计量测试技术的前世今生

　　《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值，介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果，推动产学研密切协作，促进科技成果转化，服务经济转型发展。

　　计量测试技术在推动人类文明进步中发挥了巨大作用，在科技、经济和社会发展中有着举足轻重的地位。

　　说到计量，人们自然而然地会提到测量长度的“尺”或称重的“秤”等计量器具。不过，这类器具只是计量技术应用的一部分。自古以来，计量早已融入并植根于人们生活的各个方面。它不仅与科学发现、科学技术研究密切相关，还与知识形成、国家治理、生产力发展、生活质量提高、文化繁荣、社会文明等人类活动的各个方面休戚与共、相伴而生。计量测试技术的应用范围之广，对人类影响之深可称之“最”。如果离开了计量，人类文明将停滞不前，人类的生产、生活和社会秩序都将难以想象。

　　今天所讲的“计量”，古时称“度量衡”，其中包含测量单位、测量工具(器具)、测量方法以及相关法律制度等。新中国成立后，我国政府将“度量衡”更名为“计量”，其应用范围更加广泛，功能和作用更加全面。

　　计量是保证测量单位统一和量值准确可靠的活动，而测量则是人类与生俱来的一种能力。人的五官、四肢、皮肤等都具有测量的功能。人们通过对外部世界的测量与观察，不断深化对自然的认识，进而积累经验，发现规律，并逐步建立起人类知识体系。要实现准确的测量，通常需要先建立一个用于测量的参照物，又称计量标准。没有这种参照物，人们就无法准确获得并描述远或近、长或短、轻或重、冷或热等测量的结果。如今所称的“计量标准”，实际是由法律确定并提供人们在测量同遵照的普适标准。人类早期使用的测量标准多以人的肢体或某种谷物为代表，最初在出现文明萌芽的群体或部落中使用。当人类开始从事生产和贸易活动后，这类标准的应用范围开始扩大，其可量化的特点被更多族群接受，进而被王权或神权赋予其法律地位，成为一个国度公认且具有权威地位的测量标准，并逐渐演变为历代政权统治、生产、贸易和国家赋税的重要工具。在北京故宫的太和殿前，陈设着测量时间的日晷和测量容积的嘉量，就是历代封建王朝象征国家一统的权威重器，也证明我国古时度量衡的崇高地位。

　　现在，人们会常用到“科学”一词。在我国古代最早一部字典《说文解字》里，对“科”字的解释是“从禾从斗，斗者量也”，“科学”就可解释为“关于测量的学问”。虽然这个解释不够全面，但是与今天人们对“科学”的释义有一个共同点，即只有被测量验证的预言、假说或推论才可以真正进入人类知识体系，才能被称为科学理论。正如“化学之父”门捷列夫所说：“没有测量，就没有科学。”

　　考古发现，现今伊拉克的底格里斯河和幼发拉底河流域曾有过一个“苏美尔”民族，遗迹距今已超过6 000年。当时，苏美尔人已经使用“肘尺”作为长度测量标准，还建立了测量谷物、酒、油容量的专门量具。苏美尔文明之后，早期的测量标准逐渐在古埃及、古印度等文明发源地流传，后来又被其他国家或民族广泛使用。

　　中国是人类文明发源地之一。相传在先秦时期，华夏民族宫廷乐器就使用一种“黄钟律管”来定音。据考古研究，黄钟律管不仅是乐曲，还是当时集尺度、容量和权衡为一体的测量标准。《汉书?律历志》记载了“虞书日‘乃同律、度、量、衡’，所以齐远近、立民信也”，意指只有统一律、度、量、衡，才能取得远近国家和老百姓的信任。2011年，汉代海昏侯墓中首次发现了两件玉制的黄钟律管，正是当时国家法定的律、度、量、衡的基准器。

　　我国是最早进入农耕时代的国家。随着古华夏生产力水平提高和商品贸易扩大，早期计量测试技术的应用已经十分广泛。《孔子家语》中就提到了“布手知尺”“布指知寸”“舒肘知寻”“掬手为升”等多种测量方法。考古发现，早在新石器时期，我国先民已经掌握了用准确测量方法制作生产工具和陶器。在夏商周时期，相传大禹治水时曾动员大量人力开挖水渠，因没有长度测量标准，工程难以进行。大禹就用自己身高、体重作为测长、测重的标准，创造出规(测圆)、矩(测方)和准绳(测长)，终于完成了治水工程。到了战国时期，统一国家测量标准已成为各国变法改革的迫切愿望，当时的权衡、方升、圭表等成为国家法制管理重器，也成为政权统治不可或缺的手段和工具。

　　早期出现的计量标准与人类文明的起源基本吻合，直到2019年国际上最后一个实物“质量千克基准”退出历史舞台，以人为本的实物计量标准实际已历经了万年之久。计量标准的演变大致经过了4个阶段。

　　第一阶段在新石器时代出现，其特征是用人体或特定实物为参考标准。例如，英制计量单位的“英尺”，最初是用英王的脚长作为标准，至今英尺仍用“foot”表示。在我国古代，长度、容量等计量标准通常将特定谷物以数量排列作为标准。例如，汉代长度标准是按主要粮食作物黍和粟排列来确定的，当时100粒黍子横排约合现今23厘米，与汉代尺的长度基本相当。

　　随着生产力发展，早期以人体或实物作为计量标准已不能满足准确测量的需要。因此，人们转而寻找变化更小、更稳定的宏观自然物作为测量标准。计量标准的演变进入第二个阶段。最先用宏观自然来定义的是“时间”。人类通过几千年日积月累地观察和测量，逐步发现地球、太阳、行星等天体运行的基本规律，并按地球、太阳的运行规律来测量“时间”。早期计时工具为水漏或沙漏，此后又演变为用日影或月影来标定时间和节气。

　　18世纪以后，法国人开始采用地球子午线长度作为长度“米”的标准，还用4 ℃时1立方分米水的重量来定义质量“千克”，从而建立了更加稳定、精确且可供全人类使用的测量标准。20世纪后，随着物理学研究不断深入，逐渐由宏观自然转向了物质微观领域，计量标准进入第三个发展阶段。1960年，长度“米”和时间“秒”两个基本物理量单位率先采用了物质内部运动规律的定义，使人类测量准确度出现了惊人的飞跃。例如，用原子时取代了天文时后，测量准确度从原来每30年误差不到1秒提高到几千万年误差不到1秒，为人类进入深空探测和迈向信息时代奠定了十分重要的基础。

　　不过，在计量测试技术蓬勃发展中，按原子运动规律定义的计量标准很快被一种新的路径取代，发生了计量标准发展的第四次转变。1983年，人类首次将长度“米”的定义与光速(即自然常数c)联系起来。此后，科学界又经过30多年努力，到2018年11月13日终于实现7个基本物理量单位的全面量子化定义。这是一个具有划时代意义的事件，计量标准从此将从根本上消除人为因素或自然灾害带来的影响，迈向广漠宇宙和大自然泛在的新时代。

　　与其他文明古国不同，中华民族5000年文明史之所以没有断代，其中很重要的原因是我国最先统一了度量衡制度。战国时期，秦国秦孝公即位后决心图强改革，商鞅从卫国入秦后，向秦孝公提出废井田、重桑农、奖军功、统一度量衡等变法改革策略，深得秦孝公信任。在商鞅变法前，秦国各地度量衡制度混乱，秦国很难有效征收税赋。商鞅专门制造出统一的度量衡器具，并刻上秦孝公监造铭文，以官方器物形式发放到全国，解决了征收税赋的难题。商鞅变法后，秦国经济得到迅速发展，一跃成为战国后期经济和军事最强大的国家，为后来秦始皇统一中国奠定了基础。如今，上海博物馆的镇馆之宝之一“商鞅铜方升”，就是“商鞅变法”时期的一件重要历史证物。

　　公元前221年，秦始皇统一中国并实行中央集权，颁布了“车同轨、书同文、统一度量衡”的诏书，这是一件载入史册的历史事件。在秦始皇统一度量衡制度后，中华民族的经济、科技和生产力都出现了巨大发展，中华民族从此进入史无前例的兴盛时期，立足于世界民族之林超过了1500年。

　　在我国5000年文明史中，涌现出许许多多计量测试技术的重大发明创造。在近现古中出土的商代骨尺、战国铜矩尺、周公观测日影的天文遗址、春秋时期铜权、战国的铜釜、战国时期楚国竹衡杆秤和铜环权、秦代的陶量、西汉的铜漏，以及唐代以后张衡水运浑象仪和地动仪、指南车与记里鼓车、郭守敬的高表测影、元代的漏刻、明代的戥秤、郑和下西洋的航海仪器等，反映出我国古代计量测试技术在世界的领先地位。其中，有两件举世瞩目的国之瑰宝。一件是1992年东汉墓考古出土的西汉新莽始建元年的测长工具“铜卡尺”，比西方人发明卡尺早了1000多年，被国外列入“改变世界的100项发明”之一。另一件是现今保存在我国台北故宫博物院的“新莽铜嘉量”。这件器具是公元9年制造的，用一个器具可以对“龠、合、升、斗、斛”5个量进行测量，是一件还原我国古代计量测试技术高度发达的珍贵文物。

　　西汉时期，随着国力不断增强，我国对外贸易日益增长，形成了横跨欧亚大陆的“古丝绸之路”，并延续了1500年之久。据文献记载，古丝绸之路沿线有不少国家当时在贸易中就采用了我国的度量衡器具开展交易和结算。同志曾说，“百代皆行秦政治”，精辟地概括了我国几千年文明与秦代政治制度和法律的关系。我国历史上多次改朝换代，但在新王朝建立时，多会改变度量衡单位，目的是摧毁前朝政治体制。可见，“计量单位制”对建立、维护和巩固政权都具有重要作用。

　　西方文化和科学技术多以实证为基础，计量测试技术不仅是科学发现的主要手段，也成为验证科学理论不可或缺的方法。在史前，西方人已开始对自然进行各种测量和观测，最初采用的参照标准多以人体或实物为代表，与我国最早的度量衡形态相似。例如：英国曾以英王亨利一世鼻至指之间的距离定义一个长度单位;德国则以最先走出教堂的16个男子脚的1/16作为一个长度单位。

　　西方宗教信仰多崇拜太阳，因此，西方历法也称“太阳历”。在古代，西方学者和占星家为了开展天文观测，发明了许多用于测量和观测天象的仪器或工具。例如，在文艺复兴时期，意大利天文学家哥白尼为了证明并推翻托勒密的“地心说”，曾在1497年3月9日利用“捕星器”和“三弧仪”等仪器准确测定并获得了金牛座亮星“毕宿五”隐没的时间数据。哥白尼在撰写的《天体运行论》中，观测计算所得的恒星年时间与现在精确测量的结果误差在百万分之一，他通过测量获得了月球到地球的平均距离等与现在精确测量的结果误差仅为万分之五。在哥白尼后，意大利科学家伽利略发明了摆针、温度计和天文望远镜，开创了以实验事实为依据的近代科学理论体系，也为之后牛顿建立物理学理论体系打下基础。

　　在西方自然科学理论形成过程中，古希腊著名学者亚里士多德的学说长期占统治地位。由于亚里士多德在天文学、物理学、哲学、文学等领域都作出非凡贡献，影响力巨大，在他死后的近千年里，西方竟无人能超越。直到17世纪后半叶，在英国终于出现了一位伟大的科学家——牛顿。牛顿在《自然定律》中描述了万有引力和三大运动定律，不仅为此后3个世纪物理世界的科学观点奠定了基础，也成为现代工程学的重要基础。牛顿的物理学理论源自他在测量中的发现。由于牛顿的科学发现和理论引入了物理量的概念，人们把牛顿物理学又称为“关于测量的科学”。在自然科学史中，计量科学与物理学相伴而生，并成为物理学的重要分支。近现代计量科学的研究成果也对物理学革命产生了重要的推动作用。牛顿发现，引力服从于一个普适定律：“中心相距某一距离的两个质量之间的力与两者中的任何一个的质量成正比，并与它们的中心之间的距离的平方成反比。”这个比例常数在宇宙任何地方应该是相同的。牛顿建立的引力常数对此后计量单位定义产生了极为重要的影响和作用。

　　如果说亚里士多德是西方的科学先驱，哥白尼的“日心说”构建起西方国家的近代科学体系，那么牛顿在物理学领域创建的理论和成果则是载入人类史册的最伟大科学成就之一。在牛顿奠定物理学理论基础后不久，西方就爆发了第一次工业革命，出现了理论、知识、发明创造、技术应用与生产力和地区间贸易共同发展的宏大场景。19世纪电磁理论应运而生，进一步拓展了人们认识自然的视野，也为各国统一测量单位和建立高准确度计量基准奠定了重要的基础。

　　在18世纪以前，法国各地区有上百种不同的计量单位，严重影响国内贸易。直到法国大革命前后，法国才建立起统一的长度计量标准，称为“米”。法国建立的“米”是一把用合金材料制作的尺，定义为地球子午线的四千万分之一。法国人明智地把“米”的定义与地球子午线的长度联系起来，使长度测量标准对应到更稳定的地球上，也使长度测量的准确度显著提高，这不仅为第一次工业革命建立了统一、精准的测量标准，也为20世纪出现的经济全球化浪潮奠定了基础。

　　1875年5月20日，17个国家在法国巴黎签订了《米制公约》，法国人创造的“米”和“千克”从此成为通行世界的“国际单位”。到2019年，“米制公约组织”成员共包含193个联合国成员中的109个，囊括了所有工业化国家和主要贸易国，成员的国内生产总值之和占全球总值的98%。为了让公众进一步了解计量，鼓励并推动各国计量领域发展，加强各国计量交流与合作，1999年10月举行的第21届国际计量大会根据计量科学家的提议，决定把签订《米制公约》的5月20日命名为“世界计量日”。

　　计量测试技术以精准测量为目标，它的每一项微小进步，都可能对世界未来产生深远的影响，并可创造巨大的物质和精神财富。在此，仅以20世纪以来取得的部分计量测试技术成就来展示它给世界带来的改变。

　　在量子理论出现以前，牛顿经典物理学理论一直在自然科学领域占统治地位。但是，经典物理学理论主要揭示宏观物理现象，却无法解释物质在微观领域的运动规律。直到20世纪初出现的量子力学理论，才从根本上改变了人类对物质结构及其相互作用的理解，量子力学理论也成为20世纪以来人类取得最为重要的科学成就。

　　计量科学在量子力学中占有重要的地位。20世纪至今，已有20多项计量科学研究成果获得诺贝尔物理学奖，还有70多项诺贝尔物理学奖的科学发现与计量测试技术密切相关。这些重要科学成就对20世纪中后期出现的科学进步浪潮和产业变革都产生了至关重要的作用，催生出无数新技术和新兴产业，并把人类社会带入全新的信息时代。

　　激光的机理源于1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时的假说。随着计量测试技术的发展，1950年，法国波尔多两位中学教师发明了“光泵激”技术，这一技术后来被用来发射激光。1960年，美国科学家梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。这束仅持续了三亿分之一秒的红色激光，标志着人类文明的一个新时代来临。激光技术具有与电磁波相似性质，且频率极其稳定。激光技术的发明让计量测试技术如虎添翼。1960年，长度计量的“米原器”时代被彻底终结，人类从此迈向“量子时代”。如今，激光技术已广泛应用于科学研究、通信、医学、高准确度测长、精密制造等领域，被称为“技术革命的领头羊”。

　　传感技术可以追溯到1 000多年以前。公元132年，我国的张衡就发明了地动仪，能测量并感知地震的方向。19世纪后，随着电学理论的形成，人们对电的认识不断深化。1930年，美国科学家鲁宾发明了温度传感器，也称热敏电阻，其电阻会根据温度发生变化。随后，各种传感器被相继发明出来。传感器的发展共历经了结构、固体和智能三个阶段。如今，传感器和通信、计算机成为现代信息技术的三大支柱。

　　传感器是测量并获取各种信息和实现自动控制的主要手段，能够感知并获取几乎所有物理量参数和信息。进入21世纪后，传感技术迅速地融入人类生产和生活的各个方面。如今，一部手机内就植入了数十至上百个传感器，能对人体健康状况、地形探测、视觉影像等多种参数进行测量。在物联网的推动下，传感技术的应用范围正不断扩大，已经遍布人类所有活动，发挥了改变世界的重要作用。

　　纳米是长度计量单位。1纳米等于十亿分之一米，相当于一根头发丝直径的十万分之一。研究证明，在0.1～100纳米尺度范围内，物质的性质会发生突变并出现特殊性能。纳米技术自20世纪80年代开始研究并取得突破得益于一项重要发明——扫描隧道电子显微镜。通过这种计量测试仪器，人类可以直接观察并操纵单个原子或分子，进而创造新的材料。纳米技术不仅可以改变材料结构，还可以用于芯片制造等高端产业技术领域。当前，纳米技术在医疗、健康以及生活等各方面的应用越来越广泛。例如：将纳米技术制造的纳米机器人注入人的血管后，可以自动清扫沉积在血管上的血脂污垢，使人的血管重新焕发青春;采用纳米材料的功能服装面料，虽然轻薄却非常耐寒;纳米食品包装材料可以让肉类在常温下长期保鲜不变质;用纳米石墨烯材料制造的汽车动力电池，充电几分钟就可以续航1000千米以上。在21世纪的前20年里，纳米技术的发展已经创造出许多高新技术产业，将不断造福人类。

　　2020年6月23日，我国西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功将北斗3号系统最后一颗卫星送入太空，标志着我国北斗卫星系统55颗卫星全球组网成功。1957年10月，当苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星后，美国霍普金斯大学两位年轻学者在接收该卫星信号时，发现了卫星与接收机之间形成运动多普勒频移效应，并断言这种效应可以用来导航定位。根据他们的建议，美国于1964年建成了世界上第一个卫星导航系统。此后，美国的全球卫星定位系统(GPS)在军事、商用领域得到全面应用。利用卫星进行导航定位，其中的关键技术是在卫星上搭载的超高准确度原子钟。这种精准的时间计量标准装置由地面的时间频率基准进行授时，准确度可以达到10-12或更高量级。随着时间计量的准确度持续提高，卫星定位也更为精准。目前，全球卫星定位系统不仅可用于车辆、船舶等交通工具的导航或追踪，还广泛应用于工程测量、特大钢结构吊装、跨海桥梁基础打桩定位等方面。卫星导航定位最早先被应用在军事领域，如巡航导弹通过卫星定位制导，可以精准打击并摧毁数百公里外的军事目标，成为现代战争的利器。

　　当今世界，计量测试技术的应用领域极其广泛，很难一一列举。总结计量测试技术的前世今生，可以看到这项技术在科技、经济和社会发展中具有举足轻重的地位，不仅应用领域和范围非常广泛，也代表着一个国家科技与产业的实际竞争力。如今，计量测试技术已进入量子化阶段，它将继续孕育大量的新技术、新产业和新生态，并被联合国定义为人类社会可持续发展的主要支柱之一。总之，量值定义世界，精准改变未来，计量测试技术带来的变化将永无止境。

　　高健强，上海市计量协会重大项目部部长，高级工程师，国内计量领域知名战略研究专家，曾主笔《量以载道》等多部计量科普专著，先后撰写计量科普文章近千篇。

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