自有文明以來,測量就一直是詮釋社會、政府和進步的助力。當(dāng)分割土地、種植莊稼、建造宮殿、貿(mào)易商品、征收個稅、保存記錄和慶祝節(jié)日時,都必須將長度、面積、體積、角度、重量、價值、語言和時間量化和系統(tǒng)化。現(xiàn)代社會中,測量已經(jīng)擴展到收銀機、通信衛(wèi)星和大腦掃描儀。它通過檢查、利率、選舉和民意測驗等手段,幾乎規(guī)范著我們生活的各個方面。
本書全部用插圖概述的方式解釋了測量單位和測量儀器背后的意義,并說明如何在電子、地球和星辰等物質(zhì)世界以及人體和意識中使用測量。
本書有的是迷人的歷史,有的是前沿的科學(xué),共同探索了從溫度、地震和放射,到音樂、血液和社會觀念等一切可以測量的對象,以及法國大革命期間米制的起源。它帶領(lǐng)讀者領(lǐng)略從已知世界邊緣的哈勃望遠鏡圖像,到意識深處的智力測驗的故事。
譯者序
測量具有悠久的歷史,是人類文明繁榮的必要條件。人類對數(shù)和量的認(rèn)識,可以追溯到原始社會。原始的測量幾乎和人類本身一樣古老,F(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的最早泥板文獻來自美索不達米亞,刻于公元前4000年末,記錄了勞動力等級制度和國家機構(gòu)發(fā)放給勞動者的口糧數(shù)量。我國古代早期,民間確定測量單位量值的方法則是“布手知尺,布指知寸”。所有測量都力圖用數(shù)字和統(tǒng)計來簡化和表達世界。
隨著人類進步,測量范圍不斷擴大,測量精度也逐步提高,出現(xiàn)了專用的測量單位和器具。隨著朝代更迭,制度變遷,這些測量單位和器具既傳承又變化。
當(dāng)今世界測量已經(jīng)與人們的生活方式緊密相連,測量無處不在,例如時鐘、電表、溫度計、衣服尺碼、食品保質(zhì)期、酒精含量、體育比賽成績、銀行賬戶、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、無線電頻率、問卷調(diào)查、人口普查以及其他形式的測量。發(fā)達國家的政府通過精密測量和稅收對現(xiàn)代城市進行管理。英國科學(xué)家開爾文勛爵說:“實現(xiàn)測量并能用數(shù)量表述,才算真知;不能測量又不能用數(shù)量表述,說明學(xué)識淺薄、知之不夠。\"
測量技術(shù)的發(fā)展與經(jīng)濟、社會發(fā)展需求相適應(yīng)。大規(guī)模機械生產(chǎn)的發(fā)展,對零部件提出了互換性要求。貿(mào)易活動的日益擴大提出了建立統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)的要求。一旦這些標(biāo)準(zhǔn)建立起來,不同人在不同時間、地點進行的測量過程就有了統(tǒng)一的依據(jù),測量結(jié)果可以相互比較。也就是說,測量過程可以溯源到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這種可以溯源到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的測量就稱為計量,而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)就是計量標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于測量及其應(yīng)用的科學(xué)稱為計量學(xué)。雖然計量學(xué)在公眾心目中,甚至在學(xué)術(shù)界都沒有太高的名氣,但計量學(xué)的研究卻為世界性的測量體系的建立提供了技術(shù)基礎(chǔ)。我國政府在過去幾十年來,一直對計量工作給予充分的重視。1999年,中國計量科學(xué)研究院代表中國政府正式簽署了《國家計量基(標(biāo))準(zhǔn)互認(rèn)和國家計量院簽發(fā)的校準(zhǔn)與測量證書互認(rèn)》協(xié)議。目前我國已有1266項國際互認(rèn)的計量標(biāo)準(zhǔn),排名亞洲第一,世界第四。一批前沿的科研成果達到國際先進水平,一批自主科研成果服務(wù)我國經(jīng)濟和社會發(fā)展需求,但仍存在重技術(shù),輕\"文化\"現(xiàn)象。世界各國的計量都對世界文化的發(fā)展和傳承有著深遠的影響。《測量的故事》這本書給我們闡述了廣泛的測量,小到\"原子\"和\"思想\",大到\"宇宙\"和\"社會\"。通過一系列測量的故事,向讀者展示了測量的世界、計量的歷史,深入淺出、感同身受。
本書適合所有對測量以及計量文化感興趣的人員閱讀。
中國質(zhì)檢出版社為本書從策劃到出版提供了有力幫助和支持,國家質(zhì)檢總局計量司及北京市科協(xié)對本書的出版提供了經(jīng)費支持,在此表示衷心的感謝。本書主要由中國計量科學(xué)研究院的同志完成翻譯并審讀,由于專業(yè)知識和時間的限制,書中肯定會有不妥之處,懇請各位讀者對本書提出批評和建議,以便于我們不斷修訂、完善。
《測量的故事》編譯組
2016年6月
北京
安德魯·魯濱遜,著有暢銷書《喚醒沉睡的文字》(The Story of Writing)和阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)、托馬斯·楊(Thomas Young)和薩蒂亞吉特·雷伊(Satyajit Ray)等受歡迎的名人傳記。他曾任泰晤士報高等教育增刊(The Times Higher Education Supplement)文字編輯,現(xiàn)在是劍橋大學(xué)沃爾森學(xué)院(Wolfson College, Cambridge)訪問學(xué)者。
引言 1
第一篇 測量的含義 12
第一章 米制的由來 14
古希臘人對地球的測量·經(jīng)緯度·地球形狀的研究·測量米·國際米制化進程
第二章 數(shù)字與數(shù)學(xué) 26
計數(shù)與會計·算籌,結(jié)繩與算盤·古代數(shù)字·數(shù)基·零和無窮大·坐標(biāo)·幾何學(xué)·黃金分割·分形·數(shù)學(xué):自然科學(xué)?人文科學(xué)?
第三章 常用單位 40
重量與密度·長度與距離·面積與體積·角度·貨幣與價值·時間
第四章 儀器與技術(shù) 58
準(zhǔn)確度和精密度,誤差和不確定度·一根繩子有多長? ·望遠鏡·顯微鏡·溫度計·氣壓計·地震儀·蓋革計數(shù)器·光譜儀·激光器·國家計量機構(gòu)
第二篇 對自然的測量 74
第五章 原子 76
原子與量子論·原子鐘·放射性與同位素·元素周期表·離子與化合價·化學(xué)濃度·酸堿度·體積與壓強·溫度與能量·質(zhì)量與千克基準(zhǔn)·材料、應(yīng)力及應(yīng)變·輻射與顏色·相對論·聲音·電和磁·納米技術(shù)
第六意 地球 100
羅盤·土地勘測·衛(wèi)星·氣象與大氣層·風(fēng)暴、颶風(fēng)和龍卷風(fēng)·閃電·氣候變化·地質(zhì)年代·板塊構(gòu)造論·地震·海嘯·火山·礦物、鉆石和黃金·物種
第七章 宇宙 130
日心說·行星運行·月球·行星·太陽·恒星·彗星·黑洞·自然界中的常數(shù)·宇宙膨脹及大爆炸
第三篇 對人類的測量 150
第八章 思想 152
語言·詩節(jié)韻律及韻律分析·旗語和莫爾斯電碼·文字系統(tǒng)·速記·紙張大小和圖書開本·圖書與圖書館分類法·字體排版·攝影·計算·工具、釘子及螺絲·音樂與歌唱·IQ和智力
第九章 人體 170
人類基因組·血液·醫(yī)學(xué)掃描·眼睛與鏡片·身體質(zhì)量指數(shù)·卡路里和食品添加劑·酒精含量·空氣質(zhì)量與花粉量·防曬系數(shù)·醫(yī)學(xué)處方·疾病潛伏期·疼痛·壓力因子·紡織品與托格值
第十章 社會 188
日歷·時區(qū)·郵政編碼·民意調(diào)查·人口普查·ID、真相及謊言·種族·軍銜·槍支口徑·經(jīng)濟學(xué)·彩票與賭博·體育與比賽·集合名詞
后記:萬物之尺 206
延伸閱讀 212
圖片來源 214
索引 216
國際米制化進程
從法國大革命到1960 年引入國際單位制(SI)的一個半世紀(jì)里,米是通過保存在巴黎附近塞夫勒的國際計量局的金屬尺長度來規(guī)定的,其復(fù)制品已分發(fā)給各國的國家標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)。在1889 年,用致密的鉑銥合金制造了一個新的原型尺。該原型尺橫截面為X形,目的是使得支撐良好時,下垂和變形最小。在兩端的拋光面上有細的水平標(biāo)線,適合用千分尺進行可視設(shè)置,較粗的垂直線則用于監(jiān)測在0 ℃ ~20 ℃范圍內(nèi)的金屬膨脹。標(biāo)準(zhǔn)長度始終在0 ℃下測量。
這種金屬尺的缺點很明顯。在20 世紀(jì)的上半葉,科學(xué)家們想盡各種辦法,尋找用光波波長重新定義米長度的技術(shù),即可以在任何實驗室利用適當(dāng)設(shè)備進行測量的恒定標(biāo)準(zhǔn)。1960 年,用氪的譜線重新定義了米。隨后在1983 年,現(xiàn)行基于光速的米定義被采納:如今1 m 等于光在真空中(1/299792 458)s 所行進的距離。下表列出了米的可測量準(zhǔn)確度的改進過程:
時間 定義米的基準(zhǔn) 準(zhǔn)確度
1791年 地球子午線四分之一的千萬分之一 ±0.06 mm
1889年 原型尺 ± 0.002 mm
1960年 氪的波長 ±0.000007 mm
1983年 光速 ±0.000 000 7 mm
至今 同上,用改進后的激光器 ±0.000 000 02 mm
米制在全球的普及見第9頁。繼法國之后采用米制的國家都是受法國規(guī)則直接影響的鄰國。令人驚訝的是,在1815 年拿破侖倒臺之后,低地國家(Low Countries) 仍在繼續(xù)使用米制。在1840年之前法國新舊計量體系的妥協(xié)時期,盧森堡、荷蘭和比利時仍然遵循米制。
西班牙在19世紀(jì)50和60年代推行了米制。隨后,作為各自政治統(tǒng)一的一部分,德國和意大利也采用了米制。不久后,葡萄牙、挪威、瑞典、奧匈帝國和芬蘭等國紛紛加入這一陣營。到1900年,遠超一半的歐洲國家推行了米制。殖民帝國扮演著他們預(yù)期的角色。在20世紀(jì)下半葉之前,西班牙的米制化意味著其在南美洲剩余殖民地計量體系的改變(至少是官方的),法國的米制化則支配著阿爾及利亞和突尼斯。而英國遲遲未采用米制,使得澳大利亞、加拿大和印度的米制化延遲到了20世紀(jì)后半葉。
1918 年,蒙古國改用米制,是第一個改用米制的亞洲國家。隨后, 20世紀(jì)20年代,阿富汗與柬埔寨也改用米制。在日本,米制遭到強烈反對,直到20 世紀(jì)50 年代才完成米制的轉(zhuǎn)變。而中國的米制化則要等到1959年,也就是新中國成立之后第10年。至于在前蘇聯(lián),十月革命之后的1924年就推行了米制,是政治劇變推動了米制化。
英國政府在1965年正式承認(rèn)了米制,然后在1979年恢復(fù)了英尺,并廢除了米制化委員會。自1974 年以來,英國的學(xué)校一直教授著米制,同時包裝上除了用英制外,也逐漸引入了米制,但是卻沒有打算改變道路標(biāo)志,而且新聞報道也隨意混用英制與米制單位。要英國接受米制可能還需等待十年一一大約自1965年算起,像法國從1791年—1840年需要半個世紀(jì)的時間一樣!
至于美國,則沒有絲毫政治意愿推行米制。甚至在科學(xué)領(lǐng)域,舊的計量單位有時與米制一起使用。比如1999年發(fā)生的一件令人哭笑不得的事,由于一個設(shè)計團隊使用了傳統(tǒng)的單位,而另一團隊則使用米制單位,導(dǎo)致美國國家航空航天局向火星發(fā)射的探測器在太空中失聯(lián)。在美國民眾中,蓋洛普(Gallup)民意測驗表明,從1971年—1991年,人們對米制的認(rèn)識從38個百分點增長至80個百分點,但是贊成采用米制的卻從50個百分點降至26個百分點。
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