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| 編輯推薦： |
一副关于计量单位的“细密画”。本书详细介绍了7大国际基本计量单位的发展历史，它们分别是：长度单位米、时间单位秒、质量单位千克、温度单位开尔文、电流单位安培、物质的量的单位摩尔、发光强度的单位坎德拉。
一张科学发展的“大事年表”。从牛顿的经典力学到爱因斯坦的相对论，从元素周期表到阿伏伽德罗常数，科学的发展与计量单位的发展紧密相关又相互独立，二者可谓相辅相成。
一本像《一千零一夜》的科学故事集。从猫王、披头士到普朗克，从维特鲁威、贝多芬到伏特，从啤酒到红酒，从比克笔到节拍器，作者用计量单位将它们串联起来，阅读本书就像在琳琅满目的市集上散步。
国际热核聚变研究项目DTT首席物理学家、意大利著名科普作家皮耶罗马丁全新力作；“主宰生活的科学之道”系列。
来自中国计量大学、复旦大学物理系与中国计量科学研究院的数位老师联袂推荐！
湛庐文化出品。
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| 內容簡介： |
为什么过去的伟大文明都对统一计量给予了极大关注？法国大革命与计量单位的统一有什么样的关系？爱因斯坦提出相对论对计量单位的发展有什么影响？光速为什么可以取代铂杆成为定义米的基准？时间计量的发展与人们对时间的理解是同步的吗？
以上问题都可以在《丈量世界的7种方式》中找到答案。有史以来，计量就与人类的经验交织在一起，塑造了我们对自然、超自然与人类生活的理解。本书作者、著名物理学家皮耶罗·马丁探索了7个国际基本计量单位的定义历史，它们分别是：长度单位米、时间单位秒、质量单位千克、温度单位开尔文、电流单位安培、物质的量的单位摩尔、发光强度的单位坎德拉。
马丁不仅介绍了7个国际计量单位的定义历史，还解释了计量单位与科学难解难分的关系。从经典物理学到量子力学，从相对论到化学，从宇宙学到基本粒子物理学，从医学到现代技术，所有这些科学领域都与计量单位的发展紧密相关。
马丁在晦涩的数字与有趣的轶事、严谨的科学与文学叙事之间取得了优雅的平衡。在这本书中，不仅有精准到小数点后若干位的数字，还有让人意想不到的故事，如物理学家普朗克为自己儿子求情、贝多芬成为第一批节拍器用户等等。马丁融会贯通的能力使这本书成为一本色彩丰富的画卷。
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| 關於作者： |
皮耶罗·马丁（Piero Martin）
意大利帕多瓦大学实验物理学教授，从事热核聚变研究多年，主管多个磁约束聚变领域的实验室，并在多个国际研究项目中担任高管职务，如欧洲聚变能源发展联合会（EURO fusion）、偏滤器托卡马克实验（DTT）项目等。
长期从事科学知识的普及工作，出版过3本科普著作，并积极参加科学节和与科普相关的公共活动。2011年，因其对物理学事业的杰出贡献入选美国物理学会。
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| 目錄：
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前言 丈量，与人类文明共同发祥
第1章 长度之尺：从易腐的人间之物，到亘古不变的光速
默瑟街112号
从尼罗河到台伯河
一米一米走出来
看不见摸不着的米
一个新的相对论
从地球到月球
普世的c
第2章 时间革命：从伽利略到爱因斯坦
飞行的钟
时间究竟是什么
钟摆与节拍器
别想迟到
时间概念的革命
融化的时间
“现在”的相对性
时空之影
富有弹性的时空
第3章 质量之器：普朗克常量与薛定谔的“波”
物理学家的信件
才能与角豆种子
一边度蜜月，一边观太阳
三或没有
黑体之光
诺贝尔奖得主也会犯错
新世纪物理学
苹果和火星
水晶球和经典力学
不仅仅是猫
质量作为物质的基本属性
10月21日
能量与基布尔天平
纸片飞扬
第4章 冷暖之度：从费曼的葡萄酒到汤普森的绝对零度
葡萄酒的“泪滴”
从感知到测量
这是一个平衡问题
沸腾的水与融化的冰
冰佩罗尼啤酒
啤酒分子
开尔文
无法实现的绝对零度
比太阳还热的等离子体
第5章 电流之衡：科学圈尽人皆知，公众中鲜为人知
刮掉······伏特
比克笔
埃菲尔铁塔上的名字
奇妙的磁
指南针和电流
电力与可持续发展
用不上电的10%
第6章 量子之数：衡量分子和原子的工具
元素周期表
等规聚丙烯！moplen
不应有的坏名声
身后之名
亿万比百万多多少
活力、希望与自由
第7章 光之使者：与人类联系最为密切的计量单位
英格豪斯的疫苗
糖和氧
碧水阳光
蜡烛与坎德拉
不仅有疫苗
后 记 不再依赖人类的计量学
延伸阅读
致 谢
译者后记
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| 內容試閱：
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丈量，与人类文明共同发祥
1960 年 8 月 17 日，夜间气温已降至10°C以下，坐落在德国汉堡大自由街64号的因陀罗音乐俱乐部(Indra Musikclub)的大门还照常开着。在这个夏天即将结束的时候，“猫王”埃 尔维斯·普雷斯利(Elvis Presley)凭借《机不可失，时不再来》(It’s now or never)在全球流行音乐乐坛上大放异彩;而在德国；达琳达(Dalida)用德语翻唱了伊迪丝·琵雅芙(E?dith Piaf)一年前推出的歌曲《英国绅士》(Milord )，同样大获成功。
此时，那些正等在因陀罗音乐俱乐部门外的青年男女肯定没有想到，他们即将见到的这支不知名的乐队将彻底改变音乐世界。百代唱片公司(Electric and Musical Industries)的高管也没有意识到这几位年轻的乐队成员会对其公司产生巨大影响。1931年，哥伦比亚留声机公司 (Columbia Graphophone Company)与英国留声机公司(Gramophone Company)合并，百代唱片公司由此在伦敦成立，并在音乐行业中担任了重要角色。这里不得不提一下英国留声机公司的著名商标— “他主人的声音”(His Master’s Voice)，该商标图案为一只小狗，正在侧耳倾听一架留声机发出的声响。百代唱片公司的一位工程师艾伦·布鲁姆莱茵(Alan Blumlein)于 1931年为立体声录音和声音再现技术申请了发明专利。
到了20世纪60年代，百代唱片公司不仅在唱片生产领域获得了成功，还在电子领域展开了如火如荼的研究工作。但当1960年8月17日， 约翰·列侬(John Lennon)、保罗·麦卡特尼(Paul McCartney)和乔治·哈里森(George Harrison)开始为百代唱片公司工作时，事情发生 了转变。当时哈里森、麦卡特尼、列侬，以及后来被林戈·斯塔尔(Ringo Starr)取代的皮特·贝斯特(Pete Best)和斯图尔特·萨特克利夫(Stuart Sutcliffe)刚创建甲壳虫乐队不久，他们的第一个海外演出地是德国。 这场演出持续了48个夜晚，而甲壳虫乐队的热度一直持续了9年，直到他们在伦敦萨维尔街3号大楼的屋顶上举行最后一场音乐会——这9年是一个时代。
第二次世界大战结束后，百代唱片公司开始将电子产品从军用领域向民用领域转移。不，百代唱片公司经济上的成功主要来自20世纪五六十年代摇滚乐和流行音乐的爆炸式发展。收购美国国会唱片公司(American Capitol Records)、旗下艺术家的成功，特别是1962年与甲壳虫乐队签约，这些为百代唱片公司带来了巨大声誉和可观收入。在百代唱片公司的研究人员在20 世纪 60 年代从事的研究项目中，有一个致 力于研究医学领域计算机断层扫描技术的前沿项目，也就是大家熟知的 CT 扫描。现在，它仍是医学领域用于获取人体内部清晰图像的基本工具。
CT 扫描机的研发最早是由工程师戈弗雷·亨斯菲尔德(Godfrey Hounsfield)在百代唱片公司的实验室里完成的，他在研究中采用了南非物理学家艾伦·科马克(Allan Cormack)的理论成果，两人于1979年获得了诺贝尔生理学或医学奖。
很长一段时间以来，有传言称甲壳虫乐队为这一重要诊断工具的诞生做出了根本性贡献(并非甲壳虫乐队所言)，即百代唱片公司把从他们的歌曲中所获的丰厚收益中的一小部分用于资助CT扫描研究。事实上，加拿大科学家泽夫·兹林(Zeev Maizlin)和帕特里克·沃斯(Patrick Vos)于 2012 年在《计算机辅助断层扫描杂志》(Journal of Computer Assisted Tomography)上发表的一篇文章中说道，百代唱片公司对CT扫描项目的资金支持远低于英国政府提供的财政支持。但甲壳虫乐队对现代文化做出的贡献是不可否认的。
人类生活离不开计量
有证据表明，多亏了百代唱片公司的实验室，今天我们才会拥有这种不可替代的医学诊断工具。CT扫描每天都在为拯救生命做出贡献，这个工具是一种可以发射能穿透人体的X射线的装置，然后计算机通过数据处理重建清晰的医学影像。CT 扫描可以为我们提供个人身体信息，体温、血压、心率的测量也是如此。这些测量都是将一个或一组数字与一个物理量联系起来，与某种现象、大自然的某一方面或我们所处的这个世界的某方面特性联系起来，并且都可以得到客观的数值。而我们可以借助适当的仪器，将要讨论的物理量与匹配的计量单位组合，并对数值进行比较。以测量体温为例，它使用的仪器是温度计，计量单位为摄氏度。
人类总是在计量世界，通过计量以了解世界、探索世界，以生活、交往、给予和索取。只要想想时间的尺度及其与生命的关系，就知道:自古至今计量一直与人类的生活交织在一起，它与自然及超自然紧密地联结在一起。而人类计量世界是为了了解过去、理解现在和规划未来。
人类用智慧创造工具，并有选择地进行测量。自然界有很多周期性发生的现象，比如昼夜交替、季节循环;也有形状和质量特别规则的物体，比如角豆种子。人类发挥聪明才智制作了可用于测量上述现象与物体的日晷、天平和米尺。当然，即使没有人类的测量，大自然也运转自如。
人体作为计量标准
在文明的曙光初现之际，人类最先依赖的计量仪器是普遍可用的东西，比如每个人都有的手臂、腿、手、脚等，尽管每个人的身体略有不同，但大体相似:在世界任何地方，一个成年人的5 拃 a 大约都是 1 米。因此，与身体部位相关的计量单位无处不在。例如，肘尺是肘尖到指尖之间的距离，长度大约半米，在地中海盆地的众多文化中曾被广泛使用，包括埃及人、 犹太人、苏美尔人、拉丁人和古希腊人;中国、古希腊和拉丁文化中也都可以找到以脚为尺度计量长度的例子;古罗马用“步”作计量单位，1 000 罗马步为1罗马英里(milia passuum)。建筑师维特鲁威在罗马这座永恒之城写下了《建筑十书》，这是一部有关建筑的百科全书式著作。在此书第三卷的第一章中，维特鲁威谈到了对称性:“神庙的设计取决于其对称性，建筑师必须高度重视对称性原则，且比例决一切。”同时，维特鲁威将对称性与人体的比例联系起来:“因为人体就是这样由大自然设计的，比如，从下颌到头顶的面部长度和从头顶到发际线最下端的距离是身高的 1/10; 脚长是身高的 1/6，前臂为身高的 1/4，胸部的宽度也是身高的 1/4。其他身体部位也有它们的对称比例，正因为遵循了这些比例，那些古代画家和雕塑家的作品才能流芳百世。”
保存在威尼斯学院美术馆(Gallerie dell’Accademia di Venezia) 的达·芬奇最著名和标志性的画作之一《维特鲁威人》就取名自维特鲁威。 在此必须说明，威尼斯学院美术馆在其网站上明确指出，达·芬奇这画也受到了莱昂·巴蒂斯塔·阿尔伯蒂(Leon Battista Alberti)和欧几里得的启发。德国人雅各布·科贝尔(Jacob Ko?bel)几乎与达·芬奇同时提出了以人体计量标准的问题，并组织了 16 名成年男子，让他们在星期天早上从教堂出来时，脚挨着脚地纵列对齐，以确定一个长度单位。他称其为rood，源自类似的德国单位 Rute，即当时古罗马使用的长度单位“杆”。
法国大革命与计量单位的统一
到了 17 世纪，伴随科学革命和随之而来的科学方法的传播，以及 18世纪的法国大革命，历史迎来了统一计量单位的两个关键阶段。现代科学方法建立在实验、观察和可重复性的基础上。不管是为了对实验进行描述，或是想要从中推导出新的理论，甚至是验证或反驳现有理论，我们都需要一种通用语言，即计量语言。法国大革命建立在民主思想和反对专制统治 的精神上。在一个以各派利益为主导的社会中，自由、平等、博爱无法得到滋养，这也导致了计量制度的不透明性和混乱性。据估计，那时法国有上万种不同的计量单位，这让属于管理者的少数群体能够从混乱中获益，而大多数普通人只能被迫使用它们。
大革命需要统一、普适的计量制度。大革命前的法国对此已备感迫切，孕育统一计量单位的土壤已经相当丰厚。在 1789 年法国国王路易十六紧急召开的三级会议上，要求统一和监控计量单位的改革请愿书频繁地出现。 特别是对第三等级的资产阶级和农民来说，计量关乎劳动和生计，因此， 裁缝要求“整个王国都采用统一的质量和尺寸”，而铁匠要求“统一质量、 统一尺寸、统一标准”，由此可见人们对统一计量单位的需求。
18世纪最后10年，公制终于在巴黎诞生，当时有6个单位被确立下来:米为长度单位;公亩为面积单位;立方米为体积单位;升为液体体积单位;克为质量单位;法郎为货币单位。其中，克(千克)和米作为基本单位至今仍在使用，这也是法国大革命的成果。1791 年 3 月 30 日，法国国民议会将长度单位标准定义为通过巴黎的子午线从地球赤道到北极点的距离的千万分之一。虽然理论应当即刻应用于实践，但习惯却一时难改，法国前首相弗朗索瓦·基佐(Fransois Guizot)花了将近半个世纪才颁布了一项法律，法国于1837年正式采用公制。
法国大革命后，统一世界计量标准的呼声在国际上迅速扩展开来: 1875 年 5 月 20 日，17 个国家在法国巴黎签署了《米制公约》(Convention du Me?tre)，并依据该公约成立了旨在共同处理与计量单位相关事项的国际计量局(BIPM)。从那一刻起，世界性的计量工作开始了。现在，许多国家都有自己的地方计量机构。意大利的国家计量研究所(INRIM)设在都灵，履行着国家计量机构的职能。
飞行的钟
每个人都会有疯狂的时刻。幸运的话，这些时刻会发生在人们的梦境里，因此不需要承担任何后果。但有的人却在醒着的时候犯糊涂，他们中有些人是为曾遭受的痛苦复仇，有的人可能是受虐狂，或者仅是出于赤裸裸的残忍。我认识的很多人会购买这样一种装饰品：一摇晃就好似里面飘雪的神奇玻璃球。其原理都是一样的，即充满透明液体的球体内部固定了一个再现某种风景的小型立体人工制品。大部分是圣诞节场景，但也有一些是著名建筑物、木偶、漫画人物或宗教场景。这种美是维也纳手术器械制造商埃尔文·佩尔齐（Erwin Perzy）的独创性成果，他在 1900年制作了第一个样品：其内部是玛丽亚采尔大教堂的模型，以及用磨碎的米粒制成的雪。现在，维也纳还有一座纪念这位发明家的博物馆，里面收藏了很多精美作品。
尽管有一丝虚伪，但我们中很少有人大方承认自己确实曾抵不诱惑想买一个内部装有假雪的玻璃球，少数承认的人也会将该行为披上一层文化外衣，比如借口说奥森·威尔斯（Orson Welles）的电影《公民凯恩》（Citizen Kane）中的著名场景用的就是这个小玩意儿。根据几年前多家报社的报道，这种玻璃球是伦敦机场安检中检获最多的物品，这或许可以说明这件纪念品的成功。因为许多这种玻璃球内的液体含量超过了机场允许的随身携带行李中的液体含量，所以它们就在安检人员的手中结束了旅程，也很可能因此挽救了一段友谊或浪漫关系。在伦敦机场的违禁物排行榜上，还有其他更常见的物品，比如化妆品、酒瓶、网球拍，甚至还有手铐。好像没有原子钟。
1971 年， 尽 管 当 时 的 机 场 管 制 更 加 严 格， 但 约 瑟 夫· 哈 弗 勒（Joseph C. Hafele）和理查德·基廷（Richard E. Keating）将原子钟带上飞机时也没遇到什么特殊问题。从当时的影像看，那是个相当大的平行六面体，差不多有一个中型冰箱那么大，它和它的两位同伴多次共同环游世界。
哈弗勒和基廷分别是物理学家和天文学家。原子钟飞行是当时一项重要实验，即用肉眼可见的时钟来验证爱因斯坦相对论预测的运动和引力引起的时间变化。著名杂志《科学》在不久后发表的一篇论文 证 明 该 实 验 取 得 了 成 功：“1971 年 10 月，4 个 铯 原 子 钟 乘 坐 商 业航班环游世界，一次向东飞行，一次向西飞行。它们记录了时钟与地球因相对运动产生的时间差，这与相对论的预测结果一致。将这 4 个铯原子钟与美国海军天文台的国际原子时相比，向东飞行的时钟慢了59±10 纳秒，向西飞行的时钟快了 273±7 纳秒，这里的误差是相应的标准差。人类通过肉眼可见的时钟获得的测量成果为著名的‘时间悖论’提供了明确的解决方案。
”如果你在一架时速约 900 千米 / 时的飞机上，那一天的时间会延长几十纳秒。这似乎是一个微不足道的时间长度，但即使只是一部智能手机，在这段时间里也能做几十次算术运算 ……
时间究竟是什么
没有任何一个物理量能够像时间一样在科学领域之外同样具有重大意义。这并不奇怪，因为时间的流逝与我们拥有的最宝贵的东西——生命有关。时间能安慰我们、锻炼我们、给我们希望，也能教会我们一些事情。我们生活在过往的经验与对未来的期望之间，即此刻。同时，时间制约着我们的存在，我们试图克服它，但没有太多成功的希望。时间显然是我们人类与生俱来的经验， 因 此 也 不 难 想 象 描 述 它 有 多 么 困 难。 希波的奥古斯丁在公元 4 世纪就已经意识到了这点，并思考了“时间是什么？”。他说：“若无人 问 我， 则 我 知 道； 若 有 人 问 我， 则 我 不 知道。”诺贝尔奖得主理查德·费曼（Richard Feynman）试图给这个困境一个切合实际的答案，他在文章中写道：“真正重要的不是我们如何定义时间，而是我们如何测量它。”
这位美国物理学家的务实态度很好地反映了人类自文明诞生之初所做的事情：在了解时间是什么之前，虽然人类无法控制它，但已经尝试测量它。一开始人们利用周期性自然现象来测量时间：昼夜交替、季节更迭、月相变化。这些时间测量技术的共同点是依赖某种周期性现象，即有规律地定期重复的现象。例如，一天中的日夜更替，或者像我们将看到的，原子在两个超精能级间跃迁对应的辐射频率。
早在新石器时代就出现了日历，甚至一些学者认为，在法国发现的一块可以追溯到大约 3 万年前的猛犸象象牙块上雕刻的月相记录是人类最早的日历。当然，世界各地的许多物品都在争夺第一个日历的称号。在阿尔巴诺发现的最早的袖珍日历（可能是早期用于农业的标记）距今大约有一万年的历史。它是一块刻着 28 个凹口的圆盘，而这些凹口被认为是表示一个农历月份的天数。
所有时间测量技术的共同点是将时间投射到可见的事物上。尽管从我们的衰老中也可以感知时间流逝，但要想测量它，我们需要将其具体化，比如影子或指针的运动、钟表的声音、沙漏中的沙子、燃烧的蜡烛或香薰条的长度，甚至是面包师跟前新鲜出炉的面包香气。
与长度测量的情况一样，在时间的测量上古埃及文明与苏美尔― 古巴比伦文明也处于当时的最前沿。例如，苏美尔人最先采用六十进制，今天的 1 分钟有 60 秒和 1 小时有 60 分钟采用的就是六十进制。近来，在帝王谷考古发掘中发现的最古老的日晷至少可以追溯到公元前 13 世纪。
方尖碑也是类似的原理，古人通过其阴影变化来计量时间的流逝和季节的变化。如今装饰巴黎协和广场的著名的卢克索方尖碑已有几千年的历史，它是在 1830 年前后由埃及的奥斯曼帝国总督穆罕默德·阿里（Muhammad Ali）赠送给法国人的。奇怪的是当时他只是为了换取一块机械表，这可能对他来说没什么大不了。
但古埃及人的智慧不止于此：方尖碑和日晷需要太阳，但太阳并不是一直挂在天上。因此，古埃及人又创造了水钟，这是一种盛有水或沙的漏壶或容器。水或沙从开口处流入有刻度的容器，水量或沙量与时间成正比。
虽然现在以出口优质手表而闻名的国家是瑞士，但在古代以时间测量而闻名的其实是埃及。罗马蒙泰奇托里奥广场上的埃及方尖碑是意大利政治事件的无声见证，但它最初只是奥古斯都皇帝于公元前 9年在马尔蒂奥广场附近建造的一座宏伟日晷。
日晷和水钟在古罗马非常普遍，但正是由于古罗马文明的发展，以及其对时间精确测量的需求的增长，突显了当时可用仪器的不精确性，以至于塞涅卡说：“我无法告诉你确切的时间，哲学家们都比时钟更容易达成一致。”奥卢斯·革利乌斯在《阿提卡之夜》中借普鲁托之口说出了如今可被视为反科学的言论：“愿诸神毁灭第一个发明时间的人，尤其是第一个在这里建立日晷的人！因为他把我这可怜人的一天撕成了碎片。当我还是个孩子的时候，肚子是唯一的时钟，它比所有这些鬼东西都要精准和正确，无论你走到哪里，它都会提醒你吃饭，不管有没有食物。而现在，纵然你想吃东西，如果太阳不高兴，你也不能吃。现在，这个城市到处都是日晷，而大部分人都快饿瘪了。”
人类对时间精确度的需求并没有觅得太多解决方案。在古罗马时期结束后，欧洲的时间计量发展停滞不前，直到中世纪，当人们发现自己已置身新社会中时，对时间计量的需求才重新浮现。放置在城市塔楼里的机械钟成为具有当时社会文化特征的工具，其中最著名的是1493 年建造的可俯瞰威尼斯圣马尔谷广场的钟楼。然而，人类还是需要借助现代物理学来实现时间计量的真正革命。
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