米 (m)
词源
源自希腊语 métron(μέτρον,意为「量度、尺度」)。「测量」这一行为本身成了这个单位的名字。
故事·由来
1791年,法国科学院将「从赤道到北极、即子午线四分之一长度的一千万分之一」定义为1米。其后制成铂铱合金的国际米原器,自1889年起成为长度的世界基准。
现今定义
自1983年起,米被定义为「光在真空中于1/299,792,458秒内行进的距离」,从而将光速 c 固定为精确值 299,792,458 m/s。
单位的词源与故事
我们每天使用的单位,背后都有名称的由来和故事。米诞生于地球的大小,马力来自与马的较量。让我们一起追溯身边单位的词源、历史与今天的定义。
千克 (kg)
词源
由源自希腊语的前缀 kilo-(千)与法语 gramme(源自晚期拉丁语 gramma)组合而成,字面意为「一千克」。
故事·由来
曾几何时,由90%铂、10%铱合金制成的「国际千克原器」(昵称「大K」Le Grand K)保存在巴黎近郊国际计量局(BIPM)的保险库中,是质量唯一的实物基准。然而数十年间,原器与其复制品之间出现了数十微克的质量差异。
现今定义
2019年5月20日,千克通过将普朗克常数 h 固定为精确值 6.62607015×10⁻³⁴ J·s 而被重新定义,服役130年的实物原器终于退役。
来源: Wikipedia (en): Kilogram ·Wikipedia (en): International Prototype of the Kilogram
秒 (s)
词源
源自拉丁语 secunda (pars) minuta,意为「第二次细分」。把1小时分成60份得到「分」(第一次细分),再把分分成60份得到「秒」(第二次细分)。
故事·由来
过去,1秒被定义为平均太阳日(1天)的1/86,400(=24小时×60×60)。但地球自转略有起伏,因此需要更稳定的基准。
现今定义
1967年,1秒被定义为铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的 9,192,631,770 个周期所持续的时间,时间单位由此基于原子钟。
摄氏度 (°C)
词源
以瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯(Anders Celsius,1701–1744)命名。1948年国际计量大会将其命名为「摄氏度」并采用符号 °C。
故事·由来
摄尔修斯1742年提出的最初刻度与现今相反:0为水的沸点,100为水的凝固点(数字越大越冷)。他去世后刻度被颠倒过来,变为0=冰点、100=沸点(据传与卡尔·林奈等人有关)。
现今定义
如今它是日常使用的温标:在标准大气压下,水在0℃结冰、100℃沸腾。1摄氏度的大小与1开尔文严格相等。
华氏度 (°F)
词源
以德国出生的物理学家、仪器工匠丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特(Daniel Gabriel Fahrenheit,1686–1736)命名。
故事·由来
华伦海特约于1724年确立此温标。他将水、冰与氯化铵(盐)的冷冻混合物所能达到的最低温度附近定为0°F,并以人体体温附近作为一个基准点之一(细节众说纷纭)。
现今定义
现今定义中,水的凝固点为32°F、沸点为212°F(两者相差恰好180度)。美国等地至今仍在日常使用。
来源: Wikipedia (en): Fahrenheit ·Wikipedia (en): Daniel Gabriel Fahrenheit
开尔文 (K)
词源
以爱尔兰出生的物理学家威廉·汤姆森(开尔文勋爵一世,1824–1907)命名。他依流经格拉斯哥大学旁的开尔文河来选取自己的封号。
故事·由来
开尔文是国际单位制的热力学温度单位,是以绝对零度(分子热运动停止的理论最低温度,约−273.15℃)为0 K起点的绝对温标。1开尔文的大小与1摄氏度相等,所以摄氏值加上273.15即得开尔文值。
现今定义
经2019年重新定义,开尔文通过将玻尔兹曼常数 k 固定为精确值 1.380649×10⁻²³ J/K 而定义。
来源: Wikipedia (en): Kelvin ·Wikipedia (en): William Thomson, 1st Baron Kelvin
马力 (hp)
词源
顾名思义即「马的力量」,是苏格兰工程师詹姆斯·瓦特(James Watt,1736–1819)提出的功率单位。
故事·由来
瓦特为了把自己的蒸汽机与当时主要的动力来源——役马相比较以利推销,而定义了马力。他以马在一定时间内提升重物的功率为基准。国际单位制的功率单位「瓦特」也同样以瓦特本人命名。
现今定义
1马力(机械马力)约等于 33,000 英尺·磅力每分钟(ft·lbf/min),即约 745.7 瓦特。
英里 (mi)
词源
源自拉丁语 mille passus(milia passuum,意为「一千复步」)。mille 即「千」之意。
故事·由来
罗马士兵左右脚各迈一次称为一「复步」(pace),1000个复步即为一罗马里(约1,480米)。其后各地长度不一,直到1593年英格兰法令规定1英里=8浪(furlong)=5,280英尺。
现今定义
现今的国际英里被精确定义为 1,609.344 米(=1.609344 千米)。
英寸 (in)
词源
源自拉丁语 uncia(意为「十二分之一」),与重量单位盎司(ounce)同源。1英寸是1英尺的十二分之一。
故事·由来
古时据说源自「拇指的宽度」这一人体尺度。中世纪英格兰还有把「三粒大麦(barleycorn)首尾相接的长度」定为1英寸的规定(1英寸=3粒大麦)。
现今定义
现今的国际英寸被精确定义为 25.4 毫米(=2.54 厘米)。
节 (kn)
词源
字面即「绳结(knot)」。1节为每小时1海里(约 1.852 千米/时),用于表示船舶和飞机的速度。
故事·由来
帆船时代,水手将系着绳结(每隔一定间距打一个结)的测程绳(log line)末端拴上木片抛入海中,以沙漏计时,数出一定时间内放出的绳结数目,以此测算船速——这便是「节」的由来。
现今定义
作为基准的海里(nautical mile)基于地球子午线纬度1分对应的长度,现今被精确定义为 1,852 米,因此1节即 1,852 米/时。
来源: Wikipedia (en): Knot (unit) ·Wikipedia (en): Nautical mile
卡路里 (cal)
词源
源自拉丁语 calor(意为「热」),是表示热量、能量的单位。
故事·由来
1卡路里大致定义为「使1克水温度升高1℃(=1K)所需的热量」。由于所取基准水温不同,存在如15℃卡路里等定义差异。需注意营养学所说的「卡(Cal)」实际上是千卡(kcal,1,000 cal)。
现今定义
1卡路里约合 4.184 焦耳。国际单位制的能量单位是焦耳,科学上通常使用焦耳。
常见问题
为什么要用物理常数重新定义单位?
像原器这样的实物可能丢失、损坏,或随时间发生漂移。而光速、普朗克常数等物理常数在宇宙各处都恒定不变,以它们为基准,任何人都能随时随地复现同一单位,精度也大幅提升。2019年,千克、开尔文等单位便改用了这种方式。
1米最初是怎样定义的?
1791年,法国科学院将「从赤道到北极(即子午线的四分之一)的一千万分之一」定义为1米。其后历经实物米原器,自1983年起,1米被定义为「光在真空中于1/299,792,458秒内行进的距离」。
营养学的「卡路里」和物理学的「卡路里」相同吗?
其实是不同的单位。食品标签上的「卡(Cal)」是物理学卡(cal)的1000倍,即千卡(kcal)。1物理卡是使1克水温度升高约1℃所需的热量,约合4.184焦耳。