器由90%鉑和10%銥的合金制成，截面呈X形，以保證其穩定性和耐變形性。
1889年，第一屆國際計量大會(huì )規定，以檔案米尺為模型制作的國際米原器取代檔案米尺，成為國際長(cháng)度計量的基準。同時(shí)將米的定義改為：“米的長(cháng)度等于在水的冰點(diǎn)溫度下，米原器兩端刻線(xiàn)間的距離?！逼渲?號米原器保存在巴黎的國際計量局（BIPM）。
1927年第7屆國際計量大會(huì )進(jìn)一步明確規定了長(cháng)度單位“米”的定義：即國際計量局保存的鉑銥尺上兩條中間刻線(xiàn)的軸線(xiàn)在0℃時(shí)的距離。該鉑銥尺被稱(chēng)為長(cháng)度計量基準“米原器”，其復現不確定度約為1.1×10。
實(shí)物量標準定義的‘米’存在許多問(wèn)題。一方面，米原器有損壞和丟失的風(fēng)險，另一方面，刻線(xiàn)工藝和測量方法不夠精確，導致米原器的不確定度只有士1.1×10（即士0.11um）。這樣的精度無(wú)法滿(mǎn)足現代科學(xué)技術(shù)的需求。因此，有必要用新的自然量標準來(lái)重新定義米。
Kr波長(cháng)長(cháng)度單位
1952年，國際計量委員會(huì )設立米定義咨詢(xún)委員會(huì )( 現稱(chēng)為“長(cháng)度咨詢(xún)委員會(huì )”)，研究新的米定義。物理學(xué)家發(fā)現原子結構中兩個(gè)固定能級之間的能量差是常數。當光的輻射頻率f和光速c一定時(shí)，它所產(chǎn)生的光波波長(cháng)λ也是定值，即λ=c/f。因此，利用光波波長(cháng)這一自然量標準來(lái)定義米，取代米原器的實(shí)物量標準非常具有優(yōu)勢。
1960年，研究取得成果：Kr原子橙黃譜線(xiàn)具有最窄和最對稱(chēng)的輻射譜線(xiàn)，能在最小擾動(dòng)下產(chǎn)生，并可用其他方法測量。這一單色光譜線(xiàn)的波長(cháng)值只與其輻射頻率和真空中的光速有關(guān)。如果光速為定值，則波長(cháng)就是不隨時(shí)間變化、可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)復現的值，適于作為新定義的自然量標準。
因此，在1960年第十一屆國際計量大會(huì )上通過(guò)了米的新定義：“米的長(cháng)度等于Kr原子的2p10和5d5能級之間躍遷所對應的輻射在真空中的波長(cháng)的1 650 763.73倍。”，其復現不確定度可以達到2.7×10。
激光波長(cháng)長(cháng)度單位
自1960年激光技術(shù)發(fā)展以來(lái)，激光具有方向性、單色性和光強度高等特點(diǎn)，使得它在測量長(cháng)度時(shí)比SKr原子輻射譜線(xiàn)有著(zhù)更大的優(yōu)勢。激光輻射光譜寬度極窄（可達0.0001m-1，相當于30kHz），即使光程差達數千米，也能看到清晰的干涉圖像，適合用干涉法測量長(cháng)度。
為了穩定激光頻率，科學(xué)家們采用了多種方法，如利用蘭姆凹陷、甲烷吸收、信號發(fā)生器與壓電陶瓷調制等。經(jīng)過(guò)多年努力，激光頻率的穩定性和復現性問(wèn)題得以解決。1973年，米定義咨詢(xún)委員會(huì )建議用碘或甲烷飽和吸收穩定的氦氖激光作為長(cháng)度計量的副基準，其波長(cháng)分別為682991398.1fm和3392231397.1m。1975年第十五屆國際計量大會(huì )采納了這一建議。1979年，米定義咨詢(xún)委員會(huì )又推薦用碘穩定的0.612um氦氖激光和碘穩定的0.515pm氬離子激光作為長(cháng)度測量的參考波長(cháng)或工作標準，它們的波長(cháng)值分別為514 673466.2m和611970769.8fm2。
1984 年召開(kāi)的國際計量大會(huì )上批準了米的新定義是：“米是光在真空中在(1/299 792458)s的時(shí)間間隔內所經(jīng)路徑的長(cháng)度。”。這一定義利用了秒定義的高度準確性和固定的真空中光速值(c=λ/f=299 792 458 m/s)，使得長(cháng)度計量基準的準確度進(jìn)一步提高。
米的量子化定義
2018年11月16日，第26屆國際計量大會(huì )（CGPM）通過(guò)了《修訂國際單位制（SI）》的第一號決議。該決議規定了從2019年5月20日起生效新的國際單位制定義方法。根據新定義，質(zhì)量、物質(zhì)量、電流和溫度四個(gè)基本單位將由物理常數確定，而不再依賴(lài)于實(shí)物標準或經(jīng)驗公式。這樣一來(lái)，國際單位制的七個(gè)基本單位都將由七個(gè)自然常數定義。
這七個(gè)自然常數分別是：
- 銫-133原子不受干擾的基態(tài)超精細躍遷頻率：9 192 631 770 Hz；
- 真空中光速c：299 792 458 m/s；
- 普朗克常數h：6.626 070 15×10 J·s；
- 阿伏伽德羅常數NA：6.022 140 76×10 mol；
- 基本電荷e：1.602 176 634×10 C；
- 玻爾茲曼常數k：1.380 649×10 J/K；
- 單色輻射頻率為540×10 Hz時(shí)的光視效能Kcd：683 lm/W。
新定義生效后，國際單位制將完全量子化，并結束了實(shí)物標準的歷史。
因此根據新方法，米的定義為：“國際單位制中的長(cháng)度單位，符號m。當真空中光速c以單位ms表示時(shí)，將其固定數值取為299792458來(lái)定義米，其中秒用Δv（Cs）定義。（The metre, symbol m, is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c to be 299 792 458.when expressed in the unit m/s, where the second is defined in terms of ΔvCs.）”
米與數量級
為了方便單位換算，國際單位制引入了倍數單位的概念。倍數單位包括十進(jìn)制的倍數和分數單位，由SI詞頭和SI基本單位組成。使用倍數單位可以擴大國際單位制的適用范圍，使其能夠適應各種場(chǎng)合和用途中量值大小的表達。
SI詞頭表示不同數量級的因子。它們是倍數單位的一部分，而不是獨立的數字或單位。它們只有加在基本單位前才有意義，并且不能重復使用。 加上SI詞頭后的基本單位稱(chēng)為倍數單位，也叫十進(jìn)制的倍數或分數單位。
下表中列出了用于構成十進(jìn)倍數單位和分數單位的詞頭。
表1 十進(jìn)倍數單位和分數單位的詞頭
中文詞頭 | 英文詞頭 | 符號 | 數量級 | 國際上啟用時(shí)間 |
堯 | yotta | Y | 10 | 1991 |
澤 | zetta | Z | 10 | 1991 |
艾 | exa | E | 10 | 1975 |
拍 | peta | P | 10 | 1975 |
太 | tera | T | 10 | 1960 |
吉 | giga | G | 10 | 1960 |
兆 | mega | M | 10 | 1960 |
千 | kilo | k | 10 | 1795 |
百 | hecto | h | 10 | 1795 |
十 | deca | da | 10 | 1795 |
分 | deci | d | 10 | 1795 |
厘 | centi | c | 10 | 1795 |
毫 | milli | m | 10 | 1795 |
微 | micro | μ | 10 | 1960 |
納 | nano | n | 10 | 1960 |
皮 | pico | p | 10 | 1960 |
飛 | femto | f | 10 | 1964 |
阿 | atto | a | 10 | 1964 |
瓜 | zepto | z | 10 | 1991 |
么 | yocto | y | 10 | 1991 |
國際單位制與非國際單位制的轉換
理論上，國際單位制可以覆蓋科學(xué)技術(shù)的所有領(lǐng)域，取代所有其他單位制的單位。但在實(shí)際應用中，由于歷史原因或在某些領(lǐng)域的重要作用，一些國際單位制以外的單位還沒(méi)有被完全取代或廢除。因此，國際計量大會(huì )在公布國際單位制的同時(shí)，還確定了一些允許與 SI 并用的單位。這些單位分為兩大類(lèi)：與 SI 并用或與 SI 暫時(shí)并用。
下表中是米與常見(jiàn)非國際單位制單位的對應關(guān)系。
表2 米與常見(jiàn)非國際單位制單位的對應關(guān)系
中文名 | 英文名 | 符號 | 推導關(guān)系 | 對應基本單位數值 |
市寸 | 1/10市尺（3.3cm） | 0.0333m | ||
市尺 | 1/3m | 0.333m | ||
市丈 | 10市尺 | 3.33m | ||
市里 | 1/2km | 500m | ||
密爾 | mil | 1/1000 in（25.4um） | 2.54×10m | |
英寸 | inch | in | 2.54cm | 0.0254m |
英尺 | foot | ft | 12in | 0.3048m |
英碼 | yard | yd | 3ft | 0.9144m |
英尋 | fathom | 2yd | 1.8288m | |
英里 | mile | mi | 1760yd | 1 609.344m |
海里 | nautical mile | nmi| | 1852m | |
天文單位 | astronomical unit | AU | 149 597 870 700m | |
光年 | light-year | ly | c×a | 9.460 7×10m |
普朗克長(cháng)度 | Planck length | lp | 1.616×10m |
米定義的復現方法
國際計量大會(huì )（CGPM）規定了米定義的三種復現方法:
(1)用于天文、大地等測量工作的復現方法
根據 l=ct 關(guān)系式,由所測出的時(shí)間 t 與定的光速值c復現長(cháng)度l。
(2)用于實(shí)驗室計量工作的復現方法,
根據=c/f關(guān)系式,由所測出的頻率與給定的光速值 c 復現波長(cháng)值入。
(3)用于一般測量工作的復現方法,
可以使用米定義咨詢(xún)委員會(huì )推薦使用的五種激光輻射和兩類(lèi)同位素光譜燈輻射的任一種來(lái)復現米。
所推薦的五種激光輻射是:
1)甲烷吸收穩頻的氨激光輻射 (CH4，γ3，P(7)，F2)
f=88 376 181 607 kHz；
λ=3 392 231297.0 fm；
2)碘吸收穩頻的染料激光或 1.15 μm 氨激光的倍頻輻射(I2,I7-1,P(62),O)
f=520 206 808.53 kHz；
λ=576 294 706.25 fm；
相對不確定度為6X10。
3)碘吸收穩頻的氨氛激光輻射(I2，11-5，R(127)，i)
f=473 612 214.8 MHz；
λ=632 991 398.1 fm；
相對不確定度為 1X10。
4)碘吸收穩頻的氨氛激光輻射(I2，9-2，R(47)，O)
f=489 880 355.1 MHz；
λ=611 970 769.8 fm；
相對不確定度為 1.1X10。
5)碘吸收穩頻的離子激光輻射(I2，43-0，P(13，α3)
f=582 490 603.6 MHz；
λ=514 673 466.2 fm；
相對不確定度為1.3X10。
所推薦使用的兩類(lèi)同位素光譜燈輻射是:
1)對應于Kr 原子在 2p10及 5d5能級之間躍遷的輻射
f=494 886 516.5 MHz；
λ=605 780 210.2 fm；
相對不確定度為4X10。
通過(guò)以上的方法，米的復現不受某一基準的準確度或某種基準物質(zhì)的性能影響，而且復現的準確度與定義本身無(wú)關(guān)，有利于根據測量的需要選擇最合適的復現方法。
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