米（国际单位制的基本长度单位）
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更新时间：2023-05-16
米
国际单位制的基本长度单位
国际单位制7个基本量之一
国际单位制中的长度单位，符号m。当真空中光速c以单位ms表示时，将其固定数值取为299792458来定义米，其中秒用Δv（Cs）定义。对于一般应用场合，新华字典对米的定义为：长度单位，符号m，1米等于10分米。
基本信息
中文名
米
英文名
meter
历史上的长度单位
腕尺是一种古老的长度单位，它以人类手臂前臂的长度为标准。不同地区和时代的腕尺有所差异。例如：
英国历史上也使用过类似于腕尺的长度单位，如英寸（inch）和英尺（foot），但它们也随着君主和法规而变化。例如：
- 10世纪时，英国国王埃德加（Edgar）将一个拇指手指关节（thumb-joint） 的长度规定为1英寸（inch），约等于0.0254米；
- 14世纪时，英国国王爱德华二世（Edward II）将“三颗干燥圆形大麦粒首尾相连摆放时”的长度规定为1英寸（inch），12英寸（36大麦粒） 为1英尺（foot）；
- 1566年，英国颁布了一项新法规规定：“4颗大麦粒为一个指宽（finger-breadth）；4个指宽为一个手宽（hand-breadth）；4个手宽为一个掌心宽度或者说是一个掌心加上四个拇指宽度之和（palm or hand with thumb） ；3个掌心宽度或者说是3个掌心加上12个拇指宽度之和为一个小肘长或者说是一个肘长减去四个拇指之和 （small ell or ell minus four fingers） ；5个小肘长或者说是5个肘长减去20个拇指之和为一码 （yard） ” ，这意味着64颗大麦粒口等于约等于16厘米或者说6.3 英寸。
古代中国，公元前16世纪至前11世纪的商代，1尺等于0.158米；公元前221年，秦始皇统一度量衡后，1尺等于0.231米；公元9年，王莽建立了古代计量标准器之一——新莽铜卡尺（也是世界上最早的游标卡尺），其长度为13.3厘米；公元1682年（康熙21年），清朝规定1尺等于0.32米。这里所说的“尺”即“市尺”。。
档案米尺的诞生
随着科学技术的进步，各国对长度单位的定义逐渐统一。18世纪末，人们开始放弃以人体、自然物体等为标准的原始长度单位，转向科学化的度量方法。1790年，法国国民议会批准了法国科学院提出的“米制”方案。该方案规定以地球子午线长度的四千万分之一为1m，并于1799年用铂金制作了一根横截面为（25.3×4.05）mm的矩形棒作为基准米尺。该米尺两端之间的距离即为1m。这就是“档案米尺”。
长度计量基准的演变
米原器
1872年，30个国家在巴黎举行了国际米制委员会（The International Commission of the Meter）会议，决定以档案米尺为参考标准，制造并分发米原器给各参会国。米原器由90%铂和10%铱的合金制成，截面呈X形，以保证其稳定性和耐变形性。
1889年，第一届国际计量大会规定，以档案米尺为模型制作的国际米原器取代档案米尺，成为国际长度计量的基准。同时将米的定义改为：“米的长度等于在水的冰点温度下，米原器两端刻线间的距离。”其中6号米原器保存在巴黎的国际计量局（BIPM）。
1927年第7届国际计量大会进一步明确规定了长度单位“米”的定义：即国际计量局保存的铂铱尺上两条中间刻线的轴线在0℃时的距离。该铂铱尺被称为长度计量基准“米原器”，其复现不确定度约为1.1×10。
实物量标准定义的‘米’存在许多问题。一方面，米原器有损坏和丢失的风险，另一方面，刻线工艺和测量方法不够精确，导致米原器的不确定度只有士1.1×10（即士0.11um）。这样的精度无法满足现代科学技术的需求。因此，有必要用新的自然量标准来重新定义米。
Kr波长长度单位
1952年，国际计量委员会设立米定义咨询委员会( 现称为“长度咨询委员会”)，研究新的米定义。物理学家发现原子结构中两个固定能级之间的能量差是常数。当光的辐射频率f和光速c一定时，它所产生的光波波长λ也是定值，即λ=c/f。因此，利用光波波长这一自然量标准来定义米，取代米原器的实物量标准非常具有优势。
1960年，研究取得成果：Kr原子橙黄谱线具有最窄和最对称的辐射谱线，能在最小扰动下产生，并可用其他方法测量。这一单色光谱线的波长值只与其辐射频率和真空中的光速有关。如果光速为定值，则波长就是不随时间变化、可在任何时间、任何地点复现的值，适于作为新定义的自然量标准。
因此，在1960年第十一届国际计量大会上通过了米的新定义：“米的长度等于Kr原子的2p10和5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的波长的1 650 763.73倍。”，其复现不确定度可以达到2.7×10。
激光波长长度单位
自1960年激光技术发展以来，激光具有方向性、单色性和光强度高等特点，使得它在测量长度时比SKr原子辐射谱线有着更大的优势。激光辐射光谱宽度极窄（可达0.0001m-1，相当于30kHz），即使光程差达数千米，也能看到清晰的干涉图像，适合用干涉法测量长度。
为了稳定激光频率，科学家们采用了多种方法，如利用兰姆凹陷、甲烷吸收、信号发生器与压电陶瓷调制等。经过多年努力，激光频率的稳定性和复现性问题得以解决。1973年，米定义咨询委员会建议用碘或甲烷饱和吸收稳定的氦氖激光作为长度计量的副基准，其波长分别为682991398.1fm和3392231397.1m。1975年第十五届国际计量大会采纳了这一建议。1979年，米定义咨询委员会又推荐用碘稳定的0.612um氦氖激光和碘稳定的0.515pm氩离子激光作为长度测量的参考波长或工作标准，它们的波长值分别为514 673466.2m和611970769.8fm2。
1984 年召开的国际计量大会上批准了米的新定义是：“米是光在真空中在(1/299 792458)s的时间间隔内所经路径的长度。”。这一定义利用了秒定义的高度准确性和固定的真空中光速值(c=λ/f=299 792 458 m/s)，使得长度计量基准的准确度进一步提高。
米的量子化定义
2018年11月16日，第26届国际计量大会（CGPM）通过了《修订国际单位制（SI）》的第一号决议。该决议规定了从2019年5月20日起生效新的国际单位制定义方法。根据新定义，质量、物质量、电流和温度四个基本单位将由物理常数确定，而不再依赖于实物标准或经验公式。这样一来，国际单位制的七个基本单位都将由七个自然常数定义。
这七个自然常数分别是：
- 铯-133原子不受干扰的基态超精细跃迁频率：9 192 631 770 Hz；
- 真空中光速c：299 792 458 m/s；
- 普朗克常数h：6.626 070 15×10 J·s；
- 阿伏伽德罗常数NA：6.022 140 76×10 mol；
- 基本电荷e：1.602 176 634×10 C；
- 玻尔兹曼常数k：1.380 649×10 J/K；
- 单色辐射频率为540×10 Hz时的光视效能Kcd：683 lm/W。
新定义生效后，国际单位制将完全量子化，并结束了实物标准的历史。
因此根据新方法，米的定义为：“国际单位制中的长度单位，符号m。当真空中光速c以单位ms表示时，将其固定数值取为299792458来定义米，其中秒用Δv（Cs）定义。（The metre, symbol m, is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c to be 299 792 458.when expressed in the unit m/s, where the second is defined in terms of ΔvCs.）”
米与数量级
为了方便单位换算，国际单位制引入了倍数单位的概念。倍数单位包括十进制的倍数和分数单位，由SI词头和SI基本单位组成。使用倍数单位可以扩大国际单位制的适用范围，使其能够适应各种场合和用途中量值大小的表达。
下表中列出了用于构成十进倍数单位和分数单位的词头。
表1 十进倍数单位和分数单位的词头
中文词头 | 英文词头 | 符号 | 数量级 | 国际上启用时间 |
尧 | yotta | Y | 10 | 1991 |
泽 | zetta | Z | 10 | 1991 |
艾 | exa | E | 10 | 1975 |
拍 | peta | P | 10 | 1975 |
太 | tera | T | 10 | 1960 |
吉 | giga | G | 10 | 1960 |
兆 | mega | M | 10 | 1960 |
千 | kilo | k | 10 | 1795 |
百 | hecto | h | 10 | 1795 |
十 | deca | da | 10 | 1795 |
分 | deci | d | 10 | 1795 |
厘 | centi | c | 10 | 1795 |
毫 | milli | m | 10 | 1795 |
微 | micro | μ | 10 | 1960 |
纳 | nano | n | 10 | 1960 |
皮 | pico | p | 10 | 1960 |
飞 | femto | f | 10 | 1964 |
阿 | atto | a | 10 | 1964 |
瓜 | zepto | z | 10 | 1991 |
么 | yocto | y | 10 | 1991 |
国际单位制与非国际单位制的转换
理论上，国际单位制可以覆盖科学技术的所有领域，取代所有其他单位制的单位。但在实际应用中，由于历史原因或在某些领域的重要作用，一些国际单位制以外的单位还没有被完全取代或废除。因此，国际计量大会在公布国际单位制的同时，还确定了一些允许与 SI 并用的单位。这些单位分为两大类：与 SI 并用或与 SI 暂时并用。
下表中是米与常见非国际单位制单位的对应关系。
表2 米与常见非国际单位制单位的对应关系
中文名 | 英文名 | 符号 | 推导关系 | 对应基本单位数值 |
市寸 | 1/10市尺（3.3cm） | 0.0333m | ||
市尺 | 1/3m | 0.333m | ||
市丈 | 10市尺 | 3.33m | ||
市里 | 1/2km | 500m | ||
密尔 | mil | 1/1000 in（25.4um） | 2.54×10m | |
英寸 | inch | in | 2.54cm | 0.0254m |
英尺 | foot | ft | 12in | 0.3048m |
英码 | yard | yd | 3ft | 0.9144m |
英寻 | fathom | 2yd | 1.8288m | |
英里 | mile | mi | 1760yd | 1 609.344m |
海里 | nautical mile | nmi| | 1852m | |
天文单位 | astronomical unit | AU | 149 597 870 700m | |
光年 | light-year | ly | c×a | 9.460 7×10m |
普朗克长度 | Planck length | lp | 1.616×10m |
米定义的复现方法
国际计量大会（CGPM）规定了米定义的三种复现方法:
(1)用于天文、大地等测量工作的复现方法
根据 l=ct 关系式,由所测出的时间 t 与定的光速值c复现长度l。
(2)用于实验室计量工作的复现方法,
根据=c/f关系式,由所测出的频率与给定的光速值 c 复现波长值入。
(3)用于一般测量工作的复现方法,
可以使用米定义咨询委员会推荐使用的五种激光辐射和两类同位素光谱灯辐射的任一种来复现米。
所推荐的五种激光辐射是:
1)甲烷吸收稳频的氨激光辐射 (CH4，γ3，P(7)，F2)
f=88 376 181 607 kHz；
λ=3 392 231297.0 fm；
2)碘吸收稳频的染料激光或 1.15 μm 氨激光的倍频辐射(I2,I7-1,P(62),O)
f=520 206 808.53 kHz；
λ=576 294 706.25 fm；
相对不确定度为6X10。
3)碘吸收稳频的氨氛激光辐射(I2，11-5，R(127)，i)
f=473 612 214.8 MHz；
λ=632 991 398.1 fm；
相对不确定度为 1X10。
4)碘吸收稳频的氨氛激光辐射(I2，9-2，R(47)，O)
f=489 880 355.1 MHz；
λ=611 970 769.8 fm；
相对不确定度为 1.1X10。
5)碘吸收稳频的离子激光辐射(I2，43-0，P(13，α3)
f=582 490 603.6 MHz；
λ=514 673 466.2 fm；
相对不确定度为1.3X10。
所推荐使用的两类同位素光谱灯辐射是:
1)对应于Kr 原子在 2p10及 5d5能级之间跃迁的辐射
f=494 886 516.5 MHz；
λ=605 780 210.2 fm；
相对不确定度为4X10。
通过以上的方法，米的复现不受某一基准的准确度或某种基准物质的性能影响，而且复现的准确度与定义本身无关，有利于根据测量的需要选择最合适的复现方法。
