主讲嘉宾
马爱文（中国计量测试学会副理事长兼秘书长）
“不积跬步，无以至千里”“不以规矩，不能成方圆”，千米、千克、秒等计量单位与我们生活休戚相关。计量在社会中有哪些重要作用？数字时代下的计量有哪些特点？
本期首都科学讲堂邀请中国计量测试学会副理事长兼秘书长马爱文，带领我们走进计量的科学世界。
计量是认识和改造世界的工具
5月20日是世界计量日。今年世界计量日的主题叫“数字时代的计量”。计量在古代主要指度（长度）、量（容量）、衡（重量）和时间四个量的测量。随着科技的发展以及人们认识世界的能力和水平的提升，计量已扩展到对电流、温度、电磁、光学、化学、生物等多个领域的计量。
计量的一个基本特性是什么？我国的《计量法》中提到，计量是保证单位统一、量值准确可靠的活动。计量基本的职责就是单位统一，量值准确可靠。计量单位就是米、千克、秒等计量单位。比如，长度的单位是米（m）、重量的单位是千克（kg），时间的单位是秒（s）。单位制是对于给定量的一组基本单位、导出单位、其倍数单位和分数单位及使用这些单位的规则。比如长度单位1m=103mm=106μm。
国际单位制一共有七个基本单位，也就是说七个基本单位构成了万事万物的参数，包括长度、质量、时间、电流、温度、物质的量、发光强度等七个单位，其他单位都是由这七个单位构成的。
国际单位制的七个基本单位（供图/马爱文）
计量历史也是计量单位统一的发展史。中国计量历史发展中，黄帝设置了度（长度）、量（容量）、衡（重量）、里、数五量概念，其中有四个量都是和计量相关的。
秦始皇统一六国之后做的第一件事情就是统一度量衡，他下令要求六国的车同轨、书同文。他还做了大量的标准器发放全国，按照标准来执行，这是中国历史上一次比较大的度量衡统一。后来，隋文帝统一了南北朝，把南北朝的度量衡统一在一起。
中国历史上的计量事件（供图/马爱文）
你知道孔子、关羽、鲁智深和姚明四人中谁身高最高？据《孔子家书》中记载：孔子身高九尺六寸，而史上记载关羽身高九尺，鲁智深身高八尺，而姚明身高2.26米。因为他们是不同朝代的人，尺寸的标准是不一样的。孔子是春秋战国时期的人，当时的一尺相当于现在的23.1厘米，所以他身高是现在的2.21米；关羽是三国时期的人，那时候的一尺相当于现在的24.2厘米，他的身高在现在应该是现在的2.17米；鲁智深是宋朝的，宋朝的一尺扩大到了31.4厘米，他在现代的身高是2.51米，而姚明身高2. 26米，所以，相比较而言，鲁智深身高最高。
虽然《水浒传》里面对鲁智深的身高有一些夸大的成分，但是，我们也可以从中看到不同朝代尺寸是不一样的。整个历史发展过程当中，我国的尺寸是逐渐扩大的过程。民国时期，一尺相当于现在的33.3厘米。
一尺在中国历史不同时期的不同长度（供图/马爱文）
计量发展过程可以分为四个阶段。第一个阶段，就是以人体的某些基本的特性作为计量单位。《论语》当中讲“布手知尺”指的是一个成年人的中指到大拇指的长度，也就是过去说的一扎（zhǎ）。
《论语》中的“布手知尺”（供图/马爱文）
英国曾经规定一英尺就是一个成年男子的脚的长度，所以英语中的英尺和脚是同一个词，都是foot。
英国曾经规定一英尺就是一个成年男子的脚的长度（供图/马爱文）
第二个阶段是以自然物特征为基本单位。《汉书·律历志》中讲，“度者……本起黄钟之长。以子谷秬黍中者，一黍之广度之，九十分黄钟之长，一为一分。”大概是取中等大小的黍子粒，它的宽度就是一分，100个黍子粒的宽度就是一尺。
《汉书·律历志》中讲，100个中等大小黍子粒的宽度就是一尺（供图/马爱文）
1066年，英国定义一英寸是三颗大麦首尾相连的长度，英国的一英尺要比中国的一尺大一些。
第三个阶段是以不变物特征为基本单位。1875 年3 月1日，法国政府召集了“米制外交会议”，二十多个国家派出了政府代表与科学家出席会议。5月20日正式签署了《米制公约》。会议将通过法国巴黎的子午线长度的四千万分之一作为一米的长度，并制作了米原器。
法国将通过巴黎的子午线长度的四千万分之一作为一米的长度（供图/马爱文）
同时还定义一立方分米的纯净水在4摄氏度时候的重量就是一千克，根据这一千克做了砝码，砝码就叫千克原器。目前，米原器和千克原器存放在法国国际计量局。之后，一些复制品被分发到其他国家，作为各个国家的米的基准和千克的基准。
存放在法国国际计量局的米原器和千克原器（供图/马爱文）
第四个阶段是以量子特性为基本单位。量子是分子、原子、质子、中子、光子等最基本的颗粒，然后把这些基本单位定义到量子上。
计量单位的应用和计量文化
有很多汉字来源于计量。比如，工人的“工”字，《说文解字》当中讲，“工，巧饰也。象人有规榘也。”“工”字就像人拿着一个规，也就是用直角尺量东西，就是一个象形字。 
《说文解字》中对于“工”字的解释（供图/马爱文）
甲骨文中的 “斗”字其实就像一个有柄的东西，然后去舀东西。
《说文解字》中“斗”字的解释（供图/马爱文）
重量的“重”，最早的样子就像一个人扛着一个东西一样，所以就是一个负重的概念。包括科学的“科”字，指的就是用斗来量，“禾“就是粮食，用斗来量粮食。
其实计量已经融入我们的生产生活当中，很多成语都和计量相关，长度相关的成语：差之毫厘，谬之千里；跬步千里、跛鳖千里、入木三分、近在咫尺、一落千丈、寸步不离等。容量相关的成语：不失圭撮、车载斗量、斗筲之器、十斛量珠、朝升暮合等。重量相关的成语：半斤八两、斤斤计较、千钧一发、雷霆万钧等。时间相关的成语：三更半夜、奉为圭臬、刻不容缓、一刻千金、漏尽更阑、晨钟暮鼓等。
光影相关的成语：“形影不离”“立竿见影” “形单影只”“形影相吊”“捕风捉影”等。
中央广播电视总台的中华诗词大赛中有一道题涉及到计量单位，题目是：白发三千丈中的丈、一片孤城万仞山中的仞、千寻铁锁沉江底的寻，哪一个最长？答案是丈最长，古代一丈等于10尺，一寻等于8尺，一仞也等于8尺。所以，丈最长。 
中央广播电视总台的中华诗词大赛中有一道题涉及到计量单位（供图/马爱文）
大家比较熟悉的古诗——“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。”寻常其实就是普通的意思，一寻是8尺，常也是计量单位，倍寻为常，也就是说2寻等于1常，1常等于16尺。因为古代老百姓的房子都比较小，8尺宽，16尺长，所以也叫寻常百姓。
《乌衣巷》中描写燕子飞入寻常百姓家的场景（供图/马爱文）
传说秦始皇统一度量衡之后，让李斯定义，统一度量衡，李斯就问秦始皇，多少是一斤，秦始皇没说话，就写了四个字“天下公平”。李斯百思不得其解，最后一数四个字的笔画正好十六画，所以一斤十六两。虽然这是传说，但是有一个天下公平的寓意在里边。
天坛是天圆地方，古代的钱币是外圆内方，“外圆”指的对别人一定要圆润，跟别人不要去起冲突。“内方”指的我们对自己要严格，要严厉，这就是一个外圆内方的概念。其中，还蕴含“一个原则性和灵活性”一个概念，我们做事情不能够没有原则性，也不能没有灵活性。
天坛的天圆地方设计蕴含的哲理是“做事情不能够没有原则性，也不能没有灵活性”（供图/马爱文）
我们常说“一寸光阴一寸金”，什么叫“一寸光阴”？过去用日晷测时间，其实就是用日影的长度来测量时间，所以叫“一寸光阴一寸金”，就是一立方寸的金子。
“一寸光阴一寸金”的含义和计量有关（供图/马爱文）
计量在社会当中的地位和作用
2005年开始，联合国贸发组织和世界贸易组织提出来“国家质量基础”。他们把计量标准合格评定称为国家的质量基础。后来包括国际标准化组织（简称ISO）、联合国工业发展组织、世界银行都称计量标准合格评定为国家质量基础。世界上有20多个国家，在其《宪法》当中就写到了计量，写到了度量衡。
计量本身就是一门科学，是研究测量相关知识的科学。计量是科学的利器。发明元素周期表的化学家门捷列夫曾经说过，“没有测量，就没有科学。”其实元素周期表，就是通过测量物质的元素构成、元素基本重量等这些基本特性排出来的。
截至2017年，诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖获奖项目总数为371项，获奖总人数为594人；直接因测量科学研究成果或直接发明新原理仪器而获奖的项目总数为42项（占11.3%），总人数为64人（占10.8%） ，如电子显微镜、质谱仪、CT断层扫描仪、扫描隧道显微镜、超分辨率荧光显微镜、冷冻电镜、激光干涉仪等；同时，72%的物理学奖、81%的化学奖、95%的生理学或医学奖都是借助相关尖端仪器完成的。诺贝尔奖获得者理查德·恩斯特（R.R.Ernst）曾说过，“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展。”
计量在民生方面也有重要作用，家庭中用的煤气表、水表、电表和热量表，都是保证老百姓能够正常使用自然资源的一个基础，一个保障。
食品安全离不开计量（供图/马爱文）
计量在保障生命健康方面也非常重要，我们每天吃的菜当中有没有一些有毒有害物质，必须经过测量。身体不适要测测体温，测测血压等，计量是保障生命健康的基础。
计量是工业的引擎，企业是经济发展的主体；质量和效益是企业的生命；计量是企业的眼睛。没有计量就没有质量，也就没有效益。优质的原材料、先进的工艺装备、可靠的计量检测体系是现代化工业的三大支柱。
从产品的研发、制造到使用，一直到报废，都离不开计量测试，包括质量提升、节能减排、安全生产、精细化管理，以及转型升级都离不开计量技术。
1887年的时候英国议会出现了一个侮辱性条款：从德国进口的产品都必须写上“Made in Germany”，因为当时德国产品还是不行的，是劣质产品的代名词。后来西门子的创始人冯·西门子提供了1.2公顷土地和30万马克资金，建了一个计量实验室，后来成为国家计量实验室，这就是现在的德国计量实验室（PTB）。现在，德国的产品已经成为高质量产品的代名词，其实这也是在计量基础之上发展起来的。所以社会的一个高质量发展，无非就是产品质量、服务质量等这些东西，而这些东西需要数字化、网络化、智能化地发展。而这些都需要在大数据基础上进行分析，而这些数据来自哪里？都来自于计量，或来自于测量。
计量还是和体育竞赛休戚相关的，计量被称为体育竞赛的“裁判”。2008年世界计量日的主题就是“体育世界中的计量”。体育竞赛的时间、距离都需要测量，甚至兴奋剂的检测也需要测量。
体育竞技也与计量休戚相关（供图/马爱文）
数字时代下的计量
数字化是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程。数字时代是指信息基本全部使用数字表述、呈现和使用的历史时期。
数字时代有五个特征，第一，无处不在的测量，即测量能力及感知能力；第二，无处不在的连接，即万物互联。第三，无处不在的数据，即大数据；第四，无处不在的计算，即云计算；第五，无处不在的应用，即人工智能。
其实，我们的生活已经开始进入到数字时代了，包括交通领域的无人驾驶、智能家居、健康监测等都可以实现数字化。
由于实物基准存在不稳定、不易保存、不易复现等问题，1870年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦更倾向于通过原子数量来定义单位。
关于多少是1米的定义发生了以下变化：1960年，第十一届国际计量大会上正式批准废除铂铱米原器，而将米的定义改为：“1米等于氪-86原子的2p10和5d5能级之间的跃迁所对应的辐射在真空中波长的1650763.73个波长的长度。”。由此，长度基准完成了从实物基准向自然基准的过渡。后来发现，86Kr基准谱线的波长仍稍有不对称。1983年，第十七届国际计量大会通过了新的米定义：“米等于光在真空中299792458 分之一秒的时间间隔内所经路径的长度”。
关于千克的定义发生了以下变化：1791年规定1立方分米的纯水在3.98℃时的质量。1879年英国Johnson-Matthey公司制造了3个圆柱体砝码（KI，KII，KIII）作为国际千克原器的备选样品。
关于1秒定义的变化：1960年以前，CIPM（国际计量大会）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。1960-1967年，CIPM改以地球公转为基础，定义西元1900年为平均太阳年。秒定义更改为：1秒为平均太阳年之31556925.9747分之一。1967年，CIPM定义秒是铯-133原子（Cs133）基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间。
什么叫原子秒？我们发现如果给铯-133一个能量的话它会不停地跳。1967年第十三届国际计量大会采用秒的定义为：秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射的电磁波的9192631770个周期的持续时间。用铯-133原子定义时间的好处就是精度大幅度提高，现在科学家发现光子跳的频率更高，更稳定。科学家们正在研究光钟，光钟研究出来之后可以让我们的精度更高。现在我们最高精度是3亿年不差1秒，到那个时候，光钟可能会30亿年不差1秒。原子秒更多地在为卫星导航、通讯、电力、交通、金融等应用提供技术保障。
原子秒的应用（供图/马爱文）
在数字化时代，计量应该怎么去做？首先，将测量的模拟信号变成数字信号。其次，直接用量子特性来测量信息。例如，直接测量分子的热运动情况，可以直接测量出物体的温度是多少。
今后，我国要大力地发展数字技术，让我们的测量更加精准。包括传感技术的量子化，测量设备的数字化等，这其实就是我们下一步在计量领域应该大力发展的。包括我们未来要更多地用一些数字来表征一些事物，包括工业当中的数字化、网络化、信息化、交通、城市建设各个领域的数字化、网络化问题，也包括智能产品。 如何适应数字时代的到来？首先，我们要大力发展数字技术，测量更加精准，传输更加有效；其次，用数字表征一切事物；第三，用好大数据：整理好、分析好、使用好。
数字时代的教学管理（供图/马爱文）
彼得·杜拉克曾经说过，“人们永远无法管理不能量化的东西。”其实从另一个角度去讲就是，我们一定要把所有的东西进行量化，这样才能了解事物的本质，达到格物而致知，才能够修身、齐家、平天下。
（本文图片、视频来源于第751期首都科学讲堂）
