王权的退位与国际单位制的变革

发表于《科技日报》嫦娥副刊,现在也做成了微信公众号文章,发表时改动不多。其实当时就约稿了,碰上我感冒所以拖了一阵,现在才想起来补上。

11月13日,在法国凡尔赛举办的第26届国际计量大会,通过了修订国际单位制的决议,把千克等四个计量单位改由物理常数定义。至此,国际单位制7个基本单位将全部改成了“自然”的定义。这一改革的成功,按照前任国际计量局局长特里·奎因(Terry Quinn)所言,是“自法国大革命以来度量衡领域最大的变革”。

在某种意义上,直到今天,这一场伴随着法国大革命发起的计量革命才真正完成。

度量衡的制定自始自终就不是一个纯粹的科学或技术问题,它总是受到政治因素的推动或阻碍。在中国,秦始皇建立了第一个中央集权的大一统王朝,统一度量衡正是要强化这种统治。相反,18世纪末的法国革命者们,恰恰是出于推翻专制,倡导平权的精神,狂热地推动着度量衡的统一。

传统的度量衡总是出于自上而下的权威,例如国王的脚掌经常成为长度单位的最高标准。而在底层,人们生活中实际应用的度量衡,又往往千差万别,难以互通,同一城市中不同行业所用的标准都可能难以互通,更不用说跨文化、跨国界的交流了。

革命者努力推翻权威,坚持人人平等的普世主义,因而既不接受旧度量衡的权威性,也不接受其混乱性。但在反权威的同时又要消除混乱,达成统一,这又如何可能呢?

包括拉瓦锡在内,许多科学家都投身于新度量衡的创立之中,他们的思路很简单:度量衡的统一必定要基于权威,但这“权威”不能是国王或某些特定的人,我们可以让“自然”本身扮演最高的权威。

“自然标准”是建立一个全新的国际单位制的指导原则,人们希望哪怕在山崩地裂,任何一个中央政权被夷平之后,度量衡系统仍然能够随时恢复运转,并保持一致。

历经波折(例如拉瓦锡被革命者送上断头台)之后,法国人终于建立了一套全新的度量衡制度,他们把经过巴黎的子午线长度的四千万分之一定义为米,然后用边长1/10米的立方体定义为升,再用1升水在4度时的重量定义为千克。

但以子午线为基准显然还不够完美,首先人们不可能在每次需要测量长度时先去绕地球跑一圈,测量子午线长度的工程颇为繁琐,法国科学院派出了多支科考队,以多种方式测量地球的大小,这一工程堪称是那个时代的阿波罗计划。但这一工程不可能经常进行,所以在实际颁布米制标准时,是依据基于测地考察而制造出来的米原器和千克原器这两个合金器物,它们被定义为米和千克,依据它们制作的复制品后来被分发给接受米制的各国科学机构。

所以说,最初的公制单位事实上有双重定义,一是基于自然的定义,二是操作性的、基于实物的定义。而这双重定义之间的冲突始终悬而未决。

比如,随着测量技术的进步,每一次重新测量子午线长度,都可能得到一个更新的数值,但米原器并不能随时变化自己的长度。如果坚持“自然标准”,那么实际测量中适用的米尺将被不断重置,但如果坚持米原器为最高标准,那么所谓的自然标准还有什么意义呢,难道只是一个自欺欺人的噱头吗?

英国人受到法国人的影响,在1824年也颁布了新的度量衡法,他们不满意以法国巴黎为中心的米制标准,而试图把自己的长度单位(码)建立于秒摆之上,即以一定周期的单摆的摆线长度来作为基准。讽刺的是,就在1834年,因为一场意外大火破坏了刚刚建立起来的长度标尺,当英国人试图基于自然标准重建度量尺度时,立刻就遭遇了挫折,他们发现秒摆的不确定性太高了,精确性根本靠不住,最后只能用旧尺子的复制品重新定义标准尺。[1]

在随后的一百年里,科学家们实质上从法国大革命过高的理想中妥协下来,不再寄希望于山崩地裂后仍能随时复现的自然标准,而是在对“原器”的制造和保管方面多花心思。在1889年,第一届国际计量大会中,确立了用铂铱合金制成的新的米原器和千克原器。

按照约定,原器本身就是计量单位的严格标准,千克原器永远都是1千克。计量原器虽然国王的脚无关,但它仿佛仍是一种至高无上的权柄,是量器中的王者,颁布着绝对的标准。但谁来衡量国王呢?千克原器本身的准确性又有谁来衡量呢?答案是,其它以相同工艺同时生产出来的副原器。通过总共6个副原器和千克原器之间互相称量,人们才能了解千克原器的重量变化。结果是,100年后,几个副原器相对而言增重了约50微克。也许我们应当说:其实是千克原器变轻了,但吊诡的是,我们不能这么说,在制定新的标准之前,即便千克原器被刮走一层皮,它在名义上仍然是1千克。

科学家们当然不满足于这种窘境,法国大革命以来,让自然成为唯一的权威这一理想始终未被放弃。人们意识到,仅仅在自然界找到一个确定的基准是不够的,更重要的是,我们的技术手段必须达到足够的精确性和可重复性。各国的计量机构不再需要再去法国领取计量原器的复制品,而是可以随时根据统一的标准生产出各自的量器。

又一个一百年间,计量学家们的任务除了继续小心保管(特别是经历了战火的威胁)法国巴黎的两个原器之外,最大的课题就是建立一个全面的(包括秒、安培等其它全部基本物理量)和基于自然的度量体系。长度单位率先引回了自然标准(最初是通过光谱,随后通过光速),随后是坎德拉和秒。今年,随着千克等四个单位的重新定义,这一延续200多年的宏伟工程终于告一段落。

法国巴黎最终如愿以偿地失去了至高的权威,把权杖交还给大自然。但事实上,掌握着权柄的始终是科学共同体,所谓的自然化,实质是普世化、去中心化。在新制度下,巴黎不再是中心,没有一个特定的人或城市享有特权。科学研究是自由、平等、普世的,这正是法国大革命者留下的科学遗产。

 

[1] 克里斯:《度量世界》,卢欣渝 译,生活·读书·新知三联书店2018年,第94页。

关于 古雴

胡翌霖,清华大学科学史系助理教授。本站文章在未注明转载的情况下均为我的原创文章。原则上允许任何媒体引用和转载,但必须注明作者并标注出处(原文链接),详情参考版权说明。本站为非营利性个人网站,欢迎比特币打赏:1YiLinDDwvBLT19CTUsNHdiQhXBENwURb

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