南·阿尔(Sinan Aral)曾说:“推动科学革命3的往往是测量革命。”从错误的染色体数目到物种的错误分类,我们越来越专注于测量周遭的事物,因此,我们的知识不断增加,而且大量的知识被推翻的概率也在增加。开尔文勋爵格言的一个推论:你测量出的数据可能是不正确的。测量几乎影响着我们所知道的一切,所以本章专门探讨测量与事实相互交织的多种方式,我们先从如何逐年改进测量分析、进而加深对世界的认识这一点入手。让我们来看看科学革命,那时许多的思想都与测量有关。
克里斯托弗·雷恩(Christopher Wren)在1666年参与了大火灾后的伦敦的重建工作,并因其建筑杰作而享誉世界,他为现代科学做出了多方面贡献。其中之一就是他针对测量进行的创新。之前我们提过另一位科学革命巨匠约翰·威尔金斯,雷恩正是和他一起参与了“米”这个单位的创造。
在1668年4月英国皇家学会的一次会议上,威尔金斯提出是时候把测量标准化了。他提出的测量标准之一就是长度。他认为,各种长度单位都由基本长度单位派生而来,所以基本长度单位应该定为标准,定义如下:秒摆——从一个最高点摆到另一个最高点的用时(又叫单摆周期)正好是一秒的单摆——的长度。这一定义建立在几十年前伽利略一项发现的基础之上,无论摆锤重量如何,长度相同的钟摆摆动速率相同。此外,无论你在什么高度松开摆锤,它摆到对应最高点所需的时间是相同的。
克里斯托弗·雷恩向威尔金斯提出的这个建议最终得到了采纳。39.25英寸被作为标准确定下来,这一长度与现在的计量单位“米”非常接近。后来,威尔金斯又根据基本长度单位进一步定义了一套常规的长度单位4,如基本长度单位的十分之一是一英尺(foot),而10个基本长度单位相当于一杆(pearch)。他还提出,每条边长都是基本长度单位的立方体容积是一蒲式耳(bushel)。
显而易见,这些派生出来的计量单位后来并没有沿用下来。事实上,我觉得现在很难找到一个还知道杆的含义的人——如果你好奇的话我告诉你,它差不多相当于10米(decameter),这个词似乎很少使用。但是,基本长度单位(法语中写作metre或meter)一直沿用到今天。
但是在18世纪的时候,长度单位的另一种定义方法最终胜出。它不是用时间来计算出一米(威尔金斯认为他的测量方式在整个宇宙都是适用的,因此很难被一个新创造的测量单位所击败),它对米的定义源于子午线的弧长。最后一米的定义变成了:从赤道到北极的子午线弧长的千万分之一。地球不是标准球体,它的表面高低起伏,所以每一点上所受的重力不尽相同,而这会影响到单摆的摆动,所以法国科学学会(French Academy of Sciences)在1791年时选择了基于距离(而非时间)的测量方式。
但这里有一个问题。在1791年的时候,还没有人亲身到过北极,而且,用于测量从赤道到北极的子午线弧长的方法有着很大的差异。与前面的情况所不同的是,不仅地球的特性没有完全被人类了解,而且这些未知的特性很可能会影响到测量本身。长度单位肯定会受到对地球的测量精度的影响,所以测量出的长度是在变化的。因此也产生了一个反馈循环,我们对测量越在行,测量精度就会越高。
米的定义一直在变化。科技进步和先进工艺的涌现使得米的定义不断发展。在这个过程中,米的定义的精确度也在提高,最终它会像其他的定义一样达到非常精确。
虽然知道一米大约是多长有助于我们完成许多任务,比如,切割地毯、测量自己的身高,但是如果是更高端、更精确的任务,比如设计一个电路板,它恐怕就无能为力了。随着技术和科学的发展,世界已然越来越复杂,我们需要更为详尽且更为精确的测量。我倒不特别在意我的身高矮了半厘米,但是换作测量微生物的大小的话,我会更加严谨。
因此,在1889年,人们用铂铱合金制作了一把真的米尺,官方认可它的长度为一米,以避免因依据子午线弧长而造成的模棱两可。之后,所有的米尺都要根据这把严格规定好长度的米原型尺来制作。
但是变数仍然存在,你不能排除米原型尺被损坏的可能。此外,任何气压或温度的轻微变化都可以造成其长度的改变,哪怕只是很轻微的改变。米的定义中包含了对米尺原型所处的气压和环境温度的具体说明,但是要保证这么精确的条件是非常困难的。
于是,一个国际科学家小组用自然米代替实物米进行了定义,他们引入了气体氪的一种同位素,这种原子在真空中会发光,最终他们用光波的波长定义了米。我们目前还在使用这个定义,它其实说的是在理想状态下一段极短却又极为精确的时间内,光在真空中传播的距离。如此一来,光的速度与米的长度5便密不可分地联系在了一起。我们的测量会变得更加精确,但光的速度是不变的;而米的定义是在变