计量单位进化史：从度量身体到度量宇宙

无规矩不成方圆无计量不识宇宙01 什么是计量？ 从直观上来说，计量分为两个部分：一个是计数，另一个是测量，前者针对的是离散对象（比如几个苹果），后者针对的是连续对象（比如长度多少）。当然，从现代量子理论的角度来看，世界的微观本质就是量子化的、离散的，所以现代计量的本质其实是计数，只是这个单一计数对应的微观单元非常的小，以至于从我们日常生活中来看其实已经成为了连续的量。这种用计数进行测量的方式同时也是符合人类社会早期的朴实计量观念。比如我们用同一个量器反复盛水，或者用一把尺子不断地首尾相接地度量，将不可数的量转化为反复操作的“次数”的过程，被我们称作“测量”。这种使用同一个基准物体反复操作的过程，借此把测量转化为统计次数，一直以来就是人类计量思想的精髓。 这样的基准物体，最早就是“度量衡”，也就是长度、容积和重量。那么怎么来命名这样的基准物体？我们也就有了单位的概念，它起源于我们对于不可数事物的认知，以及把不可数事物转化为可数事物的过程。 除了度量衡之外，还有长距离、田地面积和时间，这六大项构成了古代农业社会计量体系的根基，他们是任何一个产生文明的古代人类社会都必须拥有的根本体系。、 02 基准如何选取？ 计量的本质来源于两个部分：选择基准、计数。计量基准的选取经过了漫长时间的演化，从早期的主观方式，到客观方式，再到统计客观方式，再到绝对客观方式，体现的的是一个从不可量化到可量化，最后到高度可重复的精准量化的过程。 东西方早期的长度基准都是以人体的尺寸作为参考，比如西方的标准肘尺、我国早期的咫寻仞，后期的寸尺丈等；早期的体积基准则是制作标准量器，比如欧美的加仑，我国的升斗斛。可以看到，人们人为地规定一个基准物体，并把不可数量的大小，表示成相对于这个基准的比例，这就是计量的过程，同时也依据这个规定的基准形成了单位的定义。 但是在这样的古代度量体系中，人们总是得“自己定义自己”，那么如果这个自己规定的基准自身变化了，该怎么办？古代农业社会中，掌权者同时拥有度量衡管理权和基于农业的征税权，这本就是个无解的悖论。因而和赋税最紧密相关的古代量制（容积），也是中国历史上膨胀最严重的单位，从秦朝的“商鞅方升”到民国时的市制，一升的实际容量竟然扩大了整整5倍！ 由于所有的基准单位都可以被规定，那是否有一个单位可以用来作为其他基准的基础？这样“强制规定”的误差就只存在于这个基准的基准上，当然可以！由于时间的特殊性，它可以作为这个唯一的强制规定基准，而这就进入了现代科学计量体系之中。 03 基于时间的科学单位制 科学单位制起源于“近代科学之父”伽利略和单摆，他通过观察教堂顶上吊灯的摆动，敏锐地发现了单摆的等时性，在惠更斯的接续努力下，得到了单摆周期公式，并由此制作出了第一台摆钟，这是人类第一次在短时间计时上的革命性突破，时间的计量从天象的观察进入了单摆长度测量领域。也是从这个时候开始，统治者的权威在计量基准上失效，时间对于全体人类而言是平等的，不受任何个人的权威规定。 当我们把唯一的“强制规定”留给不容易测准的时间，并让其他单位都根据时间来校准，这样，我们的整个单位制中，“自我定义”的不确定性就只存在于时间测量，剩下的任务就很明确了——尽一切可能把时间测准，或者说把时间单位的误差范围缩小到更多的数量级。 基于基准时间，我们就可以根据摆长公式来得到基准长度，然后我们规定水为“基准物质”，这样我们就可以基于体积得到基准质量，到这里，度量衡全部用基准时间完成了全新的定义。延伸这个定义体系，我们就进入了科学单位制的范畴。 “一套科学的单位制应该对地球上的每一个国家、每一个位置的人都能适用，而且应该对地球上的所有人平等。所以，基于地球上的某个特定位置设定的数值，乃至从地球上各个位置测量后得到的平均值，都不符合科学单位制所追求的“普适”理念。一套普适的度量衡，应该能让地球上任何人无论在何时、何地，都能遵循相同的自然规律，而不能被某个组织或国家轻易地修改。” 除了“普适”之外，科学单位制还需要具备“可实现”和“可复制”。以19世纪的条件，普适、可实现、可复制，这三者只能做到其中二者。既然无法达到真正的完美，我们只能选择误差最小的那一种方案。在19世纪末，人们给出的最佳方案就是：依据现代科学理论严格保管和复制的“国际原型器”（International Prototype）及其分发至世界各国的复制件。而这样的科学单位制，极大地便利了全球贸易的扩展。 除了普适、可实现、可复制的要求之外，科学单位制还需要一个重要的扩展原则，“十进制”，基于此扩展出一整套科学单位体系。 科学单位制最初有两套体系，“厘米-克-秒制（CGS制）”和“米-千克-秒制（MKS制）”。在1960年的第11届国际计量大会上，国际单位制将米、千克和秒正式确立为基本单位，MKS制被正式命名为“国际单位制”，也使得MKS制在全世界的科学教育与研究中逐渐取代CGS制成为主流，持续了一个世纪的“公制正统”之争才算大体上尘埃落定。至此，从1795年公制正式颁布开始，经过整整165年，当初的制度才终于变成了如今我们在课本上见到的模样。 04 国际单位制 在国际单位制中，所有单位为“1”的无因次量，与时间、长度、质量、温度、电流、物质的量、发光强度的七大基本单位所对应的量纲一起，构成了国际单位制的量纲系统。 根据《米制公约》，全世界的计量制度由三个主要机构负责管理：国际计量大会、国际计量委员会和国际计量局。其中，国际计量大会是每四年举行一次的最高层次的会议，由参与公约的各成员国参加；国际计量委员会是由来自不同成员国的专家组成的领导监督机构，负责监督计量制度在全世界的实施；国际计量局则负责世界计量科学界的日常运转，包括对国际米原器和国际千克原器的管理，以及所谓“协调世界时”（UTC）的校准等。 国际单位制的内容由三个部分组成——基本单位、导出单位和单位词头。基本单位现在的定义如下： 1、时间：秒（s），铯–133原子在基态下的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的时间。 2、长度：米（m），光在真空中运动1秒所经过距离的299792458分之一。 3、质量：千克（kg），米、秒由上述方式定义后，使普朗克常数等于6.62607015×10−34kg·m2·s−1的质量单位。 4、电流：安培（A），秒由上述方式定义后，使元电荷电量等于1.602176634×10–19A·s的电流单位。 5、热力学温度：开尔文（K），千克、米、秒由上述方式定义后，使玻尔兹曼常数等于1.380649×10–23kg·m2·s–2·K–1的温度单位。 6、物质的量：摩尔（mol），一个由阿伏伽德罗常数（6.02214076×1023）个单元组成的系统，其物质的量为1摩尔。 7、发光强度：坎德拉（cd），频率为540.0154×1012赫兹（s–1）的单色光源在特定方向上产生1/683瓦特（kg·m2·s−3）每球面角的辐射强度时的发光强度。 “在七大基本单位中，时间、长度、质量代表了现代科学体系内宇宙的三大基本构成——时间、空间、物质。这三者作为基本单位，是由著名科学家高斯确立，并为后人广为接受的。另外的四个基本单位，则代表了人类在近代科学中所认识的四个“准连续量”：温度代表分子热运动和熵（在热力学中表现为“微观状态数”），电流代表元电荷，物质的量代表原子、分子等微观粒子，发光强度代表量子力学确立的“能量子”（光子）。这四者都是可以实施离散计数的单元，但人类所接触到的宏观物理体系又都由数量极其庞大的单元构成。以人类现有的技术，它们都不可能被拿出来逐一地计数，只能以“测量”的方式为人所感知。” 05 计量单位制的改革之路 “从商鞅铸造方升的时代起，各个国家的统治者就已经在竭尽所能地为社会建立统一的标准。然而，当时所谓“标准化”终究建立在一国统治者的政令之上，所建立的标准也大多带着过于浓厚的强权烙印。对于公制而言，实现标准化的第一步，就是彻底摆脱过去以统治者的疆域划分的“度量衡领土”，用科学来消除国界的限制。” 然而改革绝不是一蹴而就的，这伴随着长时间的斗争和妥协，不仅仅是政治人物面临的压力，也是所有人民面对的压力，这代表着改变自己一生的认知基准以适应新的标准，欲速则不达，稳中求进才是各国最终选择的主要路径，借由时间的加持，才实现了公制化改革这一浩大的工程。 06 摘录 “古代的度量衡从诞生时就存在诸多缺陷，这导致它始终离不开强权与政治，这两者有时能为人们建立起大一统帝国，有时却也会随着帝国的衰落而分裂、崩塌。近代，随着西方先哲们掀起的科学革命与启蒙运动，人类终于意识到，单位与科学息息相关，科学背后的理念——追求自然界的“永恒真理”，正是计量制度设计者们的终极理想。” “古代计量制度最大的缺陷就是不精确，而不精确的根源在于计量制度总是摆脱不了“自己定义自己”的问题。就像我们每个人都不可能不借助外界工具看到自己的模样，测量领域里，“长度单位是某物体的长度”这般的定义同样也不可能达到真正的“精确”。” “我们如何才能脱离“自己定义自己”的限制呢？我们不妨换个角度想想：有什么东西是绝对精确、零误差的？数学上的“可定义数”，在物理层面上就是绝对精确的。比如圆周率π，即便我们永远不可能知道它的每一位数字，但我们可以确信：π的每一位数字都是100%确定的，只要在人类计算能力的范围内，π的数值就是精确的。” “如果能把测量转化成“数数”，并且让“数”的次数尽可能多（每个要“数”的单元尽可能小），这不就是一个真正摆脱“自己定义自己”的妙计吗？而且，把“数数”作为一切测量的根基，让其他测量的不确定度都只与“数数”的不确定度挂钩，这不就能让单位制整体的精度突飞猛进了吗？” “早在19世纪，科学家已经意识到：为何一定要盯着天上？地面上，甚至我们身边，就存在一种极为可靠的周期运动——电磁波。人们经过进一步研究发现，每一种元素的原子都存在若干能级，原子在不同能级间会发生跃迁，同时辐射出固定频率的电磁波，于是，只要能精准地锁定一种特定元素的原子的两个特定能级，再捕捉到它发射的电磁波，剩下的工作就可以交给更可靠的计算机了。这样的时间基准来自宇宙中最基本的原子和能级，比起地球和太阳，它们才是属于全宇宙的通用标准。” 07 感悟 借由遍览先哲们在科学单位制上的长时间探索历史，这让我知道，客观统一的基准不受个人和组织的操控，以超脱我们人类自身的宇宙客观规律来约束我们自身，才能在更广阔的范围内实现更大人群的福祉；也让我明白，客观统一的基准从来就不是一蹴而就的，也不是以我们的美好愿望作为期许就是可以实现的，它需要我们每一个人的的努力和追根究底，需要我们认真地对待我们的生活和工作，求真存实，仰望星空。 国际单位制代表着什么呢？它代表着地球人类这个族群，以自己的理性力量，从宇宙的本源规律中撷取而来的浪漫。 “它们的意义，对一切时代，一切文明，乃至对于外星球的非人类文明都不可或缺。”——马克斯·普朗克 “当我们提到“千克”时，其他的智慧文明将能够理解我们在说什么。” —— 弗兰克·哈提格

西人习惯用脚去量长度，所以用"呎"(foot)(fuss)，不知道是不是真如林文忠公所说的，他们"腰腿僵硬，一仆不能复起，″我听说德国人是从十六位离开教堂的男人的左脚採得的均值，教堂虽然是上帝他老人家的道场，但左脚毕竟还是人们自己长出来的。而我们似乎更愿意用手(一拃)去量长度，所以用"尺"。古人为了强调男女有别，还暖心地又选择了一个标准叫"咫"，《说文》上说:″中妇人手长八寸谓之咫，周尺也。"这里不是要强调高低贵贱，区别都是自然显见的，而地球上的人们也几乎都是把自己当做了万物的尺度。本来彼此相隔几万里，大可以各自安好的，但是有一天他们的foot从大航海的帆船上下来，就离我们男耕女织的生活近在咫尺了。这个时候无论合作或竞争，都是相互交流的一种方式，都是在求同，如果仅只为了存异，大可"鸡犬相闻，老死不相往来。″那么我们现在怎么解决"呎"和"尺"的问题呢？ 假如是邻家一位孤寡老人跑到你家院墙边打你家几个枣，你大可不必冲冠一怒，″不为困穷宁有此？只缘恐惧转须亲。″但如果爬上你墙头的是个小伙子，你就不容易等闲视之了，因为他吃饱枣后可能会顺着枣树爬到你家后院挖你的银罐或勾引你家闺女。我想这可能就是许多贸易壁垒支持者的想法吧，我不肯定这里一定有阴谋论，但至少是不太自信的小家子气了。 中国也曾有″近悦远来"的时候，也曾倡导"风行草偃"的教化，但还是修筑了万里长城，看来"登高而招，顺风而呼"不全是情势使然，自信心也很重要。

非常好的计量科普书，明白了计量的重要性以及计量单位历史。收获很多。

近年读过的考据最严谨的一本科普，介绍历史的部分也很有趣

很优秀的一本科普书籍，米、克、秒这些计量单位在我们生活中随处可见，可是他们是如何被定义的？具体的数值是怎么样计算？这些问题偶然会引起我的疑惑，但一直不曾深究；在阅读一些科技发展史后，这个问题愈发强烈，最终让我找到了这本书；阅读后得到了答案，虽然有些篇章要求较高，不过值得一读。 特别喜欢里面的一句话：“将一切的抽象、不易观察，乃至无法直接感知的事物或概念，转化成可以观察、并且可以表达成基本的数量的操作，都属于“测量”的范畴。”伴随着测量精度的加深、数据收集越来越多，也许终有一天会测量出人类吧。

简直是冷知识爱好者的福音书！ 我无意间搜到这本书是因为多次在文学作品里遇到英制，美制这种不是十进制的奇葩单位，时间一长，你越不懂的东西越爱在你眼前晃悠，所以必须解决了它，于是就搜到这本书。终于让我明白了我们日常生活中遇到的那些米，秒，千克是怎么来的，而英制的奇葩也有其奇葩的道理。现代生活让我们用起这些单位的时候信手拈来，却不知道能有今天的精确度科学家付出了怎样的努力。也许我们知道了这些单位的来历并不能怎么样，但是就像作者说的，这是一种属于宇宙的浪漫。 书名和封面可能让大家觉得这是一本枯燥乏味的教科书，但读起来真的很有趣！作者就是抱着跟你我一样好奇的心态去查阅了大量的资料来比对东西方不同单位的进化历史。 从数10个手指头，到度量衡，再到米秒千克，解释了为什么1米就是这么长，1kg为什么是这么重等很基础的问题，整本书每个章节拎出来都够B站up主做一期视频的。 以前看老外写「人类简史」「时间的秩序」等等，觉得国内为什么没有人写这种有意思的科普类丛书，现在终于找到一本。真的是没有用的知识又增加了（褒义）。感谢作者满足我的好奇心哈。

这是我一个大学同学（不是一个班的，完全不熟）写的书，刚发售的时候我就在知乎（没有他的微信）上看到了他对这本书的介绍，就很想读，多年后终于支持了一下（微信读书上用免费体验卡读的）。写得真的不错，无论是当科普来看还是作为教学科研人员来看，都很有收获。这本书本来应该再早几天读完的，不过最近塞尔达王国之泪占用了我大部分的空余时间，就直到今天（2023年5月20日）才读完，这也正好是书里多次提到的最新的基本单位定义标准公布四周年的日子，这就是“宇宙的浪漫”吧。宇宙的有趣，当然是值得在意的事情。

计量科普，不过对这方面感兴趣的人应该比较少吧！

比较不错的一本科普。单位的意义不仅在于是直观认识世界的一个工具，也在于是权利的彰显。科学的进步终于使单位终于能摆脱“自己定义自己”的怪圈，用宇宙的永恒来度量身边万物。但作为与生活水乳交融的一部分，人的活动与习惯也早已渗透进了度量的定义。

昂撒的权利拉扯成就了蓝星最拉跨的现行计量制度（没有歧视任何秃头的意思（x😆😆😆