前言　丈量，與人類文明共同發(fā)祥

1960年8月17日，夜間氣溫已降至10℃以下，坐落在德國漢堡大自由街64號的因陀羅音樂俱樂部（Indra Musikclub）的大門還照常開著。在這個夏天即將結束的時候，“貓王”埃爾維斯·普雷斯利（Elvis Presley）憑借《機不可失，時不再來》（It’s now or never）在全球流行音樂樂壇上大放異彩；而在德國，達琳達（Dalida）用德語翻唱了伊迪絲·琵雅芙（édith Piaf）一年前推出的歌曲《英國紳士》（Milord），同樣大獲成功。

此時，那些正等在因陀羅音樂俱樂部門外的青年男女肯定沒有想到，他們即將見到的這支不知名的樂隊將徹底改變音樂世界。百代唱片公司（Electric and Musical Industries）的高管也沒有意識到這幾位年輕的樂隊成員會對其公司產(chǎn)生巨大影響。1931年，哥倫比亞留聲機公司（Columbia Graphophone Company）與英國留聲機公司（Gramophone Company）合并，百代唱片公司由此在倫敦成立，并在音樂行業(yè)中擔任了重要角色。這里不得不提一下英國留聲機公司的著名商標——“他主人的聲音”（His Master’s Voice），該商標圖案為一只小狗，正在側耳傾聽一架留聲機發(fā)出的聲響。百代唱片公司的一位工程師艾倫·布魯姆萊茵（Alan Blumlein）于1931年為立體聲錄音和聲音再現(xiàn)技術申請了發(fā)明專利。

到了20世紀60年代，百代唱片公司不僅在唱片生產(chǎn)領域獲得了成功，還在電子領域展開了如火如荼的研究工作。但當1960年8月17日，約翰·列儂（John Lennon）、保羅·麥卡特尼（Paul McCartney）和喬治·哈里森（George Harrison）開始為百代唱片公司工作時，事情發(fā)生了轉變。當時哈里森、麥卡特尼、列儂，以及后來被林戈·斯塔爾（Ringo Starr）取代的皮特·貝斯特（Pete Best）和斯圖爾特·薩特克利夫（Stuart Sutcliffe）剛創(chuàng)建甲殼蟲樂隊不久，他們的第一個海外演出地是德國。這場演出持續(xù)了48個夜晚，而甲殼蟲樂隊的熱度一直持續(xù)了9年，直到他們在倫敦薩維爾街3號大樓的屋頂上舉行最后一場音樂會——這9年是一個時代。

第二次世界大戰(zhàn)結束后，百代唱片公司開始將電子產(chǎn)品從軍用領域向民用領域轉移。不過，百代唱片公司經(jīng)濟上的成功主要來自20世紀五六十年代搖滾樂和流行音樂的爆炸式發(fā)展。收購美國國會唱片公司（American Capitol Records）、旗下藝術家的成功，特別是1962年與甲殼蟲樂隊簽約，這些為百代唱片公司帶來了巨大聲譽和可觀收入。在百代唱片公司的研究人員在20世紀60年代從事的研究項目中，有一個致力于研究醫(yī)學領域計算機斷層掃描技術的前沿項目，也就是大家熟知的CT掃描。現(xiàn)在，它仍是醫(yī)學領域用于獲取人體內部清晰圖像的基本工具。

CT掃描機的研發(fā)最早是由工程師戈弗雷·亨斯菲爾德（Godfrey Hounsfield）在百代唱片公司的實驗室里完成的，他在研究中采用了南非物理學家艾倫·科馬克（Allan Cormack）的理論成果，兩人于1979年獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

很長一段時間以來，有傳言稱甲殼蟲樂隊為這一重要診斷工具的誕生做出了根本性貢獻（并非甲殼蟲樂隊所言），即百代唱片公司把從他們的歌曲中所獲的豐厚收益中的一小部分用于資助CT掃描研究。事實上，加拿大科學家澤夫·邁茲林（Zeev Maizlin）和帕特里克·沃斯（Patrick Vos）于2012年在《計算機輔助斷層掃描雜志》（Journal of Computer Assisted Tomography）上發(fā)表的一篇文章中說道，百代唱片公司對CT掃描項目的資金支持遠低于英國政府提供的財政支持。但甲殼蟲樂隊對現(xiàn)代文化做出的貢獻是不可否認的。

人類生活離不開計量

有證據(jù)表明，多虧了百代唱片公司的實驗室，今天我們才會擁有這種不可替代的醫(yī)學診斷工具。CT掃描每天都在為拯救生命做出貢獻，這個工具是一種可以發(fā)射能穿透人體的X射線的裝置，然后計算機通過數(shù)據(jù)處理重建清晰的醫(yī)學影像。CT掃描可以為我們提供個人身體信息，體溫、血壓、心率的測量也是如此。這些測量都是將一個或一組數(shù)字與一個物理量聯(lián)系起來，與某種現(xiàn)象、大自然的某一方面或我們所處的這個世界的某方面特性聯(lián)系起來，并且都可以得到客觀的數(shù)值。而我們可以借助適當?shù)膬x器，將要討論的物理量與匹配的計量單位組合，并對數(shù)值進行比較。以測量體溫為例，它使用的儀器是溫度計，計量單位為攝氏度。

人類總是在計量世界，通過計量以了解世界、探索世界，以生活、交往、給予和索取。只要想想時間的尺度及其與生命的關系，就知道：自古至今計量一直與人類的生活交織在一起，它與自然及超自然緊密地聯(lián)結在一起。而人類計量世界是為了了解過去、理解現(xiàn)在和規(guī)劃未來。

人類用智慧創(chuàng)造工具，并有選擇地進行測量。自然界有很多周期性發(fā)生的現(xiàn)象，比如晝夜交替、季節(jié)循環(huán)；也有形狀和質量特別規(guī)則的物體，比如角豆種子。人類發(fā)揮聰明才智制作了可用于測量上述現(xiàn)象與物體的日晷、天平和米尺。當然，即使沒有人類的測量，大自然也運轉自如。

人體作為計量標準

在文明的曙光初現(xiàn)之際，人類最先依賴的計量儀器是普遍可用的東西，比如每個人都有的手臂、腿、手、腳等，盡管每個人的身體略有不同，但大體相似：在世界任何地方，一個成年人的5拃⁽¹⁾大約都是1米。因此，與身體部位相關的計量單位無處不在。例如，肘尺是肘尖到指尖之間的距離，長度大約半米，在地中海盆地的眾多文化中曾被廣泛使用，包括埃及人、猶太人、蘇美爾人、拉丁人和古希臘人；中國、古希臘和拉丁文化中也都可以找到以腳為尺度計量長度的例子；古羅馬用“步”作計量單位，1 000羅馬步為1羅馬英里（milia passuum）。建筑師維特魯威在羅馬這座永恒之城寫下了《建筑十書》，這是一部有關建筑的百科全書式著作。在此書第三卷的第一章中，維特魯威談到了對稱性：“神廟的設計取決于其對稱性，建筑師必須高度重視對稱性原則，且比例決定一切。”同時，維特魯威將對稱性與人體的比例聯(lián)系起來：“因為人體就是這樣由大自然設計的，比如，從下頜到頭頂?shù)拿娌块L度和從頭頂?shù)桨l(fā)際線最下端的距離是身高的1/10；腳長是身高的1/6，前臂為身高的1/4，胸部的寬度也是身高的1/4。其他身體部位也有它們的對稱比例，正因為遵循了這些比例，那些古代畫家和雕塑家的作品才能流芳百世。”

保存在威尼斯學院美術館（Gallerie dell’Accademia di Venezia）的達·芬奇最著名和標志性的畫作之一《維特魯威人》就取名自維特魯威。在此必須說明，威尼斯學院美術館在其網(wǎng)站上明確指出，達·芬奇這畫也受到了萊昂·巴蒂斯塔·阿爾伯蒂（Leon Battista Alberti）和歐幾里得的啟發(fā)。德國人雅各布·科貝爾（Jacob K?bel）幾乎與達·芬奇同時提出了以人體定義計量標準的問題，并組織了16名成年男子，讓他們在星期天早上從教堂出來時，腳挨著腳地縱列對齊，以確定一個長度單位。他稱其為rood，源自類似的德國單位Rute，即當時古羅馬使用的長度單位“桿”。

歷史上統(tǒng)一計量體系的努力

人有其社會性，可以通過計量與自己的同類進行互動。因此，自人類文明誕生以來，人類社會就需要共享計量過程，這是群體逐步擴展和更加結構化的強大黏合劑。于是建立一種超越當?shù)厣鐓^(qū)狹窄邊界的計量體系的需求自然就出現(xiàn)了，過去的偉大文明——古埃及文明、古巴比倫文明、古希臘文明及拉丁文明，都對統(tǒng)一計量給予了極大關注，這絕非巧合。公元前1850年，古埃及法老塞索斯特里斯三世精心設計了一套測量尼羅河兩岸可耕地面積的系統(tǒng)，以便有效征收稅款；盧浮宮保存的一座著名雕像——拉格什的蘇美爾國王古迪亞手中拿著一把米尺；古羅馬道路上的里程石標明了該處到古羅馬首都的距離；正義女神忒彌斯是手持天平和長劍的形象。而計量本身及把它變得普適的能力都是權力的象征，它們也能夠帶來人與人之間的歸屬感與信任。

古迪亞國王把米尺放在膝上；古埃及人相信神明會用天平稱量死者的心臟，并決定他們死后的命運；在威尼斯共和國的市場里隨處可見一種石碑，該石碑的長度是測量各種待出售魚類所需的最小長度。即使在現(xiàn)代，計量單位的標準器具，例如米或千克的樣本，也保存在各國或地區(qū)的中心城市。計量標準是權力的象征，也是相互信任的象征。正是由于有我們信任的機構保留的標準器具，當我們按照質量或長度購買東西時，才會覺得沒有隨身攜帶計量儀器的必要。不過說實在的，當辦理登機手續(xù)、被告知隨身包太重不能作為手提行李登機時，我們所有人都會希望那個秤壞了。

計量制度是反映歷史事件的一面鏡子。隨著古羅馬帝國的衰落，歐洲進入了黑暗的中世紀，各地的社會與政治衰退在計量體系的逐步瓦解和地方化上也有明顯體現(xiàn)。而在更大范圍內統(tǒng)一計量體系的努力總是伴隨著意義深遠的歷史時刻或歷史事件，查理大帝就曾嘗試過統(tǒng)一計量體系，但沒有成功。幾個世紀后，英國《大憲章》就為貿(mào)易的體積、長度和質量制定了規(guī)則，其中第36條寫道：“全國應有統(tǒng)一的計量制度。酒類、烈性麥酒與谷物之量器，以倫敦夸脫為標準；染色布、土布、鎖子甲之寬度應以織邊以內兩碼為標準；其他衡器亦如量器之規(guī)定。”

計量當然不僅僅是西方文明的特權。正如羅伯特·克雷斯（Robert Crease）于2012年由美國諾頓出版公司出版的《平衡中的世界》（World In the Balance）一書中所述，中國的計量制度早在公元前2000年之前就已出現(xiàn)。統(tǒng)一中國的第一位皇帝秦始皇頒布的第一批法令中就有統(tǒng)一度量衡的規(guī)定。克雷斯還描述了非洲西海岸阿坎族的稱重系統(tǒng)的發(fā)展，該稱重系統(tǒng)將小型雕塑作為砝碼，自14世紀以來一直用于金粉交易。

法國大革命與計量單位的統(tǒng)一

到了17世紀，伴隨科學革命和隨之而來的科學方法的傳播，以及18世紀的法國大革命，歷史迎來了統(tǒng)一計量單位的兩個關鍵階段。現(xiàn)代科學方法建立在實驗、觀察和可重復性的基礎上。不管是為了對實驗進行描述，或是想要從中推導出新的理論，甚至是驗證或反駁現(xiàn)有理論，我們都需要一種通用語言，即計量語言。法國大革命建立在民主思想和反對專制統(tǒng)治的精神上。在一個以各派利益為主導的社會中，自由、平等、博愛無法得到滋養(yǎng)，這也導致了計量制度的不透明性和混亂性。據(jù)估計，那時法國有上萬種不同的計量單位，這讓屬于管理者的少數(shù)群體能夠從混亂中獲益，而大多數(shù)普通人只能被迫使用它們。

大革命需要統(tǒng)一、普適的計量制度。大革命前的法國對此已備感迫切，孕育統(tǒng)一計量單位的土壤已經(jīng)相當豐厚。在1789年法國國王路易十六緊急召開的三級會議上，要求統(tǒng)一和監(jiān)控計量單位的改革請愿書頻繁地出現(xiàn)。特別是對第三等級的資產(chǎn)階級和農(nóng)民來說，計量關乎勞動和生計，因此，裁縫要求“整個王國都采用統(tǒng)一的質量和尺寸”，而鐵匠要求“統(tǒng)一質量、統(tǒng)一尺寸、統(tǒng)一標準”，由此可見人們對統(tǒng)一計量單位的需求。

18世紀最后10年，公制終于在巴黎誕生，當時有6個單位被確立下來：米為長度單位；公畝為面積單位；立方米為體積單位；升為液體體積單位；克為質量單位；法郎為貨幣單位。其中，克（千克）和米作為基本單位至今仍在使用，這也是法國大革命的成果。1791年3月30日，法國國民議會將長度單位標準定義為通過巴黎的子午線從地球赤道到北極點的距離的千萬分之一。雖然理論應當即刻應用于實踐，但習慣卻一時難改，法國前首相弗朗索瓦·基佐（Fransois Guizot）花了將近半個世紀才頒布了一項法律，法國于1837年正式采用公制。

法國大革命后，統(tǒng)一世界計量標準的呼聲在國際上迅速擴展開來：1875年5月20日，17個國家在法國巴黎簽署了《米制公約》（Convention du Mètre），并依據(jù)該公約成立了旨在共同處理與計量單位相關事項的國際計量局（BIPM）。從那一刻起，世界性的計量工作開始了。現(xiàn)在，許多國家都有自己的官方計量機構。意大利的國家計量研究所（INRIM）設在都靈，履行著國家計量機構的職能。

國際單位制的確立

1960年10月10日所在的這一星期發(fā)生了兩件大事。一件發(fā)生在1960年10月15日的漢堡基什納利57號，這天是星期六。列儂、麥卡特尼、哈里森和斯塔爾在阿庫斯蒂克錄音棚（Akustik Studio）錄制了他們的第一張唱片，并演奏了喬治·格什溫（George Gershwin）的經(jīng)典作品《夏日時光》（Summertime）。另一件發(fā)生在1960年10月12日（星期三），在巴黎舉行的第十一屆國際計量大會（CGPM）上確定了國際單位制（SI），這是第一個真正意義上的國際通用計量單位體系。至此，漫長而崎嶇的計量發(fā)展道路上出現(xiàn)了一個具有深遠意義的里程碑。那時世界正處在冷戰(zhàn)中，國家間的邊界變得更加嚴苛，而計量的邊界卻被打破了。盡管可能有許多普通人認為前文提及的第一個事件對社會的影響更大，但事實上，正是第二個事件徹底改變了我們與世界的對話方式。

國際單位制最初由6個計量單位組成：米（m）表示長度、千克（kg）表示質量、秒（s）表示時間、安培（A）表示電流、開爾文（K）表示溫度、坎德拉（cd）表示光強。但最終的國際單位制有7個計量單位，因為1971年摩爾（mol）作為物質的量的基本計量單位加入了國際單位制。至此，一種通用和完整的計量語言被正式確定下來，它不僅可以計量我們生活中的物質，而且可以計量整個自然，從最隱秘的次原子粒子上的小坑到最廣闊的宇宙邊緣。

在現(xiàn)代社會，科學技術根本不可能離開計量單獨存在。沒有計量儀器的21世紀文明是不可想象的。時間、長度、距離、速度、方向、質量、體積、溫度、壓強、力、能量、光強、功率，這些僅僅是日常精確計量的物理參數(shù)中的一部分。

計量是一種我們通常認為理所當然、毫不稀奇的日常行為，它已經(jīng)滲透到我們生活中的方方面面，一旦計量儀器不起作用或無法使用，我們就會意識到計量的重要性。如果沒有時間計量，就不會有時鐘和早上的鬧鐘；如果沒有體積計量，我們就不會知道車里還剩多少汽油；如果沒有長度或速度計量，火車和飛機就無法正常運行；如果沒有各項身體指標的計量，我們的健康就會受到疾病的威脅；如果沒有電力計量，任何電子設備都無法正常工作。

自法國大革命定義十進制以來，科學技術取得了巨大進步。如今，我們擁有海量的高精度計量工具可用于驗證新理論的準確性，例如希格斯玻色子的測量或對引力波的探測。高精度計量是未來諾貝爾獎獲得者的必經(jīng)之路，也是所有科學領域的尖端研究不可或缺的部分。它們使我們得以抗擊病毒，也使天上的衛(wèi)星和口袋里的智能手機等現(xiàn)代設備得以發(fā)揮作用。

以自然為準，國際基本計量單位的新定義

7個國際基本計量單位是以國際單位制為基礎，其定義均來源于自然物體或現(xiàn)象，即所有人都可以獲得的東西。例如我們提到過的，“米”最初被定義為通過巴黎的子午線從地球赤道到北極點的距離的千萬分之一。但出于實際操作的原因，1889年“米”被重新定義為一根鉑桿上兩條刻線之間的距離。該國際米原器一直存放在位于塞夫爾的國際計量局，作為世界上所有“米”的長度標準。

“秒”的最初定義為地球自轉周期（即平均太陽日）的一定比例。不過，1960年，人們意識到這一定義不夠精確，因為一天的實際時間長度，即地球自轉周期是會變化的。于是，人們以地球公轉周期重新定義了“秒”。但僅僅幾年后，為了使其更加精確，人們就再次修訂了這一定義，將其確定為銫原子在給定能級之間躍遷時所輻射的電磁波的周期的倍數(shù)。

國際計量局還保存著定義千克的標準物，即所謂的國際千克原器，這是一個高和直徑均約4厘米的由90%的鉑和10%的銥構成的圓柱體。該國際千克原器取代了早期在法國通過的對千克的定義，即1千克相當于4℃下1升蒸餾水的質量。

盡管被精心保存，但該金屬圓柱體依舊隨著時間的推移發(fā)生了變化。國際千克原器與其他5個復制品于1889年一起制成，在后面的一個世紀里，它的質量減輕了約50微克。這似乎只是一件微不足道的小事，因為50微克大約只有一粒鹽的質量。但事實上，如果我們考慮到現(xiàn)代科學研究所要求的精度，以及“千克”用于定義力和能量等導出單位這一現(xiàn)狀，那么這個變化就足以動搖整個國際單位制的根基。人工制品的衰變，雖然在哲學上與它們的制造者——人類的短暫性一致，但與科學研究所要求的普遍性和確定性卻是絕不相容的。如果沒有可信賴的計量基準，新的科學也將面臨中世紀曾有過的風險。

于是，科學家對此進行了補救。2018年11月16日，國際計量大會決定不再以實物為標準物，而是根據(jù)精確、穩(wěn)定的物理常數(shù)（如真空光速或普朗克常量）重新定義國際單位。這些物理常數(shù)在基本物理定律和理論中也十分重要，比如光速對電磁學和相對論來說至關重要，而普朗克常量則是量子力學的核心。

選擇使用基本物理常數(shù)定義計量單位是一場哥白尼式的真正革命，即以不可變的方式確定計量的標準值，以常數(shù)本身定義國際基本計量單位。這意味著人們相信支配宇宙的自然法則是不變的，它們是比我們所看到或觸摸到的實物更穩(wěn)定、更堅實的東西，這也是現(xiàn)代計量體系的基礎。對科學發(fā)展來說，這是一場劃時代的革命；對人類來說，它也同樣意義深遠，但仍鮮為人知，現(xiàn)在就讓我們去發(fā)現(xiàn)它吧！

7個國際基本計量單位，共同譜寫一首向大自然致敬的贊歌。