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计量单位混乱史,只剩美国一个大国坚守英制单位 精选

已有 8809 次阅读 2018-4-12 22:04 |系统分类:科普集锦| 单位, 计量

 

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  计量单位给人的感觉就像是绝对严格精准的裁判,以它本身来度量我们的世界。

  中国有成语锱铢必较、丝毫不差,锱与铢和丝与毫都是极小的单位,这些都表现出我们计量单位的精准要求。

  可是在工艺水平低下,科学并未启蒙的古代,全世界的古人都无法以一个自然的恒定量作为标杆,那他们当时又是如何制定度量衡的?

  这听起来是一件神圣而又严谨的工作,可实际上以我们现代人的标准来看当时的做法可以说“随意得可怕”

  不知道有多少人的中学历史老师会在课堂上讲圣人孔子的身高这件事。

  史记中记载,孔子身高九尺六寸,如果以现在的市制公尺算,圣人的身高将超过3米,显然是不可能的。

  若以史记编纂时期西汉的尺(约23.1厘米)计算,孔圣人的身高还是达到2.21米,如果以春秋时期的尺计算则有1.97米、1.91米、1.89米三种可能。

  从圣人飘忽不定的身高中,可以窥见那个时期长度计量单位的混乱。

  这是由于当时的制定单位时所选取的标准物并不是一个恒定不变的事物。

  这个混乱阶段全世界的文明都经历过,我们都曾用身体的一部分作为标准物来度量世界。

  大概自夏朝起,中华文明就以成年男子拇指与中指张开的末端距离作为一尺,相当于我们现在说的一拃。

  这样定义出来的一尺是因人而异的,只有在一些工程当中才会制作标尺准绳来控制误差。

不同身高的人的一拃长度分布,单位厘米

  这方面精通建造巨型奇观的古埃及走在了前面,在三千多年前就已经制作了已知最早的长度标准物。

  埃及人也明白降低误差的重要性,特地选用了质地坚硬的花岗岩做为材料。

  

藏于博物馆的古埃及碗尺石柱

  只不过长度标准的选取就显得有些任性了,是取法老小臂拐肘处到中指末端的距离,称作腕尺。

  虽然选取大众的平均值作为标准会更合理更方便,但不管怎么说埃及人好歹最早规定了全国统一的标准。

  而英国人,到了中世纪末期都还在没有一个准确的长度标准。

  他们最常用的长度单位英寸,也是整个英制单位的基础之一,最早被定义为拇指的宽度。

  

  后来,英国人也渐渐觉得这种随意的定义会导致“一百个人眼里有一百种英寸”,不利于英国的和谐统一。

  于是在1324年,爱德华二世下定决心将一英寸重新定义为一穗大麦上最大的三粒麦子相接的长度

  终于成功地把局面扭转为“一百片麦田里有一万种英寸”

  

  类似的事情也发生在英尺的定义上。

  英尺的英文写法是foot,顾名思义就是一个脚掌的长度,在19世纪以前可以是25厘米到33.5厘米之间的任意长度。

  那个年代的“七尺男儿”可以是175厘米的正常身高,也可以是235厘米的恐怖巨人。

  德国人很不爽英国人的这种随意,他们想到一个可行的解决办法。

  在16世纪的时候,德国人随机找了16个从教堂里出来的男子,测量他们的脚长,把求出的平均脚长,并以此作为英尺的标准。

  除此之外,英制单位的混乱还体现在个单位之间的换算关系上。

  我们现在用的单位大多都满足一定规律的换算关系,十进制甚至不需要计算就可以很方便地完成换算。

  但英国人就没有那么规矩了,他们的英寸、英尺、码是单独定义的。

  一英寸是三粒麦子的长度,一英尺是脚的长度,一码是亨利一世国王的鼻尖到指尖的距离。

  后来为了方便才凑成了1码=3英尺=36英寸的关系。

  这种混乱同样也存在于重量、面积等单位上。

  混乱的局面最终是靠法国人终结的。

  1790年,法国已经经历了启蒙运动的理性主义思潮,此前依靠人体部位或常见物定义的计量单位已经不能满足时代的需要了。

  于是法国科学院建议以地球作为标准物重新定义基本长度单位,以通过巴黎的子午线四分弧长的一千万分之一定义新的长度单位米。

  说起来轻巧,可实际测量却并不容易。

  法国人花了整整7年的时间才量出了穿过敦刻尔克到巴塞罗那那条子午线的弧长。

  并且用铂制作了一根标准米尺作为标准参照物,称作米原器。而这时候英国人甚至还没有给出英尺的标准长度。

初代铂制米原器

  基本长度单位米诞生之后,很多单位也它为基础重新定义了标准。

  首先是以十进制为基础导出了很多一套长度单位,包括我们熟悉的厘米、分米、千米。

  再以长度单位定义质量单位千克,即是一立方分米(一升)的纯水在4摄氏度时的质量。

1875年多国签署“米制公约”

  法国人提出的这种方便和合理的计量单位系统很快得到了欧洲各国的积极采用。

  那时候英国国力强盛,很多国家不得不采用英制单位来进行生产制造。

  但英制单位的换算麻烦,商家经常会以换算为借口偷工减料,类似现在把1000MB当做1GB。

  米制单位系统基本都采用十进制换算,计算方便的同时也更加精确,自然很快得到了推广。

19世纪中期的普鲁士工厂

  然而,当米制单位系统推广开来时,我们的科学对单位的精度有了更高的要求。

  法国人制作且沿用了近一个世纪的米原器很难满足时代的需要。

  在1875年各国签署了“米制公约”之后,又制造了一批精度更高的铂依合金米原器,共31支。

新制作的米原器以及千克原器

  第一届国际计量对米给出的定义是:0摄氏度时,铂依合金米原器两端刻线记号间的距离。

  然而,因为刻度线本身宽度的影响,这个米原器的精度实际上只能达到0.1微米,显然算不上精准。

  于是有科学家提出可以用单色光的波长来测量米原器,并用其波长的若干倍来表示米的长度。

  这种方法显然比以人造物为基准要更加可靠和稳定,只是受限于当时的技术,只被当做米原器的旁证。

  之后米的定义又经过了几次定义的修改,最终确定为用宇宙通用的光速来定义米

  一米等于光在真空中299792458分之一秒内所经过的路径长度。

  看起来国际单位制的推广与普及似乎终结千百年来的单位混乱,但其实混乱才刚刚开始。

  1983年,加拿大航空143号班机因为燃料检测棒出了问题,但又苦于没有这种新机型的零件更换。

  于是机长建议先应急用手工计算燃料用量,完成航班飞行再进行维修。

  然而当时加拿大仍然在使用英制单位,并与公制单位混用。

  原本要要加大概2万千克的燃油,结果在换算成体积的时候工作人员把它当成2万磅来计算,结果只加了不到一半的油量。

  后果当然是飞机在空中飞了一半航程就没油了,离最近的机场又还有百余公里,根本不可能飞得到。

  幸好机长想起附近还有一个废弃的基米尼空军基地,他曾经在那里训练过,可以紧急迫降。

  然而,因为飞机高度太高速度过快,直接降落会出现危险,于是有丰富滑翔机驾驶经验的机长决定先滑翔降低高度再降落。

  可当飞机高度降低,机长却发现这个空军基地已经改建成了赛车场,看场面像是刚刚比赛完,观众都没有散席。

  万幸,在前起落架没有放下的情况下,机长还是成功迫降在这个空军基地,保住了所有人的生命。

  这一因单位混乱引起的事故也打破当时民航滑翔飞行的世界纪录,史称“基米尼滑翔机”

  而作为第一批在“米制公约”上签字的国家,美国同样没有能够将国际单位制彻底推广。

  在英国人自己都已经抛弃了英制单位的情况下,美国却依旧我行我素地以自由包容一切。

  美国人的计量单位最早沿袭自英国,但独立之后他们又逐渐发展出了一套自己的独特(奇葩)计量单位系统。

  他们修改了英制的一些单位,虽然叫起来名称是一样的,可是数值大小却和原本的英制不再通用了。

  比如美国人的盎司就堪称混乱王中王。

  英国人最早用盎司来作为酒的容量计量单位,1盎司等于28.41毫升。

  而传到美国之后,盎司被改成了29.57毫升。

  除此之外,美国的盎司还被当做重量单位,用于重量较小物品的计量。

  这还没完,作为重量单位的盎司还分成多种,常见的有常衡盎司、金衡盎司、药衡盎司

  这三种盎司的标准都不一样,所以在美国,一盎司棉花和一盎司纯金真的不一样重。

  美国英制公制混用的问题更是害得NASA损失惨重。

  NASA的火星气候探测者号斥资超过3亿美元,花了一年时间才从地球飞到火星。

  最后却因为控制小组的成员混淆了公制单位和英制单位,直接导致探测器坠毁,3亿美元打了水漂。

 

  火星气候探测者号上的飞行系统软件使用公制单位牛顿计算推进器动力,而地面人员输入的方向校正量和推进器参数则使用英制单位

  你可能会觉得奇怪,磅是重量单位,而牛顿是力的单位,应该不能换算吧。

  但美国就是这么神奇,磅同样也是力的单位。

  类似的单位换算问题已经被科学工作者诟病了多年,很多来自使用公制单位国家的留学生更是叫苦连天。

  但对于这种混乱,美国的保守主义者认为应该保留原有的历史习惯。

  在崇尚自由的美国,公民既然有追求开放的自由,也应该有守旧固封的自由。

  追求自由并非在哪都是合乎情理的,至少在计量单位制度这里,它不是。


  *参考资料

  邱隆,苏红.历史的缺憾——美国采用国际单位制的被动和尴尬[J].中国计量,2006(06):45-48.

  王彦敏.浅谈国际单位制[J].物理之友,2015,31(11):17-18.

  赵晓军. 中国古代度量衡制度研究[D].中国科学技术大学,2007.

  Manasa Kashi.The Length of Things.medium.

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