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一公尺實際有多長?

94/05/11 10598
公尺(meter)是由巴黎科學院(Paris Academy of Sciences)於1791年所制定的,當時的定義是「通過巴黎的子午線,從北極到赤道的長度的千萬分之一是一公尺」。為實現這個定義,一群大地測量家花了6年的時間,測量從敦克爾克(Dunkirk)到巴塞隆納(Barcelona)之間的距離,並把這個定義做成了長度是1公尺的白金棒。但由於測量誤差,這個公尺原器有0.2公釐的誤差。

經過許多年,公尺制度漸漸被世界各國所接受,有20個國家於1875年簽訂公約,並成立國際度量衡局負責相關的業務。1889年國際度量衡局改良第一代公尺原器的設計,製作了30支截面是X 形的鉑銥合金棒,分贈給各會員國,來統一及推廣公尺的定義。並於1927年,把保存在國際度量衡局內的改良型公尺原器,當它在攝氏0度時,原器上兩端刻線間的距離,做為國際公尺的定義。
 
 
但是用鉑銥合金棒上的刻線來定義公尺,有許多缺點,例如刻線品質和材質穩定性都會影響尺寸的穩定性及重現性,而且一旦毀損後也無法復原。隨著科技的發展,人們希望把長度基本單位建立在更科學、更可靠的基準上,而不再是用某一實體的尺寸做為標準。

1893年邁克爾遜利用鎘的紅光波長及其發明的干涉儀,來量測鉑銥公尺原器的長度,從而激發科學家用光波波長做為長度基準的想法。經過許多科學家對眾多物質的光譜進行有系統的研究後,向國際度量衡局建議3條可能做為長度基準的光波譜線。最後在1960年第11屆國際度量衡大會中,通過以氪-86的輻射光波為長度基準,並定義「公尺等於氪-86原子在2p10和5d5能階間躍遷時,輻射光的真空波長的1,650,763.73倍」。

1960年的一個重大科技進展是雷射誕生了,科學家利用其優異的單色性、方向性,以及消除都卜勒寬度的技術,使其頻率穩定性及重複性比氪-86高了100倍以上。除此之外,光波頻率及光速值的量測技術也有驚人的進展。

經過物理學家及計量學家數十年的研究與驗證,終於在西元1983年的第17屆國際度量衡大會通過了新的公尺定義,「1公尺等於光在真空中 1/299,792,458秒之間所行走的距離」。這個定義的特點是把真空中的光速值視為一個不變的物理常數,它的數值是299,792,458公尺/秒。歷經了上述3次重大的變革,公尺的定義與實現方法已經分開,長度基準不再是某一種規定實體的尺寸或某一特定的輻射波長。因此公尺實現的準確度不再受定義限制,相反地,它會隨著科技進展而不斷地提升。

如何把公尺定義應用到實體的長度量測上?根據國際度量衡局的建議,實現的方法有兩種。第一種是飛行時間法,即量測短脈衝光波行經待測長度時所需的時間,再乘以光速值就可得到長度值。這是屬於長距離量測方式,適用在大地測量及衛星雷射測距。第二種是干涉法,量測方式是用已知波長的光源搭配光干涉技術來量測待測長度,最後長度值等於干涉條紋數乘上波長值。這是屬於短距離量測方式,其準確度非常高,也是各國國家標準實驗室採用的量測方法。

現今的光源有很多種,波長則從可見光到不可見光都有,但一般人並沒有能力量測光波的波長或頻率,因為它需要特殊的技術與設備。有鑑於此,國際度量衡局根據許多科學家的研究結果,建議了12條已知波長的輻射譜線,並清楚地描述其實施方式與工作條件。

中華民國國家度量衡標準實驗室則根據國內需求,建立了3條建議輻射做為長度的原級標準,分別是碘穩頻633 nm雷射、碘穩頻532 nm雷射及鈣穩頻657 nm雷射。如果以碘穩頻633 nm雷射為光源,用光干涉的方式在真空中量1公尺的長度,其不確定度是2.5 × 10-11公尺。

 
由於大部分量測系統是在普通的大氣環境下工作,因此在空氣折射率的影響下,即使採用碘穩頻633 nm雷射進行干涉測長實驗,以現在的技術水準,1公尺的量測不確定度最多可達到千萬分之一公尺。這對一般的應用已足夠,但如果要提升量測準確度,就必須在真空下進行實驗或改善空氣折射率的量測技術。

總之,公尺定義經過200年的演進,長度的基準已不再是一個實體,而是一個物理定義,任何人只要依上述的方法,都可產生1公尺的標準。
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