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基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的建立

佚名 2025-04-24 16:32:56

度量衡是指統(tǒng)一準(zhǔn)確的測量

。要達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的
,必須有兩方面條件作保證
,即用法制和技術(shù)的手段來保證度量衡單位的統(tǒng)一和量值的準(zhǔn)確可靠
。度量衡技術(shù)包括的范圍很廣
,但建立基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是其中重要的一個方面?div id="m50uktp" class="box-center"> ,F(xiàn)代計量科學(xué)的基準(zhǔn)必須具備以下條件:(1)要求具有很高的“穩(wěn)定性”
。(2)在不同的時間地點都能夠具有“復(fù)現(xiàn)性”。(3)能夠達(dá)到很高的“精度”
。古代度量衡由于受科學(xué)技術(shù)水平的限制
,在建立基準(zhǔn)時是難以達(dá)到以上要求的,但早在秦漢時期
,已有不少的科學(xué)工作者相繼努力
,作了各方面的探討,試圖尋求各種自然物來建立度量衡的基準(zhǔn)了

人們早期的測量借用手腳的長度

,如“布手知尺”、“邁步定畝”
、“手捧成升”等
,由于成年人的身體各部位不會有太大的區(qū)別,在建造原始半地穴式房屋或分配谷物時
,用這些方法進(jìn)行測量,其精度盡管粗疏
,但只要在使用它的一定范圍內(nèi)具有通用性
,也就達(dá)到目的了。隨著人類生產(chǎn)技術(shù)的提高
,如果沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)
,測量時出現(xiàn)較大誤差而反映出來的矛盾便日益突出
,并且成為影響準(zhǔn)確測量的障礙時,就需要建立相對準(zhǔn)確而具有權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)
,從而出現(xiàn)了禹“身為度”
,即以大禹身體某一部分的長度定為一個長度單位,并且制造出專用的測量器具
,這一器具便成為治水工程中唯一的標(biāo)準(zhǔn)了
。然而大禹的“尺”只是一件實物樣板,如果這件校板丟失
、損壞
、變化或是改朝換代,都會直接影響這個“量”的存在或繼續(xù)使用
。隨著社會的進(jìn)步
,人們開始認(rèn)識到建立一種自然物作基準(zhǔn)的必要性。

(1)用自然物定度量衡基準(zhǔn)

我國古代為建立度量衡基準(zhǔn)

,始終做著不懈的努力
,并且積累了豐富的經(jīng)驗。商代的三支骨尺
、牙尺
,長度皆在16厘米左右,正好是中等身高人姆指尖至食指尖間一拃的長度
,與“布手知尺”相吻合
。古代科學(xué)工作者深知用人體作長度標(biāo)準(zhǔn)誤差很大的道理,因此一直在尋找一種復(fù)現(xiàn)性較好的自然物來定義一尺的長度
?div id="m50uktp" class="box-center"> !痘茨献印ぬ煳挠?xùn)》中說:“十二粟而當(dāng)一寸?div id="m50uktp" class="box-center"> !薄墩f文》:“十發(fā)為程
,十程為分?div id="m50uktp" class="box-center"> !薄秾O子算經(jīng)》:“蠶吐絲為忽
,十忽為秒,十秒為毫
,十毫為厘
,十厘為分?div id="m50uktp" class="box-center"> !薄兑拙曂ㄘ则灐罚骸笆R尾為一分”等
,說法各異,然而都難以和當(dāng)時的尺度相符
,唯《漢書·律歷志》記:“以子谷秬黍中者
,一黍之廣度之……一為一分
。”黍和粟都是我國古代主要的糧食作物
,粟即小米
,古代又稱稷,而黍因產(chǎn)量較低
,種植面積逐漸縮小
,迄今已鮮為人知了。唐以后有人誤認(rèn)為稷即黍之不粘者
,元以后又有人誤指黍為高粱
,皆有誤。黍子多為橢圓形
,平滑而有光澤
,有白色、黃色和褐色三種
,我國北方栽培較多
,供食用或釀酒?div id="4qifd00" class="flower right">
!稘h書·律歷志》所說的一黍之廣度之
,即選用中等大小的黍橫排,一粒黍的寬度相當(dāng)于一分之長
。為求證此說
,我們曾作過多次試驗,用山西
、北京等地所產(chǎn)淺黃和深褐色的黍子橫排(即黍之短徑)100粒
,約合23厘米,與漢代一尺之長相合
。在兩千多年前的秦漢時期
,應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計法求得平均值來定一尺之長,也是合乎科學(xué)的
,比起“布手知尺”的復(fù)現(xiàn)性有很大提高
,準(zhǔn)確度也基本上能滿足當(dāng)時日常使用的要求。直到清朝
,康熙皇帝還親自累黍定尺
。由于清尺長,漢尺短
,把橫排黍改為縱排(即黍之長徑)
,累黍100粒約合32厘米,恰恰亦正為清營造尺一尺之長。這雖然是一種巧合
,但也說明我們的祖先為尋求某種自然物來確立長度基準(zhǔn)曾經(jīng)作了科學(xué)的探索。

(2)用有固定音高的黃鐘律管定長度基準(zhǔn)

用發(fā)出固定音高的黃鐘律管定長度基準(zhǔn)

,是中國古代偉大的發(fā)明創(chuàng)造
,這種方法與幾千年后的現(xiàn)代,也曾采用光波之長作為長度基準(zhǔn)
,其基本理論有驚人的相似之處

中國古代未把度量衡列為專門學(xué)科,而多隨音律

、歷算學(xué)并存
,尤其是與音律學(xué)互為參證,成為古代度量衡史上的一大特點
。由于在古代中國還沒有頻率的概念
,樂律學(xué)家通常用尺來量度弦或律管的長短以確定音高,這就是古代度量衡與樂律學(xué)之間有著密切關(guān)系的緣由

早在原始社會時期就有了音樂

,近年來出土了這一時期的簡單樂器——骨笛、陶塤
、石磬等等
。在中國,自從國家出現(xiàn)以后
,統(tǒng)治階級便把樂律和禮儀制度看得十分重要
,《尚書·虞書·舜典》中有“歲二月,東巡守
,至于岱宗
,柴,望秩于山川
,肆覲東后
,協(xié)時月,正日
,同律度量衡”
。大意是說:舜居攝帝位后,于二月巡視到東方各地
,在泰山下的岱廟
,朝拜諸神,并安撫百姓及時耕作
,調(diào)協(xié)四季的月份
,訂正日字(日之甲乙),統(tǒng)一了歷法,又下令統(tǒng)一音律和度量衡
,以便齊一遠(yuǎn)近
,取信于民?div id="jfovm50" class="index-wrap">!秴问洗呵铩す艠贰分幸延杏霉芏傻挠涊d:

黃帝令伶?zhèn)愖鳛槁桑鎮(zhèn)愖源笙闹?div id="jfovm50" class="index-wrap">,乃之阮喻之陰
,取竹于嶰溪之谷,以生竅厚均者
,斷兩節(jié)間
,其長三寸九分,而吹之
,以為黃鐘之宮
。吹曰舍少,次制十二筒
,以之阮喻之下
,聽鳳凰之鳴,以別十二律
,其雄鳴為六
,雌鳴亦六,以比黃鐘之宮適合
。黃鐘之宮皆可以生之
,故曰黃鐘之宮,律呂之本

這段文字是說

,在很早很早的古代,黃帝命令樂官伶?zhèn)惗?div id="d48novz" class="flower left">
,他在昆侖山的陰面尋找管壁厚薄均勻的竹子
,用來做音律管,又以音頻穩(wěn)定
、聲音優(yōu)美的一種鳥的叫聲定為基本律
,當(dāng)律管吹出來的聲音與這種鳥的叫聲相合時,就把這一基音定為黃鐘之律
。這段話雖然摻雜了一些神話色彩
,但卻也包含著一定的科學(xué)內(nèi)容,故為歷代樂律學(xué)家所推崇

律管所發(fā)出的聲音是由律管本身的固有頻率所決定的

,換句話說
,一根律管所發(fā)出的聲音的頻率,就是它固有的頻率
。從物理學(xué)上可以證明
,頻率又與聲波波長成反比;理論上閉口管空氣柱基波的波長等于管長的四倍
,因此
,如果管的口徑不變,那么頻率與管長的四倍成反比
。聲速在某個溫度條件下是一定的,由此可以得出
,如果管徑不變的話
,頻率和管長就有確定的關(guān)系;管子長
,聲音就低
;頻率增加一倍,音調(diào)也就提高一個八度
。因此
,把管子的口徑和長度確定下來,那么這支律管所發(fā)出的絕對音高也就被確定下來
。故要做一支具有一定頻率的律管
,就要定出合乎科學(xué)的長度。反之
,律管頻率定下來
,它的長度也應(yīng)是確定的。盡管幾千年前的先哲們尚不知波長這一物理量
,也不知管內(nèi)空氣振動的法則
,然而,中國尺度之制定早與音波波長相聯(lián)系
,使其有簡單的比例關(guān)系
,這與現(xiàn)代曾以光波波長為長度基準(zhǔn)的原理業(yè)已暗合。在古代
,如果要確定黃鐘律管的音高
,只能用耳朵去分辨。一位好的樂工能準(zhǔn)確地判斷出各種音調(diào)
。古代中國素稱禮樂之邦
,音樂舞蹈極為普及,歷代的文人學(xué)士
,騷人墨客都諳熟樂律
,不知音律者幾乎不能為詩作文。歷史上關(guān)于用耳來分辨樂律的記載就更多了,如西晉時樂律學(xué)家荀勖〔xu緒〕
,奉命以古律重整當(dāng)時的宮廷音樂
,荀勖憑著他聰慧的聽力指出,與古樂相比
,當(dāng)朝的黃鐘調(diào)聲高了
,于是重新制作了一支黃鐘律管,隨即用這支律管去校尺
,果然發(fā)現(xiàn)比古尺長了四分有余
。后來經(jīng)過考證,荀勖所定的尺確實與漢時新莽的尺度相符
。也就是說
,只要有一部分樂律學(xué)家能牢牢地把握住黃鐘律,那么就可以依據(jù)律管的長度而復(fù)制出標(biāo)準(zhǔn)的尺度了
。然而
,“量”是一個實體,但聲卻看不見
,抓不住
,只能憑耳朵聽,所以古人說:“音失之甚易
,求之甚難”
。要想把度量衡三個量的實體,寓意于無形的聲和數(shù)之中
,畢竟還是難以復(fù)現(xiàn)的
,于是便有了累黍定律之法?div id="m50uktp" class="box-center"> !稘h書·律歷志》是最早把樂律與度量衡的關(guān)系用累黍的方法具體化的古代文獻(xiàn)
。《律歷志》第一
,開首便見:“虞書曰‘乃同律度量衡’所以齊遠(yuǎn)近立民信也
。”又曰:“度者本起黃鐘之長
,以子谷秬黍中者
,一黍之廣度之,九十分黃鐘之長
,一為一分
。”“量者……本起于黃鐘之龠
,用度數(shù)審其容
,以子谷秬黍中者
,千有二百實其龠……”“權(quán)者……本起于黃鐘之重,一龠容千二百黍
,重十二銖……”上述三段話的主要內(nèi)容是
,用累黍的方法,加以度量衡三個量相互參照
,從而把律管長度
,管律具體化。這種以抽象的理論與具象的實體相結(jié)合的做法
,是古人經(jīng)過反復(fù)實驗的總結(jié)
,是漢代在度量衡史上一項重大創(chuàng)造性的發(fā)明。經(jīng)過我們反復(fù)驗證
,用累黍的方法來校量度量衡
,是能夠達(dá)到相對準(zhǔn)確度的。我們的做法是
,選用1200粒中等大小的黃色秬黍,第一步是橫累100粒
,得到長度是23厘米
,與漢時新莽之尺基本相合。第二步用1200粒黍測其容
,見11.5毫升
,略大于新莽一龠之量(莽時一龠當(dāng)為10毫升)。第三步再用這1200粒測其重
,得7.4克
,與新莽12銖之重亦相近(莽時一龠當(dāng)為7.4克)。

盡管無論是用累黍定尺

,還是用黃鐘律管定尺
,都還存在一系列難于規(guī)定的技術(shù)規(guī)范。但是如果我們考慮到當(dāng)時的具體條件
,而以累黍定尺與布手知尺來比較
,它的精確度畢竟高了很多。這種用律管作長度基準(zhǔn)的作法
,與1960年第十一屆國際計量大會上通過用光波波長作為制定一米長度的基準(zhǔn)
,其原理是相同的。雖然現(xiàn)代計量科學(xué)用光波定義長度在穩(wěn)定性和精密度上決非黃鐘律可與之相比
,然而在數(shù)千年前的古代中國即用聲來定度
,用律管來校正度量衡,卻是科技史上值得炫耀的一頁

在漢代

,利用金屬和純水比重確定度量衡單位量值標(biāo)準(zhǔn)的方法
,也已得到應(yīng)用?div id="m50uktp" class="box-center"> !稘h書·食貨志》:“黃金方寸
,而重一斤?div id="m50uktp" class="box-center"> !薄逗鬂h書·禮儀志》:“水一升
,冬重十三兩?div id="m50uktp" class="box-center"> !边@些方法的提出與1874年米制公約將長度
、體積和重量的量值相互關(guān)聯(lián)起來,即1克是1立方厘米的水在4攝氏度下的質(zhì)量(1升等于1000立方厘米)是十分相似的
,而中國卻早了1500多年

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