近代物理學的發展是從經典力學開始的，它研究宏觀物體的低速機械運動的現象和規律，可追溯到17世紀初。這時歐洲的科學發展迅速，物理學已開始發展成為一門測量科學，它逐步引入了“物理量”的概念。如質量、力和加速度等，用它們之間的相互關系描述物理現象。英國物理學家牛頓深入研究了經典力學的經驗規律和初步的唯象理論，發現了它的基本規律，以牛頓三定律和萬有引力定律表示，奠定了經典力學的基礎。在這些定律中，物理量之間的數學關系可看作是某個物理量的定義，也可看作是一種現象或物質性質的定義。因而，近代計量學的發展是與近代物理學同步發展和互相促進的。當物理量的測量知識逐漸形成科學體系，計量學就從實驗科學中分離出來，成為一門提高物理量量化精確性的科學。隨著天文學、數學、原子物理和量子物理學的不斷發展，社會經濟、文化不斷進步，近代計量學的研究對象擴展，專業門類增多，量程從宏觀拓寬到微觀領域。計量學的內容更加完備，通?？梢愿爬?計量單位和單位制；計量器具(包括基準器和標準器)；量值傳遞和溯源；物理常數、材料和物質特性的測定；不確定度、數據處理和測量理論及其方法；計量法制管理等方面。從計量的社會功能可分為科學計量、工程計量和法制計量。如果從伽利略到牛頓時期的近代科學革命算起，近代計量學已有300多年的歷史，大致可分以下三個階段。

　　一、近代計量學和米制的創立

　　16世紀末近代科學開始興起。17世紀30年代，近代物理學之父意大利科學家伽利略做了著名的落體實驗和斜面滑球實驗，論證了自由落體運動是勻加速運動，物體下落的快慢與物體的質量無關，斜面上小球運動速度與時間成正比，運動距離與時間的二次方成正比。1653年，法國物理學家帕斯卡發明了帕斯卡定律，1663年，英國化學家、物理學家波意爾創立了波意爾定律。英國物理學家牛頓，在開普勒定律的基礎上，于1685年完成了萬有引力定律和機械運動三定律的論證和描述，建立起完整的經典力學體系。牛頓力學對熱學、電磁學等的研究產生重大影響，也為近代計量學的創建和測量技術的發展奠定了基石。在近代物理學實驗過程中，逐步確立了許多物理量，如:質量、力、長度、能量、速度、時間、加速度、壓力、溫度等；創造了許多測量儀器和裝置，如天平、溫度計、脈搏計、望遠鏡等。但是，科學家們都越來越受到多種物理量單位制的雜亂和無規律的擾亂，無法準確地交流他們的實驗結果，迫切需要確立能在國際間通用的物理量單位及其標準。定量研究熱現象的第一個標志是測量物體的溫度。1593年，伽利略利用空氣受熱膨脹和遇冷收縮的原理制作了以空氣作為測溫物質的第一支溫度計，但沒有固定的刻度。此后，又出現了以酒精或水銀為測溫物質的玻璃溫度計，但因重復性不夠好，并未形成測量標準。1665年荷蘭物理學家惠更斯提出以冰或沸水的溫度作為計量溫度的參考點。1703年，丹麥學者羅默則選用冰、水和食鹽的混合溫度作為零點。1714年，德國物理學家華倫海脫首先用水銀制成了數值穩定的溫度計，水銀的使用大大擴展了測量范圍，他選定了兩個參考點:以氯化銨與冰水混合物的溫度為零華氏度，以人體的溫度為96華氏度，中間分為96等分。后來，又作了調整，以水的沸點為212華氏度，純水的冰點為32華氏度。調整后的人體溫度為98.6華氏度，至今一些西方國家仍沿用這種華氏溫標。1742年，瑞典物理學家攝爾西斯，提出了一個新的測溫系統，以水銀為測溫物質，將水的沸點定為零攝氏度，冰點定為100攝氏度，成為百分度的溫標。8年以后，他的同事建議把標度顛倒過來，這就是著名的攝氏溫標，至今仍得到國際上的廣泛應用。測溫單位和溫標的建立，充分說明近代物理學促進了近代計量學的發展。

　　另一方面，在17世紀和18世紀期間，歐洲一些國家沿用各種不同的法定度量衡單位。法國于15世紀末，以利佛(livre，約合490克)為重量單位，1670年前后，又使用脫瓦斯(Toise，約合1.95米)為長度單位，1/6脫瓦斯為1(法國)尺(pied，約合32.5厘米)。1603年，英國使用磅(pound，約合454克)，1/16磅為1盎司(ovnce，約合28.35克)；碼(yard，約合0.9144米)，1/3碼為1英尺(foot，約合30.5厘米)，1/12英尺為1英寸(inch，約合2.54厘米)。這和歐洲當時迅速發展的工業、貿易和科學技術交流的需要極不適應。

　　從18世紀50年代起，法國科學家們開始尋找一個適用于世界各國的通用單位，以便以它為基礎得到一種在所有國家都能使用的計量單位制。1790年，法國國民議會責成科學院組成計量改革委員會。次年，委員會提議以赤道到北極的子午線的千萬分之一為基本長度單位，并成立了測量子午線、計算、試驗擺的振動、研究蒸餾水的重量以及比較古代計量制度五個小組。1793年，委員會又提議使用已有的測量結果盡快建立新的計量制度。1795年4月7日，國民議會頒布新的度量衡制度:采用十進制；米的長度以自北極到赤道段經過巴黎的子午線的一千萬分之一為標準；質量單位以1立方分米溫度為攝氏4度純水在真空中的質量。1799年，測繪學家的大地測量工作最終完成，鑄出了純鉑米和千克原器。同年12月10日，頒布法律確定米和千克的值。1801年，政府下令改用新制，但遇到許多阻礙，至1812年，拿破侖·波拿巴廢新復舊，以順民情。其后科學文化日進，1837年7月4日的法令終于確定法國從1840年1月1日開始實行“米制”。為紀念這一盛事，制作了紀念章，如圖1所示。上面寫著:“永遠為人類服務”。“米”是近代計量學中第一個以自然物為基準的單位，法國政府和法國科學家從提出方案、測量子午線到制作米原器和千克原器，以至在全民中通行米制單位，前后用了50年時間，為計量學的發展做出了重大貢獻。    [page_break]

　　二、從《米制公約》到國際單位制的建立

　　19世紀初期，英國工業革命蓬勃發展，法國也開始了工業革命，從19世紀70年代起，德國發生了以電力的廣泛使用為標志的第二次工業革命。19世紀的自然科學經歷了突飛猛  進的發展，科學家受牛頓力學的影響，在實驗科學中取得許多重大突破，如:焦耳定律、卡諾熱循環理論、安培電流定律、法拉第電磁感應理論、麥克斯韋電磁場理論、拉瓦錫氧的發現和氧化學說等。相繼建立起熱力學、電磁學、化學等學科并得到了技術應用。數學長足進步，不斷推出新概念和新方法。天文學、地學有很大發展。光學、生物學、有機化學也隨之興起。科學的進步為計量學發展奠定了理論基礎。

　　19世紀初，米制開始向世界普及。1820年，米制先由歐洲幾個低地國家(荷蘭、比利時、盧森堡)所采用，接著西班牙、哥倫比亞、墨西哥、葡萄牙、意大利以及很多其它國家相繼采用。1851年，第一屆萬國博覽會(世界博覽會)在倫敦舉辦。會上，展出的巴黎工藝院米尺，參觀者及見此精良制造之尺，十分驚喜，認為必須有統一的度量衡制，才能對陳列品比較其優劣、評定其價值。1855年，在巴黎的一次國際會議上，與會者創議設立度量衡研究會，推行米制。同年，巴黎萬國工藝博覽會審查委員會開會討論實行米制辦法，要求委員們“各盡心力，勸告本國政府及有識之士，推行米制，以謀公益”。1864年，英國允許米制單位同英制單位并用。同年，德國也全部采用米制。1867年，巴黎世界博覽會期間，在世界工業巨大發展的強烈影響下，一批科學家創建了度量衡和貨幣委員會，專門研究和推動兩者的世界統一任務?？梢姰敃r統一世界計量單位制已是大勢所趨。1869年，法國政府邀請許多國家派代表參加“國際計量委員會”。1870年8月，有24個國家派了代表到巴黎開會，后因普法戰爭會議中止。1872年，由30個國家的代表繼續開會，再次肯定上次會議關于制造米和千克新原器并向各與會國提供復制品的決議。1875年3月1日，法國政府召開“米制外交會議”。5月20日，17個國家的全權代表簽署了《米制公約》，決定成立國際計量局(BIPM)，這是計量學走向國際統一的里程碑。

　　1875年《米制公約》簽訂以后，新成立的國際計量局在“國際計量委員會(CIPM)”的領導下集中全力準備米和千克原器和各種復制品的制造工作并籌備第1屆國際計量大會。1889年，第1屆國際計量大會(CGPM)召開。會議明確“議定必要的措施，并督促實施，以保證米制的現代形式——國際單位制的普及和改進”為它的主要任務。就在這次會上，批準了米和千克兩個單位的定義:
    1.長度單位米的定義:“長度的單位是米。規定為國際計量局所保存的鉑銥尺上的兩條中間刻線的軸線在0°C時的距離，這根鉑銥尺已被國際計量大會宣布為米原器，保存在標準大氣壓下，放在兩個對稱地、置于同一水平面上并相距571毫米的直徑至少為1厘米的圓柱上”。
    

    圖1  米制紀念章圖案

　　2.質量單位千克的定義也在這次大會同時通過，采用鉑銥合金制的圓柱體砝碼為千克的定義。1901年，第3屆國際計量大會進一步明確作了以下規定:
　　(1)千克是質量單位，它等于國際千克原器的質量；
　　(2)“重量”一詞表示的量與“力”的性質相同；物體的重量是該物體的質量與重力加速度的乘積；特別是，一個物體的標準重量是該物體的質量與標準重力加速度的乘積(這條規定現已不再適用)。質量單位最初的定義也源于米，千克砝碼是根據1立方分米水在密度最大時的的質量制作的。當然米尺和千克砝碼在1889年得到國際計量大會正式批準后，已成獨立的定義，不再依賴于地球子午線的四千萬分之一的長度和1立方分米水的質量。

　　長期以來，時間單位秒的定義也依賴于地球。第一次定義是在1820年，科學家根據觀測地球自轉和繞太陽公轉的周期來確定時間，因為人們的計時習慣是與1晝夜時間密切相關的，而一年中每個晝夜的長短各不相同，故用平均的晝夜時間即平太陽日進行定義，即
　　1秒=1平太陽日/86400
　　這樣定義的秒亦稱平太陽秒。在隨后的約一個世紀內，均未發現地球自轉的不穩定性。1930年，出現了振蕩周期非常穩定的石英晶體振蕩器，由此發現了平太陽秒的變化約為1×10^-8量級，即一晝夜約有1ms的變化。為了避免地球自轉和公轉不均勻對秒定義的影響，因此于1960年對秒作第二次定義時，是用1900年的回歸年，即歷書上的特定的回歸年進行定義的，即
　　1秒=1回歸年/31 556 925.9747
　　這樣定義的秒，亦稱歷書秒，比第一次定義的準確度高一個量級，達到1×10^-9。1901年，在電磁學發展并得到廣泛應用的背景下，意大利的G. G. 喬吉倡導建立米、千克、秒單位制與一個實用的電單位(例如電壓或電阻單位)結合起來，建立以四個基本單位為基礎的一貫單位制。1921年，第6屆國際計量大會修訂了《米制公約》，確定了建立和保存電學單位基準，并組織各國的基準比對。

　　在此期間，由于熱力學和測溫技術的發展，已開始了建立溫度標準的工作。在18世紀華氏溫標和攝氏溫標的基礎上，1824年，法國工程師卡諾(S.Carnot)提出了熱機中的卡諾循環原理。1848年，英國物理學家湯姆遜(W.Thomson)用卡諾循環中熱功與溫度成正比的公式，提出了建立熱力學溫標的方案，并以復現性很好的水的三相點為參考點。1854年，開爾文建議用上述方案建立熱力學溫標。1840年，美國的愛迪生發明了電燈，人類在生產和生活上逐漸進入一個電氣化的新時代。1860年，英國率先規定了發光強度的單位，這是在電燈發明前所規定的標準光源——燭光，即采用一支標準蠟燭的發光強度作為單位，稱為燭光(candel)。1909年，美、英、法等國決定用一組碳絲白熾燈代替蠟燭成為發光強度的國際標準，取名為國際燭光。

　　由此可見，從19世紀中期至20世紀初期的半個多世紀內，在一批物理學家和工程技術名家的共同努力下，已先后建立起長度、時間、質量、電單位、溫度和光度等6個單位的國際標準，為今后建立更加完善的國際單位體系奠定了良好的科學基礎。

　　1948年，第9屆國際計量大會確定了以電流單位(安培)作為第四個基本單位，而電壓和電阻單位作為導出單位，但可以作為復現電單位的根據。

　　1960年，第11屆國際計量大會將基于米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉等6個基本單位的單位制命名為國際單位制(SI)。1971年，第14屆國際計量大會又通過了物質的量的單位——摩爾的定義，并決定摩爾為國際單位制7個基本單位之一，使以7個基本單位為基礎的國際單位制得到了進一步完善。[page_break]

　　三、國際單位制的發展和測量及校準結果的國際多邊互認

　　以7個基本單位為基礎的國際單位制的建立標志著計量學發展進入一個新的階段，它實現了計量單位在各國、各地區以及科技、經濟、社會各領域中的廣泛通用的目標。雖然，美國目前尚使用部分英制單位，但以國際計量大會、國際計量委員會為權威單位的一切文件、決定和國際推薦值，均一律采用國際單位制。我國于1984年，國務院發布了《關于在我國統一實行法定計量單位的命令》，在其后頒布的計量法中，也明文規定采用國際單位制。從此，沿用了幾千年的尺、寸和斤、兩已為米和千克代替。采用國際單位制是我國計量領域與國際全面接軌的重大舉措。

　　自1960年以來，計量單位的定義有以量子物理為依據、以基本物理常數為基礎的明顯趨勢。一些基本單位和導出單位在采用新定義后，其復現的準確度有了大幅度的提高。

　　1.時間單位的定義

　　在經歷了根據地球運轉的平太陽秒和歷書秒的兩次定義后，20世紀70年代采用了銫原子的量子躍遷的定義。1967年第13屆國際計量大會通過了新的秒定義:“秒是銫 -133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9 192 631 770個周期的持續時間”。在銫原子鐘的發展中，經歷了用磁選態、激光選態和原子噴泉等三種方案來激勵定義中的輻射躍遷，它們使秒定義的復現不確定度分別達到了1×10^-13、1×10^-14和1×10^-15的量級。使時間頻率的測量達到整個計量基本單位復現準確度的頂峰。

　　2.長度單位的定義

　　在經歷了用鉑銥米尺(1889)和氪86橙黃譜線(1960)的兩次定義后，1983年第17屆國際計量大會通過了米的新定義:“米是光在真空中在1/299 792 458秒的時間間隔內行程的長度”。這個定義有三種復現方法:第一種方法是用平面電磁波在真空中行進的距離，即l=ct,式中l為距離，c為真空中光速，其國際約定值為c=299 792 458 m/s，t為平面波行進的時間；第二種方法是采用公式:λ=c/f, 式中f為激光或其他平面電磁波的頻率，λ為其相應的真空中波長，λ可通過光速c和頻率f得出，由此成為復現長度單位米的標準波長；第三種方式是用國際上推薦的標準頻率值和相應的真空波長值。

　　2001年國際長度咨詢委員會(CCL)公布的國際推薦頻標值已達13類，其頻率或波長的不確定度為10^-11～10^-14量級，其中不確定度最小的為氫原子1S～2S躍遷的頻率，不確定度達1.4×10^-14。

　　1999年以來，由于光頻測量技術出現了革命性的突破，近30年來使用的諧波測量的龐大而復雜的測頻系統，可以用飛秒鎖模激光器的光頻梳來代替，由于后者在測量中從微波頻率可直接與光波頻率建立聯系，測量方法上的簡化，測量準確度的提高，使這項技術在兩、三年中的成就已遠超過過去30年來測量成就的總和。它使光頻標準的測量和復現精度的潛力得到了充分的發揮。目前以該項技術為基礎，已開始了研制光鐘的熱潮，預期光鐘的頻率復現性可達10^-15至10^-18的量級，它將代替銫原子鐘成為新的時間單位定義的基礎，也將使計量基本單位的復現準確度攀登上新的頂峰。

　　3.其他單位的概況

　　由于約瑟夫森效應和量子化霍爾效應在復現電單位上應用的成功，1990年國際上正式采用了這兩個量子效應來復現電壓和電阻單位，并成為復現電流單位安培的基礎。

　　質量單位千克是保持1889年首次定義的惟一的基本單位，它的復現性為10-9量級。目前，國際上正在積極研究用原子物理或量子物理的方法來代替實物基準的途徑。

1967年，第13屆國際計量大會通過了溫度單位的定義為:“熱力學溫度單位開爾文是水的三相點熱力學溫度的1/273.16”。這個定義與以前定義的差別是，將原來的開氏度(°K)改為開爾文(K)，這個更改使熱力學溫標已無必要，使溫度表示從溫標的地位上升到單位量。

　　1971年，物質的量的單位摩爾成為最晚確立的一個基本單位，它的定義是:“摩爾是一系統的物質的量，該系統所包含的基本單元數與0.012千克碳-12 原子數目相等?！边@個定義是聯系宏觀質量單位與微觀粒子(原子、分子、電子等)質量之間的橋梁。因為在基本粒子物理學中，微觀粒子的質量通常是以u為單位的。u稱為統一的原子質量單位，1u=mu(¹²C)/12，即碳12原子質量的1/12。

　　微觀粒子的質量在用u表示時稱為相對原子質量，目前的測量不確定度在10^-8～10^-11之間，多數量值的不確定度均可低于作為基本單位千克的不確定度。

　　4.基本物理常數的精密測量及其在定義計量單位中的作用

　　基本物理常數是指自然界的一些普遍適用的常數，它們不隨時間、地點或環境條件的影響而變化?；疚锢沓档囊牒桶l展是物理學發展的一個縮影，曾對物理學定律的確立，聯系整個物理世界的規律起到了不可替代的重大作用。近年來，它在定義計量基本單位或重要的導出單位方面又起到了關鍵作用。例如，1983年新的米定義中采用了真空中光速c的約定值，1990年采用的電壓和電阻單位的定義中采用了約瑟夫森常數Kj和馮·克里青常數Rk的約定值，質量單位的未來定義也要用到有關的基本常數，摩爾的定義中用到了阿伏伽德羅常數NA，其他基本單位未來的定義中也將會采用一些有關的基本物理常數。

　　基本物理常數的精密測量是一項規模巨大、涉及面極廣的一項科學技術基礎性研究工作，自1973年以來，國際科學技術數據委員會(簡稱CODATA)曾發布了三次國際推薦值，最近的一次數據是1998年推薦，1999年底正式公布的，它包括的基本物理常數及其組合量約有175個之多，這些常數之間構成了一個自洽的關系，用最小二乘法平差協調它們成為一個有機的組合。

　　由于基本物理常數是物理量中一些恒定的數值，它反映了物理學的規律，因此可以利用這些數值來確定計量基本單位之間或與重要的導出單位之間的有機聯系，使國際單位制成為一個彼此相關的整體，目前的方法是用時間(頻率)單位，通過一些常數與其他基本單位(或導出單位)建立聯系，從而確立這些單位的定義。這在長度單位和電單位的定義或復現上已經取得了成功。這種發展趨勢在本世紀將會有更加富有成效的發展。

　　近代計量學發展的另一個重要進展，是在建立測量和校準結果的國際多邊互認制度方面。1985年，英國率先成立了全國統一的國家認可機構。這是由國家法律或政府授權的一個權威性公正機構，依據正式發布的認可要求，對認證機構、檢驗機構(測試實驗室)或人員等從事的有關測量的能力實施評定，對符合要求的機構或人員進行注冊，并向社會公布，證明被認可(注冊)的機構或人員具備相應能力的活動。這是由權威機構對組織從事檢驗、檢查、認證等評價活動的能力給予正式承認的程序。

　　近年來，這種制度逐漸在國際上推廣使用。世界各國的評定機構之間，在按照規定的規則程序，通過國際評審，證明合格評定過程的等效性的基礎上，相互接受合格評定的結果。這種相互承認活動可以在國家、區域和國際三個層次上進行，通過簽訂雙邊或多邊相互承認協議加以規定和實施。1997年至1998年間，由國際計量局在巴黎召開了兩次《米制公約》成員國國家計量院院長會議，簽署了有關標準和測量證書的互認協議，并在成員國之間開展100多項的關鍵比對，以利于實現量值的國際統一。國際上在科學研究、工農業生產以及多邊貿易的發展方面可以具有統一的計量標準和單位量，正朝著近代計量學的最終目標——以最高準確度統一全世界的物理測量大步邁進。

　　2000年10月17日，國際計量委員會隆重舉行國際計量局成立125周年紀念大會，總結一個多世紀以來從近代計量學發展到現代計量學所取得的輝煌成就。
　　本文在成稿中，得到羅振之和邱隆兩位同志的補充和修改，在此表示衷心的感謝。
　　 (作者為計量測試高技術聯合實驗室研究員)