度量衡是一切科技的根本,本身也是一門最基礎的科技。在科技史上,公制的發明絕對是影響最深遠的事件之一。一九六○年至今舉世通用的「國際單位制」(International System of Units,簡稱SI),便是衍生自公制的一套系統。而無論是公制或國際單位制,公尺(metre或meter,源自希臘文「測量」)這個長度單位都具有中心地位。
然而正如「國際度量衡局」所強調的「度量衡總是不停演化」,過去兩百多年來,公尺的定義經過數次大大小小的更迭,正好反映了十八世紀以來的科技發展。
一七八九年 法國首創公制
公制與法國大革命有著密不可分的關係。法國人早就有心建立一套科學的度量衡制度,一七八九年那場革命正好帶來「破舊立新」的機會。他們鄭重其事地設立一個委員會,成員包括當時好些大科學家。為了要讓這套度量衡成為名副其實的「公制」,委員會決議採用地球當標準,將北極到赤道的經線定義為一千萬公尺(粗略地說,便是將地球周長定義為四千萬公尺)。
想當然耳,他們最初定義的是經過巴黎的經線,但後來真正測量的,則是從敦克爾克到巴塞隆納那一小段,根據這段距離,再配合天文觀測,便可推算出所需要的長度。然後將這段長度除以一千萬,便是製作「公尺原器」這根金屬棒的根據(這根金屬棒曾經改版好幾次,在此就不細究了)。
一八八九年 國際公尺原器
從此以後,法國人推廣公制不遺餘力,不過由於想像得到的諸多因素,世界各地的阻力卻相當大。一八七五年是公制全球化的第一個里程碑:許多國家在「公尺條約」上簽字,算是承認了公制的國際地位。位於巴黎近郊的「國際度量衡局」便是根據這個條約於一八八九年成立的,而公尺定義則改為:保存於該局裡面那根鉑銥合金「國際公尺原器」上兩個刻度間的長度。
根據這個定義,公尺遂定於一尊,與地球周長不再有絕對的關係。嚴格說來這不算走回頭路,原因之一是地球並非真正的球形,表面又凹凹凸凸,並不適合當長度的標準;原因之二是「國際公尺原器」還有許多副本,分送各國妥善保存,例如美國便將其副本存放於「國家標準與技術局」。
一九六○年 以波長定義
但是隨著科技的發展,「公尺原器」這種中央集權式定義逐漸過時(缺點與政治上的中央集權一樣,一來風險太大,二來不夠親民)。於是在一九六○年,第十一屆「萬國度量衡會議」通過改以光波波長來定義公尺:將氪(86)原子某條橙色光譜線所對應的波長,定義為一公尺的一六五○七六三.七三分之一。如此只要有足夠精密的設備,任何實驗室皆可量得公尺的標準長度。套句政治術語,這是個標準的「去中心化」定義。有趣的是,某位法國科學家在一八二七年便提出過這樣的建議。
一九八三年 改以光速定義
不過這個定義卻只用了二十三年。到了一九八三年,第十七屆「萬國度量衡會議」再度翻案,改將光線在真空中行進一秒的距離定義為二九九七九二四五八公尺,小數點後面統統是零。
這個定義不但比波長定義簡潔得多,而且放諸宇宙皆準。因為自從愛因斯坦一九○五年提出狹義相對論之後,物理學家便堅信真空光速是宇宙中最絕對的速度。值得注意的是,這個新定義造成「國際單位制」根本上的改變:最基本的物理量從長度變成了光速(通常寫作c)。此後測量光速的目的,不再是為了求得更精確的c值,而是為了對公尺做更精確的定義。
為何要用二九九七九二四五八這個既古怪又麻煩的數字定義光速呢?那是因為雖然光速非常接近每秒三億公尺(三十萬公里),科學家卻早就測得十分精確的數據:以公尺的舊定義來說,這個數據的整數部分,正是二九九七九二四五八。因此一九八三年的新定義可算是「倒因為果」,利用這個整數倒過來定義光速。
據說當年在會場上,有人主張乾脆將光速定義為每秒恰好三億公尺,可惜這個高瞻遠矚的提議卻遭到否決。想必是由於那會使得許多精密數據被迫更改,而全球科學社群經不起這樣天翻地覆的變化。
然而我相信總有一天,有識之士將體認到「長痛不如短痛」,而在某次「萬國度量衡會議」上,將光速定義改為每秒三億公尺。至於時機什麼時候成熟呢?當然是全球大大小小的資料庫都充分連線,所有相關數據能在一聲令下同時更改的那一天。
【摘自貓頭鷹出版社《萬物的尺度》】