近代物理学的发展是从经典力学开始的，它研究宏观物体的低速机械运动的现象和规律，可追溯到17世纪初。这时欧洲的科学发展迅速，物理学已开始发展成为一门测量科学，它逐步引入了“物理量”的概念。如质量、力和加速度等，用它们之间的相互关系描述物理现象。英国物理学家牛顿深入研究了经典力学的经验规律和初步的唯象理论，发现了它的基本规律，以牛顿三定律和万有引力定律表示，奠定了经典力学的基础。在这些定律中，物理量之间的数学关系可看作是某个物理量的定义，也可看作是一种现象或物质性质的定义。因而，近代计量学的发展是与近代物理学同步发展和互相促进的。当物理量的测量知识逐渐形成科学体系，计量学就从实验科学中分离出来，成为一门提高物理量量化精确性的科学。随着天文学、数学、原子物理和量子物理学的不断发展，社会经济、文化不断进步，近代计量学的研究对象扩展，专业门类增多，量程从宏观拓宽到微观领域。计量学的内容更加完备，通常可以概括为:计量单位和单位制；计量器具(包括基准器和标准器)；量值传递和溯源；物理常数、材料和物质特性的测定；不确定度、数据处理和测量理论及其方法；计量法制管理等方面。从计量的社会功能可分为科学计量、工程计量和法制计量。如果从伽利略到牛顿时期的近代科学革命算起，近代计量学已有300多年的历史，大致可分以下三个阶段。

　　一、近代计量学和米制的创立

　　16世纪末近代科学开始兴起。17世纪30年代，近代物理学之父意大利科学家伽利略做了著名的落体实验和斜面滑球实验，论证了自由落体运动是匀加速运动，物体下落的快慢与物体的质量无关，斜面上小球运动速度与时间成正比，运动距离与时间的二次方成正比。1653年，法国物理学家帕斯卡发明了帕斯卡定律，1663年，英国化学家、物理学家波意尔创立了波意尔定律。英国物理学家牛顿，在开普勒定律的基础上，于1685年完成了万有引力定律和机械运动三定律的论证和描述，建立起完整的经典力学体系。牛顿力学对热学、电磁学等的研究产生重大影响，也为近代计量学的创建和测量技术的发展奠定了基石。在近代物理学实验过程中，逐步确立了许多物理量，如:质量、力、长度、能量、速度、时间、加速度、压力、温度等；创造了许多测量仪器和装置，如天平、温度计、脉搏计、望远镜等。但是，科学家们都越来越受到多种物理量单位制的杂乱和无规律的扰乱，无法准确地交流他们的实验结果，迫切需要确立能在国际间通用的物理量单位及其标准。定量研究热现象的第一个标志是测量物体的温度。1593年，伽利略利用空气受热膨胀和遇冷收缩的原理制作了以空气作为测温物质的第一支温度计，但没有固定的刻度。此后，又出现了以酒精或水银为测温物质的玻璃温度计，但因重复性不够好，并未形成测量标准。1665年荷兰物理学家惠更斯提出以冰或沸水的温度作为计量温度的参考点。1703年，丹麦学者罗默则选用冰、水和食盐的混合温度作为零点。1714年，德国物理学家华伦海脱首先用水银制成了数值稳定的温度计，水银的使用大大扩展了测量范围，他选定了两个参考点:以氯化铵与冰水混合物的温度为零华氏度，以人体的温度为96华氏度，中间分为96等分。后来，又作了调整，以水的沸点为212华氏度，纯水的冰点为32华氏度。调整后的人体温度为98.6华氏度，至今一些西方国家仍沿用这种华氏温标。1742年，瑞典物理学家摄尔西斯，提出了一个新的测温系统，以水银为测温物质，将水的沸点定为零摄氏度，冰点定为100摄氏度，成为百分度的温标。8年以后，他的同事建议把标度颠倒过来，这就是著名的摄氏温标，至今仍得到国际上的广泛应用。测温单位和温标的建立，充分说明近代物理学促进了近代计量学的发展。

　　另一方面，在17世纪和18世纪期间，欧洲一些国家沿用各种不同的法定度量衡单位。法国于15世纪末，以利佛(livre，约合490克)为重量单位，1670年前后，又使用脱瓦斯(Toise，约合1.95米)为长度单位，1/6脱瓦斯为1(法国)尺(pied，约合32.5厘米)。1603年，英国使用磅(pound，约合454克)，1/16磅为1盎司(ovnce，约合28.35克)；码(yard，约合0.9144米)，1/3码为1英尺(foot，约合30.5厘米)，1/12英尺为1英寸(inch，约合2.54厘米)。这和欧洲当时迅速发展的工业、贸易和科学技术交流的需要极不适应。

　　从18世纪50年代起，法国科学家们开始寻找一个适用于世界各国的通用单位，以便以它为基础得到一种在所有国家都能使用的计量单位制。1790年，法国国民议会责成科学院组成计量改革委员会。次年，委员会提议以赤道到北极的子午线的千万分之一为基本长度单位，并成立了测量子午线、计算、试验摆的振动、研究蒸馏水的重量以及比较古代计量制度五个小组。1793年，委员会又提议使用已有的测量结果尽快建立新的计量制度。1795年4月7日，国民议会颁布新的度量衡制度:采用十进制；米的长度以自北极到赤道段经过巴黎的子午线的一千万分之一为标准；质量单位以1立方分米温度为摄氏4度纯水在真空中的质量。1799年，测绘学家的大地测量工作最终完成，铸出了纯铂米和千克原器。同年12月10日，颁布法律确定米和千克的值。1801年，政府下令改用新制，但遇到许多阻碍，至1812年，拿破仑·波拿巴废新复旧，以顺民情。其后科学文化日进，1837年7月4日的法令终于确定法国从1840年1月1日开始实行“米制”。为纪念这一盛事，制作了纪念章，如图1所示。上面写着:“永远为人类服务”。“米”是近代计量学中第一个以自然物为基准的单位，法国政府和法国科学家从提出方案、测量子午线到制作米原器和千克原器，以至在全民中通行米制单位，前后用了50年时间，为计量学的发展做出了重大贡献。    [page_break]

　　二、从《米制公约》到国际单位制的建立

　　19世纪初期，英国工业革命蓬勃发展，法国也开始了工业革命，从19世纪70年代起，德国发生了以电力的广泛使用为标志的第二次工业革命。19世纪的自然科学经历了突飞猛  进的发展，科学家受牛顿力学的影响，在实验科学中取得许多重大突破，如:焦耳定律、卡诺热循环理论、安培电流定律、法拉第电磁感应理论、麦克斯韦电磁场理论、拉瓦锡氧的发现和氧化学说等。相继建立起热力学、电磁学、化学等学科并得到了技术应用。数学长足进步，不断推出新概念和新方法。天文学、地学有很大发展。光学、生物学、有机化学也随之兴起。科学的进步为计量学发展奠定了理论基础。

　　19世纪初，米制开始向世界普及。1820年，米制先由欧洲几个低地国家(荷兰、比利时、卢森堡)所采用，接着西班牙、哥伦比亚、墨西哥、葡萄牙、意大利以及很多其它国家相继采用。1851年，第一届万国博览会(世界博览会)在伦敦举办。会上，展出的巴黎工艺院米尺，参观者及见此精良制造之尺，十分惊喜，认为必须有统一的度量衡制，才能对陈列品比较其优劣、评定其价值。1855年，在巴黎的一次国际会议上，与会者创议设立度量衡研究会，推行米制。同年，巴黎万国工艺博览会审查委员会开会讨论实行米制办法，要求委员们“各尽心力，劝告本国政府及有识之士，推行米制，以谋公益”。1864年，英国允许米制单位同英制单位并用。同年，德国也全部采用米制。1867年，巴黎世界博览会期间，在世界工业巨大发展的强烈影响下，一批科学家创建了度量衡和货币委员会，专门研究和推动两者的世界统一任务。可见当时统一世界计量单位制已是大势所趋。1869年，法国政府邀请许多国家派代表参加“国际计量委员会”。1870年8月，有24个国家派了代表到巴黎开会，后因普法战争会议中止。1872年，由30个国家的代表继续开会，再次肯定上次会议关于制造米和千克新原器并向各与会国提供复制品的决议。1875年3月1日，法国政府召开“米制外交会议”。5月20日，17个国家的全权代表签署了《米制公约》，决定成立国际计量局(BIPM)，这是计量学走向国际统一的里程碑。

　　1875年《米制公约》签订以后，新成立的国际计量局在“国际计量委员会(CIPM)”的领导下集中全力准备米和千克原器和各种复制品的制造工作并筹备第1届国际计量大会。1889年，第1届国际计量大会(CGPM)召开。会议明确“议定必要的措施，并督促实施，以保证米制的现代形式——国际单位制的普及和改进”为它的主要任务。就在这次会上，批准了米和千克两个单位的定义:
    1.长度单位米的定义:“长度的单位是米。规定为国际计量局所保存的铂铱尺上的两条中间刻线的轴线在0°C时的距离，这根铂铱尺已被国际计量大会宣布为米原器，保存在标准大气压下，放在两个对称地、置于同一水平面上并相距571毫米的直径至少为1厘米的圆柱上”。
    

    图1  米制纪念章图案

　　2.质量单位千克的定义也在这次大会同时通过，采用铂铱合金制的圆柱体砝码为千克的定义。1901年，第3届国际计量大会进一步明确作了以下规定:
　　(1)千克是质量单位，它等于国际千克原器的质量；
　　(2)“重量”一词表示的量与“力”的性质相同；物体的重量是该物体的质量与重力加速度的乘积；特别是，一个物体的标准重量是该物体的质量与标准重力加速度的乘积(这条规定现已不再适用)。质量单位最初的定义也源于米，千克砝码是根据1立方分米水在密度最大时的的质量制作的。当然米尺和千克砝码在1889年得到国际计量大会正式批准后，已成独立的定义，不再依赖于地球子午线的四千万分之一的长度和1立方分米水的质量。

　　长期以来，时间单位秒的定义也依赖于地球。第一次定义是在1820年，科学家根据观测地球自转和绕太阳公转的周期来确定时间，因为人们的计时习惯是与1昼夜时间密切相关的，而一年中每个昼夜的长短各不相同，故用平均的昼夜时间即平太阳日进行定义，即
　　1秒=1平太阳日/86400
　　这样定义的秒亦称平太阳秒。在随后的约一个世纪内，均未发现地球自转的不稳定性。1930年，出现了振荡周期非常稳定的石英晶体振荡器，由此发现了平太阳秒的变化约为1×10^-8量级，即一昼夜约有1ms的变化。为了避免地球自转和公转不均匀对秒定义的影响，因此于1960年对秒作第二次定义时，是用1900年的回归年，即历书上的特定的回归年进行定义的，即
　　1秒=1回归年/31 556 925.9747
　　这样定义的秒，亦称历书秒，比第一次定义的准确度高一个量级，达到1×10^-9。1901年，在电磁学发展并得到广泛应用的背景下，意大利的G. G. 乔吉倡导建立米、千克、秒单位制与一个实用的电单位(例如电压或电阻单位)结合起来，建立以四个基本单位为基础的一贯单位制。1921年，第6届国际计量大会修订了《米制公约》，确定了建立和保存电学单位基准，并组织各国的基准比对。

　　在此期间，由于热力学和测温技术的发展，已开始了建立温度标准的工作。在18世纪华氏温标和摄氏温标的基础上，1824年，法国工程师卡诺(S.Carnot)提出了热机中的卡诺循环原理。1848年，英国物理学家汤姆逊(W.Thomson)用卡诺循环中热功与温度成正比的公式，提出了建立热力学温标的方案，并以复现性很好的水的三相点为参考点。1854年，开尔文建议用上述方案建立热力学温标。1840年，美国的爱迪生发明了电灯，人类在生产和生活上逐渐进入一个电气化的新时代。1860年，英国率先规定了发光强度的单位，这是在电灯发明前所规定的标准光源——烛光，即采用一支标准蜡烛的发光强度作为单位，称为烛光(candel)。1909年，美、英、法等国决定用一组碳丝白炽灯代替蜡烛成为发光强度的国际标准，取名为国际烛光。

　　由此可见，从19世纪中期至20世纪初期的半个多世纪内，在一批物理学家和工程技术名家的共同努力下，已先后建立起长度、时间、质量、电单位、温度和光度等6个单位的国际标准，为今后建立更加完善的国际单位体系奠定了良好的科学基础。

　　1948年，第9届国际计量大会确定了以电流单位(安培)作为第四个基本单位，而电压和电阻单位作为导出单位，但可以作为复现电单位的根据。

　　1960年，第11届国际计量大会将基于米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉等6个基本单位的单位制命名为国际单位制(SI)。1971年，第14届国际计量大会又通过了物质的量的单位——摩尔的定义，并决定摩尔为国际单位制7个基本单位之一，使以7个基本单位为基础的国际单位制得到了进一步完善。[page_break]

　　三、国际单位制的发展和测量及校准结果的国际多边互认

　　以7个基本单位为基础的国际单位制的建立标志着计量学发展进入一个新的阶段，它实现了计量单位在各国、各地区以及科技、经济、社会各领域中的广泛通用的目标。虽然，美国目前尚使用部分英制单位，但以国际计量大会、国际计量委员会为权威单位的一切文件、决定和国际推荐值，均一律采用国际单位制。我国于1984年，国务院发布了《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》，在其后颁布的计量法中，也明文规定采用国际单位制。从此，沿用了几千年的尺、寸和斤、两已为米和千克代替。采用国际单位制是我国计量领域与国际全面接轨的重大举措。

　　自1960年以来，计量单位的定义有以量子物理为依据、以基本物理常数为基础的明显趋势。一些基本单位和导出单位在采用新定义后，其复现的准确度有了大幅度的提高。

　　1.时间单位的定义

　　在经历了根据地球运转的平太阳秒和历书秒的两次定义后，20世纪70年代采用了铯原子的量子跃迁的定义。1967年第13届国际计量大会通过了新的秒定义:“秒是铯 -133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间”。在铯原子钟的发展中，经历了用磁选态、激光选态和原子喷泉等三种方案来激励定义中的辐射跃迁，它们使秒定义的复现不确定度分别达到了1×10^-13、1×10^-14和1×10^-15的量级。使时间频率的测量达到整个计量基本单位复现准确度的顶峰。

　　2.长度单位的定义

　　在经历了用铂铱米尺(1889)和氪86橙黄谱线(1960)的两次定义后，1983年第17届国际计量大会通过了米的新定义:“米是光在真空中在1/299 792 458秒的时间间隔内行程的长度”。这个定义有三种复现方法:第一种方法是用平面电磁波在真空中行进的距离，即l=ct,式中l为距离，c为真空中光速，其国际约定值为c=299 792 458 m/s，t为平面波行进的时间；第二种方法是采用公式:λ=c/f, 式中f为激光或其他平面电磁波的频率，λ为其相应的真空中波长，λ可通过光速c和频率f得出，由此成为复现长度单位米的标准波长；第三种方式是用国际上推荐的标准频率值和相应的真空波长值。

　　2001年国际长度咨询委员会(CCL)公布的国际推荐频标值已达13类，其频率或波长的不确定度为10^-11～10^-14量级，其中不确定度最小的为氢原子1S～2S跃迁的频率，不确定度达1.4×10^-14。

　　1999年以来，由于光频测量技术出现了革命性的突破，近30年来使用的谐波测量的庞大而复杂的测频系统，可以用飞秒锁模激光器的光频梳来代替，由于后者在测量中从微波频率可直接与光波频率建立联系，测量方法上的简化，测量准确度的提高，使这项技术在两、三年中的成就已远超过过去30年来测量成就的总和。它使光频标准的测量和复现精度的潜力得到了充分的发挥。目前以该项技术为基础，已开始了研制光钟的热潮，预期光钟的频率复现性可达10^-15至10^-18的量级，它将代替铯原子钟成为新的时间单位定义的基础，也将使计量基本单位的复现准确度攀登上新的顶峰。

　　3.其他单位的概况

　　由于约瑟夫森效应和量子化霍尔效应在复现电单位上应用的成功，1990年国际上正式采用了这两个量子效应来复现电压和电阻单位，并成为复现电流单位安培的基础。

　　质量单位千克是保持1889年首次定义的惟一的基本单位，它的复现性为10-9量级。目前，国际上正在积极研究用原子物理或量子物理的方法来代替实物基准的途径。

1967年，第13届国际计量大会通过了温度单位的定义为:“热力学温度单位开尔文是水的三相点热力学温度的1/273.16”。这个定义与以前定义的差别是，将原来的开氏度(°K)改为开尔文(K)，这个更改使热力学温标已无必要，使温度表示从温标的地位上升到单位量。

　　1971年，物质的量的单位摩尔成为最晚确立的一个基本单位，它的定义是:“摩尔是一系统的物质的量，该系统所包含的基本单元数与0.012千克碳-12 原子数目相等。”这个定义是联系宏观质量单位与微观粒子(原子、分子、电子等)质量之间的桥梁。因为在基本粒子物理学中，微观粒子的质量通常是以u为单位的。u称为统一的原子质量单位，1u=mu(¹²C)/12，即碳12原子质量的1/12。

　　微观粒子的质量在用u表示时称为相对原子质量，目前的测量不确定度在10^-8～10^-11之间，多数量值的不确定度均可低于作为基本单位千克的不确定度。

　　4.基本物理常数的精密测量及其在定义计量单位中的作用

　　基本物理常数是指自然界的一些普遍适用的常数，它们不随时间、地点或环境条件的影响而变化。基本物理常数的引入和发展是物理学发展的一个缩影，曾对物理学定律的确立，联系整个物理世界的规律起到了不可替代的重大作用。近年来，它在定义计量基本单位或重要的导出单位方面又起到了关键作用。例如，1983年新的米定义中采用了真空中光速c的约定值，1990年采用的电压和电阻单位的定义中采用了约瑟夫森常数Kj和冯·克里青常数Rk的约定值，质量单位的未来定义也要用到有关的基本常数，摩尔的定义中用到了阿伏伽德罗常数NA，其他基本单位未来的定义中也将会采用一些有关的基本物理常数。

　　基本物理常数的精密测量是一项规模巨大、涉及面极广的一项科学技术基础性研究工作，自1973年以来，国际科学技术数据委员会(简称CODATA)曾发布了三次国际推荐值，最近的一次数据是1998年推荐，1999年底正式公布的，它包括的基本物理常数及其组合量约有175个之多，这些常数之间构成了一个自洽的关系，用最小二乘法平差协调它们成为一个有机的组合。

　　由于基本物理常数是物理量中一些恒定的数值，它反映了物理学的规律，因此可以利用这些数值来确定计量基本单位之间或与重要的导出单位之间的有机联系，使国际单位制成为一个彼此相关的整体，目前的方法是用时间(频率)单位，通过一些常数与其他基本单位(或导出单位)建立联系，从而确立这些单位的定义。这在长度单位和电单位的定义或复现上已经取得了成功。这种发展趋势在本世纪将会有更加富有成效的发展。

　　近代计量学发展的另一个重要进展，是在建立测量和校准结果的国际多边互认制度方面。1985年，英国率先成立了全国统一的国家认可机构。这是由国家法律或政府授权的一个权威性公正机构，依据正式发布的认可要求，对认证机构、检验机构(测试实验室)或人员等从事的有关测量的能力实施评定，对符合要求的机构或人员进行注册，并向社会公布，证明被认可(注册)的机构或人员具备相应能力的活动。这是由权威机构对组织从事检验、检查、认证等评价活动的能力给予正式承认的程序。

　　近年来，这种制度逐渐在国际上推广使用。世界各国的评定机构之间，在按照规定的规则程序，通过国际评审，证明合格评定过程的等效性的基础上，相互接受合格评定的结果。这种相互承认活动可以在国家、区域和国际三个层次上进行，通过签订双边或多边相互承认协议加以规定和实施。1997年至1998年间，由国际计量局在巴黎召开了两次《米制公约》成员国国家计量院院长会议，签署了有关标准和测量证书的互认协议，并在成员国之间开展100多项的关键比对，以利于实现量值的国际统一。国际上在科学研究、工农业生产以及多边贸易的发展方面可以具有统一的计量标准和单位量，正朝着近代计量学的最终目标——以最高准确度统一全世界的物理测量大步迈进。

　　2000年10月17日，国际计量委员会隆重举行国际计量局成立125周年纪念大会，总结一个多世纪以来从近代计量学发展到现代计量学所取得的辉煌成就。
　　本文在成稿中，得到罗振之和邱隆两位同志的补充和修改，在此表示衷心的感谢。
　　 (作者为计量测试高技术联合实验室研究员)