李明洋

1920年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給了查爾斯·埃杜德·紀(jì)堯姆（Charles·douard Guillaume）（圖1），用以表彰他發(fā)現(xiàn)了后來被稱作“因瓦”（Invar）與“艾林瓦”（Elinvar）的2種鐵鎳合金。而當(dāng)我們對比在紀(jì)堯姆前后獲得諾貝爾獎的物理學(xué)家時，我們會發(fā)現(xiàn)一些奇怪之處：他的工作與20世紀(jì)初最前沿的領(lǐng)域——相對論和量子力學(xué)毫不相干。有研究者認(rèn)為，“紀(jì)堯姆是一個奇怪的選擇”，夾在1919年諾貝爾獎得主約翰尼斯·斯塔克（Johannes Stark）和1921年阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）之間。前者因其關(guān)于光譜學(xué)和電場中的離子的研究而獲獎，后者則“由于其對于理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)，特別是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)”而獲獎?；蛟S真如作者所言，諾獎評選的流程中存在“貓膩”，不過這并不是我們關(guān)注的重點。我們想要了解的是，紀(jì)堯姆究竟是何人物？他作出了什么樣的貢獻(xiàn)？而這些貢獻(xiàn)是否足以讓他無愧于諾獎？我們將從他的“計量人生”中找到答案。

一、計量人生：從鐘表世家到國際計量局

法國大革命期間，紀(jì)堯姆的祖父離開了法國，在倫敦開始了自己的鐘表制造生意。他的3個兒子繼承了他的生意，但是其中之一——也是紀(jì)堯姆的父親——后來又回到了歐洲大陸，定居在瑞士的弗勒里埃（Fleurier）。1861年2月15日，紀(jì)堯姆就出生于此。

紀(jì)堯姆在其父的影響下接觸了科學(xué)，對于測量及其精確性有著深刻的理解。他的早期教育是在納沙泰爾（Neuchate）接受的。17歲時，他來到蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，并獲得了博士學(xué)位。畢業(yè)之后，紀(jì)堯姆在軍隊中短時期地?fù)?dān)任了軍官，并學(xué)習(xí)了機械學(xué)和彈道學(xué)。1883年，他進(jìn)入位于巴黎附近的塞夫勒（Sèvres）的國際計量局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM，見圖2），成為一名助理，并在這里度過了他的整個職業(yè)生涯。10年之后，他成為副局長；1915年起擔(dān)任局長，直到1936年退休。此后他作為榮譽局長，直到1938年去世。

在他43年的職業(yè)生涯中，紀(jì)堯姆對于近代計量學(xué)作出了如下幾項重要的貢獻(xiàn)。首先，他對玻璃水銀溫度計進(jìn)行了重要的修正，并制備出誤差小于1%的溫度計，從而取代了氫氣溫度計。1889年，鉑銥合金制作的國際米原器被分發(fā)給“米制公約”（Convention du Mètre）的成員國，并且每一個都配發(fā)了2支玻璃水銀溫度計和一張修正表，以便于水銀溫度計讀數(shù)轉(zhuǎn)換為氫溫度溫標(biāo)。其次，他致力于國際米制（International Meter）的初步工作。1889年9月26日，在第1屆國際計量大會（ConférenceGénérale des Poids et Mesures，CGPM）上，紀(jì)堯姆介紹了當(dāng)時世界測量界的現(xiàn)狀，并闡述了推進(jìn)米制系統(tǒng)的重要性和必要性。他還參與了創(chuàng)制和復(fù)制米原器和千克原器（見圖3）的工作。最后，紀(jì)堯姆最為突出的工作是關(guān)于鐵鎳合金膨脹系數(shù)的研究，這引發(fā)了對于整個系列合金的系統(tǒng)性探究，并最終導(dǎo)致了因瓦合金與艾林瓦合金的發(fā)現(xiàn)。

二、因瓦合金與艾林瓦合金的發(fā)現(xiàn)

回到19世紀(jì)90年代初，就在1889年第1屆國際計量大會之后（見圖4），經(jīng)過了新的國際米原器的制造、校準(zhǔn)和配發(fā)工作，對于高質(zhì)量米制標(biāo)準(zhǔn)和比鉑銥合金更經(jīng)濟的材料的需求出現(xiàn)了。與此同時，對用于建立測地學(xué)基礎(chǔ)的4m長的金屬標(biāo)尺的需求也同樣迫切。而紀(jì)堯姆正是負(fù)責(zé)尋找最合適的金屬或合金的項目的人。

1892年，紀(jì)堯姆向國際計量委員會（ComitéInternational des Poids et Mesures，CIPM）提交了一份報告，報告中稱他測試了一系列金屬與合金，包括純鎳、1種鐵鎳合金和3種銅錫合金（即青銅）。其中純鎳是最有希望的材料，而鐵鎳合金由于其較差的耐腐蝕性而被紀(jì)堯姆排除在外。唯一存在的問題則是純鎳的加工性能不佳。

看起來紀(jì)堯姆似乎差點錯過了發(fā)現(xiàn)因瓦合金以及贏得諾貝爾獎的機會，直到一個意料之外的發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生。1895年，在位于巴黎的軍械技術(shù)部（Section technique delartillerie）的要求下，伯努瓦（René Benot）已經(jīng)對一塊含有22%鎳和3%鉻的鐵合金標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)其膨脹性接近于銅鋅合金（即黃銅）。而該合金還是一種非鐵磁性合金，因此它的性質(zhì)顯得極為反常。所以他請紀(jì)堯姆幫忙測量該合金的熱膨脹系數(shù)。紀(jì)堯姆的測量結(jié)果顯示其熱膨脹系數(shù)約為18ppm/℃，比純鎳的10ppm/℃要大得多。紀(jì)堯姆還發(fā)現(xiàn)它是非鐵磁性的，這也與純鎳不同。進(jìn)一步的研究顯示，該合金的長度隨溫度的變化很不穩(wěn)定，因此它不是制作長度標(biāo)準(zhǔn)的合適材料。一年之后，紀(jì)堯姆測量了另一種鐵鎳合金的熱膨脹系數(shù)，此種合金的含鎳量略高于22%。他非常驚訝地發(fā)現(xiàn)其熱膨脹系數(shù)僅為之前那種合金的1/3，甚至比鉑的熱膨脹系數(shù)還要低。這一意外的發(fā)現(xiàn)引起了紀(jì)堯姆對于熱膨脹系數(shù)與合金成分之間關(guān)系的研究興趣。他意識到具有更低的熱膨脹系數(shù)的合金是可以通過不斷調(diào)試合金成分來得到的。

直到此時，機遇和命運一直在青睞紀(jì)堯姆，正如他后來所說：“機遇的角色已經(jīng)結(jié)束了；研究是必要的，而且是充滿希望的，但是要讓希望成為現(xiàn)實，大量的冶金學(xué)和測量學(xué)的努力依然是必需的?！边M(jìn)一步的研究亟待展開，然而當(dāng)時的國際計量局僅有10名左右的員工，根本沒有資源可為紀(jì)堯姆的系統(tǒng)研究提供財政支持。不過，科富德礦業(yè)公司（Sociétéde CommentryFourchambault et Decazeville）——即后來的殷菲合金公司（Imphy Alloys）總裁亨利·法約爾（Henri Fayol），不僅愿意提供幫助，而且讓他的公司隨時準(zhǔn)備為紀(jì)堯姆生產(chǎn)任何他所需要成分的合金。法約爾對紀(jì)堯姆說：“你的工作非常有趣。無論你需要什么，我都會一直幫助你?！奔o(jì)堯姆在1920年12月11日諾貝爾獎頒獎典禮上也表達(dá)了他對法約爾的感謝：“正是得益于他慷慨的合作，才使我的研究有可能持續(xù)長達(dá)1/4個世紀(jì)?！奔o(jì)堯姆前后讓法約爾制備了17種鐵鎳合金，涵蓋了從純鐵到含鎳44%的鐵鎳合金等多種成分，其中一些還含有少量的鉻。自1894年起，在后來的25年中，殷菲公司為紀(jì)堯姆的研究項目提供了超過600種成分不同的合金。其中，第1個進(jìn)入生產(chǎn)流程的產(chǎn)品，也是最重要的產(chǎn)品，是1896年生產(chǎn)的，后來被命名為“因瓦合金”（Invar），因為它的長度隨溫度“不變”（invariant）的特性。因瓦合金是含鎳36%的鐵鎳合金，其室溫下的熱膨脹系數(shù)為0.8×10-6/℃，這在鐵鎳合金中是最小的（見圖5）。此發(fā)現(xiàn)后不久，因瓦合金就成為注冊商標(biāo)，至今仍在使用。

對法約爾而言，因瓦合金的未來前景已是一片光明。因此他在殷菲公司里設(shè)立了專門的實驗室，由工程師皮埃爾·切文那特（Pierre Chevenard）負(fù)責(zé)。切文那特畢業(yè)于巴黎高等礦業(yè)學(xué)院，于1911年加入殷菲公司。該實驗室專為精確的冶金學(xué)研究設(shè)立，切文那特為其裝備了整套的精確設(shè)備，可以通過小型樣品測量合金的機械性能和熱力學(xué)性能。通過這種方式，大量的不同成分的合金可以被制備并得以表征，同時不會產(chǎn)生大量的浪費。切文那特因為這些儀器而成名，并繼法約爾之后成為殷菲公司的總裁。在此期間，他的合作伙伴紀(jì)堯姆也榮升國際計量局的局長，這使得他們之間的合作更為密切了。

20世紀(jì)初，出于中和碳雜質(zhì)效應(yīng)的考慮，紀(jì)堯姆開始關(guān)注鉻含量在因瓦合金中的作用，這把他引向?qū)τ诟弑壤你t組分的影響的研究，從而使他發(fā)現(xiàn)了艾林瓦合金（見圖7），它在相當(dāng)大的溫區(qū)內(nèi)楊氏模量（而非長度）不隨溫度發(fā)生改變。紀(jì)堯姆對于這一類合金進(jìn)行了的堅定的研究，因為在他的家庭背景的影響下，他敏銳地發(fā)現(xiàn)了它們對于提升鐘表精確性的潛力。因此他成功地把因瓦合金在擺輪中的應(yīng)用與艾林瓦合金在游絲中的應(yīng)用結(jié)合了起來。這真切地體現(xiàn)了一個瑞士人對于鐘表的執(zhí)著。

1920年，“考慮到紀(jì)堯姆先生的工作對于精確測量學(xué)乃至整個現(xiàn)代科學(xué)與工程發(fā)展的極大重要性”，瑞典科學(xué)院將1920年諾貝爾物理學(xué)獎授予了紀(jì)堯姆，“以表彰他通過發(fā)現(xiàn)鐵鎳合金的特性而對物理學(xué)的精確技術(shù)所做出的貢獻(xiàn)”。紀(jì)堯姆的工作是第1項也是目前為止唯一一項獲諾貝爾獎的冶金學(xué)研究。

三、因瓦合金的應(yīng)用及影響

紀(jì)堯姆在1920年諾貝爾獎演講中稱，因瓦合金的發(fā)現(xiàn)完全改變了測地學(xué)中測量基線的方法，不隨溫度變化的長測量鏈和測量線的使用大大減少了人力需求，也極大地提高了精確性。在白熾燈的制造中，鐵鎳合金也取代了鉑的地位。?？怂固靥m德評論道：“考慮到現(xiàn)在鉑的價格，這意味著每年節(jié)省了2 000萬法郎。”精密計時法也與紀(jì)堯姆的發(fā)現(xiàn)和研究密切相關(guān)——艾林瓦合金使得鐘表能夠比以前耗費更少，但更加精確。

除了解決測地學(xué)、人工照明以及制表業(yè)中的問題，因瓦合金與艾林瓦合金還創(chuàng)造了新的應(yīng)用領(lǐng)域，其中一些連紀(jì)堯姆可能都不會想到。例如，集成電路中的尺寸穩(wěn)定的框架，彩色電視管的影罩，噴氣式飛機的復(fù)合式工具，大規(guī)模輸電電纜的沉淀硬化核心，運輸液化天然氣的雙殼體船，以及航天器上光學(xué)系統(tǒng)的建立，等等。

因瓦合金和艾林瓦合金逐漸在許多高技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如精密儀器制造，微波通訊，航空航天以及石油輸運容器等。此外，它們對于金屬磁性的解釋也非常重要。顯然，熱學(xué)性能與磁學(xué)性能是密切相關(guān)的，而二者都隨合金成分的改變及其熱處理的方式的不同而變化。雖然因瓦合金的非常規(guī)膨脹的機械原理對于材料科學(xué)家而言依舊是一個謎，但是相關(guān)的研究已經(jīng)引起了強烈的興趣，并且許多理論由此產(chǎn)生，促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展。

紀(jì)堯姆沒有刻意去尋找一種具有零熱膨脹的合金，因為在他發(fā)現(xiàn)鐵鎳合金的性質(zhì)之前，他根本不可能想到會有這樣一種合金存在。因瓦合金隨之而來的種種應(yīng)用，正是所有意外發(fā)現(xiàn)的典型代表。2000年諾貝爾獎得主赫伯特·克勒默（Herbert Kroemer）在他的演講中表達(dá)了他對于新技術(shù)的理解：“任何最新的和革命性的技術(shù)的主要應(yīng)用總會是——并且還將繼續(xù)是——那項技術(shù)創(chuàng)造出的應(yīng)用?！币蛲吆辖鹋c艾林瓦合金的應(yīng)用就很好地符合了這一點。

1864年，一位英國的業(yè)余科學(xué)家亨利·索比（Henry Clifton Sorby）向英國科學(xué)促進(jìn)會（British Association for the Advancement of Science，簡稱“BAAS”）提交了一篇論文，論文中他呈現(xiàn)并描述了大量的各種鋼鐵制品的顯微照片。這篇論文標(biāo)志著金相學(xué)的開端。而紀(jì)堯姆的發(fā)現(xiàn)和研究為金相學(xué)家提供了大量的新材料和研究課題。更重要的是，“通過把精確的測量學(xué)方法應(yīng)用到合金的科學(xué)研究之中，紀(jì)堯姆開辟了定量金相學(xué)之路?！边@句引言來自切文那特，他和紀(jì)堯姆一起研究了二元合金與三元合金成分的影響，在加工過程中變量的角色，晶粒尺寸和晶體織構(gòu)的效應(yīng)，內(nèi)應(yīng)力，乃至表面粗糙度，上述所有因素與熱膨脹性的關(guān)系。他們在諸如索比的早期金相學(xué)實踐者和今天的物理金相學(xué)研究者之間搭建了橋梁。

對因瓦合金和艾林瓦合金的研究是科學(xué)與工業(yè)相結(jié)合的又一完美案例。我們已經(jīng)討論了紀(jì)堯姆與法約爾之間的合作關(guān)系，這對于他們是雙贏的。紀(jì)堯姆從公司得到了足夠的資金和技術(shù)支持以進(jìn)行進(jìn)一步的研究，而法約爾的殷菲公司則成為100多年來全世界因瓦合金的主要供貨商之一。到19世紀(jì)末，越來越多的科學(xué)家從公司得到支持，其中一些被稱為“工業(yè)科學(xué)家”的人甚至進(jìn)入到公司的實驗室，這種合作模式也變得越來越普遍。

四、紀(jì)堯姆與國際計量局

國際計量局的發(fā)展與米制系統(tǒng)的推進(jìn)進(jìn)程和現(xiàn)代測量學(xué)的歷史是不可分割的，而紀(jì)堯姆的職業(yè)生涯正是國際計量局早期工作的縮影。

法國政府自大革命之后就開始進(jìn)行質(zhì)量尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化工作，米制系統(tǒng)正是在這一時期建立的。1791年3月25日，法國國民大會決定接受基于以“米”為基本單位的測量系統(tǒng)。這一系統(tǒng)逐漸為歐洲其他國家了解和接受，從而使得全世界測量學(xué)的統(tǒng)一變得越來越必要。在法國的倡議下，國際米制委員會（International Metre Commission）于1875年3月1日在巴黎召開會議。2個月之后的1791年5月20日，來自17個國家的代表簽署了《米制公約》，并決定設(shè)立國際計量局，用以確保國際合作以及米制系統(tǒng)的發(fā)展。

到紀(jì)堯姆獲諾貝爾獎時，如果回顧國際計量局的工作，我們可以說它出色地完成了它的任務(wù)，而紀(jì)堯姆在其中扮演了重要的角色。諾貝爾獎對于紀(jì)堯姆和國際計量局而言都是一個紀(jì)念性的時刻。一方面，根據(jù)特里·奎因（Terry Quinn1988-2003年間擔(dān)任國際計量局局長的實驗物理學(xué)家）的說法，諾貝爾獎標(biāo)志著國際計量局第1階段工作的結(jié)束，包括氫溫度溫標(biāo)的建立，新的米原器的校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)“米”的測量，第1個國際千克原器的確立以及通過因瓦合金的應(yīng)用帶來的測地學(xué)與計時技術(shù)的革命。我們可以說諾貝爾獎不僅僅是頒發(fā)給紀(jì)堯姆的，而是頒給國際計量局所有為上述的工作做出過貢獻(xiàn)的的科學(xué)家和工作人員的。

1920年12月10日，瑞典皇家科學(xué)學(xué)會主席?？怂固靥m德（A. G. Ekstrand）在諾貝爾獎頒獎典禮上說：“只有當(dāng)我們成功地通過長度和重量描述了現(xiàn)象之后，自然的知識才真正開始。科學(xué)的發(fā)展常常伴隨著測量精確性的進(jìn)步?！彼^的“測

量”指的是通過某些方法來確定不同物體的相關(guān)參數(shù)，從而在一些共同的基礎(chǔ)上對它們進(jìn)行比較。時間、長度和重量是人類最早認(rèn)識到的概念，而他們也構(gòu)成了科學(xué)，特別是物理學(xué)的基礎(chǔ)。因此，最根本的問題是如何測量這些參數(shù)以及如何為它們確定單位。第一個問題相對較容易，因為古人們已經(jīng)發(fā)明了各種各樣的儀器，比如鐘表和天平。然而，測量的精確性決定了人類認(rèn)識世界的尺度。幾千年來，人們一直致力于制造越來越精確的儀器來觀察宇宙。另一方面，關(guān)于第二個問題，測量中的混亂一直是科學(xué)發(fā)展中的嚴(yán)重阻礙，這也帶來了標(biāo)準(zhǔn)化的需求。而這正是米制系統(tǒng)產(chǎn)生以及國際計量局誕生的原因。有了更加精確的儀器和技術(shù)，我們可以更廣泛地認(rèn)識這個世界；有了一系列標(biāo)準(zhǔn)化的單位系統(tǒng)，我們可以通過更加簡潔的方式認(rèn)識世界，并且更輕松地互相交流。紀(jì)堯姆對于精確計量的追求，與人類對于標(biāo)準(zhǔn)化的追求適時地融合在一起。從這個角度來看，1920年諾貝爾物理學(xué)家不僅是對紀(jì)堯姆工作的肯定，也是對人類尋求精確與標(biāo)準(zhǔn)之路的肯定。

參考文獻(xiàn)

[1] Quinn T.From Artefacts to Atoms：The BIPM and the Search for Ultimate Measurement Standards[M].Oxford：Oxford University Press，2011.

[2] Cahn R W.An unusual Nobel Prize[J].Notes& Records of The Royal Society，2005，59（2）：145-153.

[3] Cahn R W.A hundred years after the discovery of Invar：the iron-nickel alloys[J].Material Science and Technology， 1997，13（7）：621-622.

[4] Ekstrand A G.Award Ceremony Speech[EB/OL].（1920-12-10）.http：//www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/ laureates/1920/press.html.

[5] Guillaume C E.Nobel Lecture：Invar and Elinvar[EB/OL].（1920-12-11）.http：//www.nobelprize.org/nobel_prizes/ physics/laureates/1920/guillaume-lecture.html.

[6] Friedman R M.Quantum theory and the Nobel Prize[J].Phys. World，2002（15）：33-38.

[7] Smith C S.A History of Metallography：the Development of Ideas on the Structure of Metals before 1890[M].Chicago ：The University of Chicago Press，1960.

[8] Avner S H.Introduction to Physical Metallurgy[M].New York City：McGraw-Hill Book Company， 1986.

[9] 馮俊杰. 獲得諾貝爾物理學(xué)獎的國際計量局局長——C·E·紀(jì)堯姆[J].中國計量，2005（7）：45-46.

[10] 沈婕，王曉軍，夏天東.因瓦效應(yīng)及因瓦合金的研究現(xiàn)狀[J].功能材料，2007，增刊38：3198-3201.

[11] 托馬斯·克拉普.科學(xué)簡史——從科學(xué)儀器的發(fā)展看科學(xué)的歷史[M].朱潤生，譯.北京：中國青年出版社，2005：22-27，98-104.

[12] 蔣塤.邱隆.米制史話[J].中國計量5.20世界計量日特刊，2003（5）：74-77.

[13] 李建平.米制的建立（1790～1799）[J].自然辯證法通訊，2004，26（4）：69-73.

[14] F.D.羅希理.科學(xué)技術(shù)的測量基礎(chǔ)和常數(shù)[M].皮家荊，歐陽鑫，譯.北京：計量出版社，1984：22-36.

[15] 國際計量局編.國際計量局100周年：1875～1975[M].中國計量科學(xué)研究院情報室，譯.北京：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1980：1-8，19-25.

[16] 邱隆.蘇紅.歷史的缺憾——美國采用國際單位制的被動和尷尬[J].中國計量，2006（6）：45-48.

[17] 羅伯特·馬克·弗里德曼.權(quán)謀：諾貝爾科學(xué)獎的背后[M].楊建軍，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?005：157-160.