法国议会立即授权进行了一次大型地理勘测，目的就是搞清楚作为新长度标准制定依据的确切长度，或者具体来说，是需要确定参与标准制定部分的1/10的长度，即一个大约9度长的弧，相当于一根经线1/4部分的1/10，即把90度分成10份，每份就是9度，根据现在的测量标准，大约有1000千米长。但在当时，为了使新单位诞生，这段长度必须用18世纪法国的旧制单位来衡量，即突阿斯，突阿斯的长度大约为2米，可以分成6法尺，每法尺可分成12法寸，每法寸还可以进一步分成12法厘。但这些法国的旧制单位并不重要，因为最重要的是测算出那段经线的总长度，然后除以1000万。无论最终测量的结果如何，由法国创造的这个新的度量标准，终将惠及全世界。
计划进行实地勘测的经线部分，是从法国北部的敦刻尔克到法国南部的巴塞罗那，因为每个港口城市都很显然位于海平面附近。由于这个9度的弧线位于地球的中纬度地区，敦刻尔克在北纬51°，巴塞罗那在北纬41°，而这两座城市之间连线的中点，吉伦特(Gironde)的圣梅达尔-德吉济耶尔村(Saint-Medarde-de-Guiziers)，地处北纬45°，因此人们认为地球的形状是扁球形的，地球在赤道附近的球体半径更长，进而影响了地球的形状，这使地球看起来更像是个橙子，而不是足球。地球是椭圆形的这一事实，很容易通过科学计算确认。为了进一步确认地球的形状，法国科学院派人进行了两次地理测量的探险，一次是在秘鲁，另一次是在北欧的拉普兰(Lapland)，以便观测高纬度地区地球经线曲度的变化：所有这些都证实了牛顿在几个世纪前预测的地球的形状，即地球的形状像个橙子。
被派去法国和西班牙对经线进行三角测量的团队，是由皮埃尔·梅尚(Pierre Méchain)和让-巴蒂斯特·德朗布尔(Jean-Baptiste Delambre)两人组成的，他们进行这一测量的时间，恰好是法国大革命后最糟糕的恐怖政策时期。这两位测量员在6年勘测工作中所经历的故事，堪比英雄的冒险史诗。因为很多机缘巧合，这两位测量员与法国大革命后的大规模暴力活动擦肩而过，要知道这一活动的后果可不只是被关起来那么简单，而法国大革命后的政治斗争也远超出了这本书的讨论范围。真正影响精密制造的发展，并惠及此后数百年世界各地的工程师的，正是这次举世瞩目的地理勘测本身，这次勘测活动最终孕育出了沿用至今的度量系统，这两个法国人勘测出的系统一经确认，标准原器的制作就开始了。这个标准原器，实际上就是一根经过精密加工的、由青铜或铂构成的金属棒。
这次地理勘测的结果于1799年4月公布。根据勘测的结果可以外推计算出，经线1/4的长度为5130740突阿斯。换句话说，制造一个新的度量单位的标准原器，只需要切割或铸造一个长度为0.5130740突阿斯的金属棒就可以了。法国大革命之后，这个长度便成为人们所采用的标准度量单位，即今日世界通用的单位——米。
法国国民议会的委员们随后下令，希望能用白金制作一根长度为1米的金属棒，作为标准原器。一位名叫马克·艾蒂安·简尼特(Mark Janety)的前宫廷金匠被选中，负责打造这个原器，这名金匠被从马赛召回，他自大革命爆发以来一直在马赛躲避革命后的恐怖气氛。简尼特的工作成果至今依然被人用心地保留了下来，它就是那个时代“米”的标准原器，由一根纯度比较高的铂金棒制成。这根米的标准原器宽25毫米，厚4毫米，长度正好为1米，于1799年6月22日正式被呈送给国民议会。
但这还没完，因为除了米的铂制标准原器以外，几个月后，还要打制一个纯铂制成的圆柱体，人们称它为质量的标准原器，这个原器的单位为千克，也是简尼特打制的，材料也是铂金，这个标准原器高39毫米，直径也是39毫米，储存在一个整洁的八角形匣子里，匣子上的标签用拿破仑历标注着：“这台千克标准原器于共和历3年芽月18日完成，于共和历7年获月4日开始展示。”
长度和质量这两种最基本的度量单位应该具有密不可分的相互关联性。一旦确定了长度的标准单位，那么通过这种长度单位，就可以确定一种新的体积单位，然后使用一种标准的材料来填充这个标准的体积，便可以得到一个新的标准下的质量单位。因此，在令人精疲力尽的18世纪末的巴黎，人们决定根据一个优雅而简单的公式，创建一个新的广泛使用的标准单位。这个新的标准单位来自新的1/10米的长度，今天我们将其称之为分米，然后我们把1分米作为边长，从而精确地打造出一个每一边长都是1分米的立方体。这个立方分米的量器就成为“升”的标准原器，这个升的标准原器使用钢或银制成，并尽可能打制得更加精确。然后，往这个标准原器里倒满蒸馏水，水尽可能保持在4摄氏度的温度环境下，即水密度最稳定的温度。由此，在特定的体积、特定的液体和特定的条件下，即1升4摄氏度的蒸馏水，被定义为质量的新单位：1千克。
金匠简尼特精心铸造了用作标准原器的铂块，并且在铸造时不断进行调整，直到这个铂块恰好等同于1立方分米的水的重量。毕竟铂的密度大约是水的密度的22倍，所以1千克铂当然也比1千克水的体积小得多。从1799年12月10日起，那个铂块的重量就是1千克。
就这样，人们制造出了“米”的标准原器，并以此为依据制造出了“千克”的标准原器，这些标准原器很快成为新的世界度量系统的基础。虽然这个新的系统起初只包含长度和质量单位，但是，影响后世的公制系统就这样正式诞生了。
最初制造的这两个标准原器仍然留存于世，它们就位于巴黎市中心附近的法国国家档案馆内，存放在档案馆深处的一个钢制保险箱中。一个原器放置在一个八角形的黑色皮箱里，另一个原器则静静地躺在一个细长的红棕色皮箱里。
除此之外，在测量学的世界中，有一个不变的真理，那就是完美的事物总是可遇不可求。在这些原器诞生很多年以后，这些原器所依赖的标准——经线长度被重新修订了。这就不可避免地出现了令人倍感烦恼和沮丧的一幕，人们发现德兰布雷和梅辛在18世纪进行的那场持续6年的地理勘测中存在纰漏，因此这时的科学界已经不再参考他们当年测量的经线长度了。虽然测量时产生的误差并不大，但这也足够对当时的标准度量单位造成影响了，之前定下的米制单位标准长度，比根据新的经线计算出来的米短了0.2毫米。因而，如果米的长度有问题，那么立方米也有问题，以此类推，1立方分米也有问题，那么1升也有问题，最终通过1升水得来的千克也就有问题了。
因此，一个烦琐的工程便要再度启动了，现在又需要打造一套全新的标准原器了，而新一代标准原器将力求达到19世纪晚期科技水平所能实现的精确度。为了实现这一目标，国际社会花了70多年的时间才就制作方法达成一致，后来又花了很多年的时间来研究如何存放和保管这些形态各异的原器。在这些原器的制造过程中发生的各种事情证明了：自威尔金森为瓦特制造气缸的那个世纪以来，精密制造的理念已经经历了长足的发展。终于，人们开始把想象中的“完美”作为一种标准，在逐步追求完美的实践中，完美成为既令人痴迷，又让人们可以在实践中脚踏实地去不断靠近的目标。
为了修订度量系统，50多名来自世界各国的代表聚集起来参加1872年9月在巴黎举行的国际米制委员会第一次会议，这50多名国际代表都是白人，都留着长胡子，他们就这样开始了这一新的度量系统的修订。他们在中世纪时代修建的圣马丁教堂修道院召开会议，这个修道院后来成为法国国家艺术和音乐学院，以及世界上最伟大的科学仪器库之一。
决定世界测量系统未来的国家包括当时几乎所有的西方大国，有英国、美国、俄国、奥匈帝国、奥斯曼帝国，但值得指出的是，当年中国和日本都没有受邀参加会议。在这次探讨世界测量系统的会议以及与这一会议相关的子会议当中，最受关注的是“米制系统”的外交会议，这个会议更多讨论的是计量系统对于国际政策和外交的影响，而不是制作原器涉及的技术问题，因此想要在这次会议中达成协议似乎遥遥无期。
然而，上述一系列会议最终促成了《米制公约》(The Treaty of the Metre)在1875年5月20日签署。该公约要求成立国际计量局，这个机构位于巴黎郊区塞弗附近的帕维永·德布勒特伊(Pavillon de Breteuil)，时至今日该机构依旧在此地办公。后来这个机构及其下属机构，在不同的时间、以不同的方式，负责打造新一代各式各样的原器。
国际计量局花了近15年的时间来打造一套国际公认的标准，新标准下的单位原器随后将被铸造、加工、研磨、校准和抛光，并最终交给世界各国来确认。1889年9月28日，标准原器分发仪式在巴黎举行。
在这一系列原器中，两个铸造得最好的原器被定为国际标准原器，这两个原器的外观和尺寸都异常精确，因此成为不二之选。这两个原器被授予国际度量原器的权威称号，其中“国际米原器”在英文中用大写的黑体字母“M”来体现它的权威地位，而“国际千克原器”用大写的黑体字母“K”来表示。这两个铂铱合金铸件随后在法国塞夫尔镇的帕维永·德布勒特伊地下室内的保险柜中保存。
当时，这些原器都在天文台的展厅展出。国家标准原器存放在两层玻璃罩子下，而国际标准原器存放在三层玻璃罩子下，粗短的千克原器在玻璃罩子下闪闪发光，而国际米原器则放置在一块木制保护台上，如果需要搬运，人们就将该原器封闭在黄铜管中，确保原器不会在运输过程中受损。
每一个原器的认证证书都由巴黎的商业印刷公司斯特恩公司印制，证书用加厚的日本和纸制成，纸上印上了证书的文字内容。每一个证书上都印上了一部分公式化的内容，这部分内容描述了对应原器的部分物理和化学特征：如39号，铂铱合金圆柱体，上面写着“46.402mL、1kg-0.118mg”，意思是该圆柱体的体积为46.402毫升，而这个原器比1千克轻了0.118毫克。米原器的证书更复杂，写着“1m+6μ.0+8μ.664T+0μ.00100T2”，这意味着在0摄氏度下，该原器比1米长6微米，在1摄氏度下，该原器将比1米长8.665微米。
会场里的主席台上放了3个匣子，这些匣子是抽签用的，委员会的官员们在每一张纸条上都写着剩余原器的编号，然后委员会将以抽签的方式来决定原器在各参会国之间的归属。
抽签当天正巧是个周六，一个秋日的午后，天气温暖宜人，世界主要大国的代表们齐聚一堂，就好像各国在出价竞标体育赛事的贵宾票一样。官员们按法语字母顺序先后宣读了这些国家的名称。德国是第一位，瑞士是最后一位。抽签仪式一共持续了1个小时。当抽签结束时，美国已经获得了4号千克原器和20号千克原器，以及21号米原器和27号米原器。英国获得了16号米原器和18号千克原器；日本当时已经于1875年签署了条约，在这场抽签中获得了22号米原器和6号千克原器。
最后，代表们带着这些标准原器从巴黎回到自己的祖国。各国代表将这些堪称无价之宝的标准原器从钟形玻璃罩中取出，将它们装在盒子里，同时也支付了原器的费用。这些原器的费用也都不少：铂铱合金米原器的造价为10151法郎，而千克原器相对便宜，只需要3105法郎。在几天或几周内（日本人乘船回国的时间恐怕还要更长一点），新的标准原器已经送达了参会各国的首都，各个参会国都在其首都设立了专门的度量机构，这些机构负责妥善保管这些原器。持有标准原器的国家无疑都会小心翼翼地、严加看护地储存好原器。虽然没有哪个国家对自家原器的精心呵护程度，能比得上法国对国际标准米原器和国际标准千克原器的保管，但是现在各国都将标准原器存放在地下保险柜中，那是一片漆黑、与世隔绝的地方。这些标准原器是无与伦比、准确无疑、精密非凡的，而在附近的保险柜里有6个比照原器制造的复制品，这些复制品将定期与标准原器进行比较，这些复制品的参数也将力求准确。
但是，凡事都不绝对，随着度量标准的定义发生变化，原器的参数也就相对不准了，只是度量标准更新的速度不算很快。计量学基础的理论研究者一直肩负着不断关注基础科学前沿、永远追寻更好的度量标准的使命。而随着时间的推移，他们确实找到了一个新的标准。
科学界发现，度量系统还存在更好的方案，而这个方案最早提出的时间是在国际计量大会召开的几年前，也就是1870年，那时，铂合金标准原器还没有开始制造，甚至连形状和尺寸都还没有确定好。英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在利物浦举行的英国科学促进会年会上发表了一次演讲，这次演讲对测量标准的一切都产生了影响。他的话至今仍然在世界各地的测量学家耳边回响。他提醒听众，现代的测量系统始于对大自然的测量，随后是法国对经线的测量，并从中推导出度量单位，而这一切的基础是地球的固有参数。
毕竟，地球有固定的尺寸和自转的周期，虽然与我们目前的测量单位相比，这些参数相对而言是非常稳定的，但是这些参数从物理学的意义上讲却并非如此。地球可能因为温度变化而热胀冷缩，其尺寸也可能由于一块陨石的撞击而变得更大，而且，地球的转速可能会因陨石的撞击而减缓，但地球的本质不会变，跟过去一样，依旧是一颗行星。但是，如果一个氢分子的质量或振动周期哪怕发生了最微小的变化，那这个物质就不再是一个氢分子了。
如果我们希望制定出绝对可靠的长度单位、时间单位和质量单位，那么制定这个单位的理论依据一定不是源于宏观物体的尺寸，或者宏观物体运动的规律以及行星的质量，而是源于物理意义上的波长，微观上的振动周期和绝对质量等这些亘古不变、恒常稳定的、在每个分子之中都普遍存在的现象。
麦克斯韦所做的贡献就是挑战了迄今为止所有测量系统的科学基础。长期以来，一个基于人体尺寸的系统——拇指、手臂、步幅等，本质上是不可靠的、主观的、可变的，这样的度量系统在科学面前是苍白无力的。现在麦克斯韦认为，以前被认定为可靠的标准，比如地球一部分的经线长度、钟摆的周期或一天的长短，也不一定是恒定的。他宣称，自然界中唯一真正存在的常数，只能在非常基础的原子水平上才能找到。
当历史的车轮前进到这一步的时候，科学进步为人类了解原子尺度的奥秘提供了窗口，揭示了迄今为止人类不曾想到的结构和特性。麦克斯韦认为，这些结构和特性在本质上是真实存在且永恒不变的，应该作为衡量其他一切的标准。如果国际标准度量系统不采用这样的制定方式，那就根本不合逻辑。这些系统以基本物理特征为参照，有着最适合做度量单位的特质。既然如此，为什么不采用这样的系统呢？
光的波长是最初用来确定标准长度“米”的基本物理特征。毕竟，光是由原子受到激发引起的一种可见的辐射形式，即原子受到能量激发导致它们的电子从一种能量态跳到另一种能量态时产生的现象。不同的原子产生的光分布在不同的光谱上，因此光具有不同的波长和颜色，这时在光谱仪中，就能测出各种各样可识别的谱线。
之后，又过了100年的时间，国际社会才完全认同将光和光的波长与测量系统联系起来的意义。对于当时那些拥有掌管世界的权力的中年人来说，选择以光为依据称量万物，而放弃以地球为依据称量万物，显得有些奇怪，这就类似于告诉他们，连地球本身都不是稳定的，连脚下的大陆都是会动的一样。因此，把基本物理特征引入测量单位的想法并没有很快付诸实践。但是，到了1965年，当板块构造理论首次有理有据地发表出来后，大陆漂移理论一夜之间成为显而易见的常识，长期被忽视的现实一下子变得清晰可见，板块漂移的理论对计量学产生的巨大冲击，并不亚于它对地质学产生的影响：使用特定原子和特定原子发出的光的波长，作为一个新的标准测量系统的依据，自然而然地成为最明智的选择。
19世纪晚期的马萨诸塞州的天才查尔斯·桑德斯·皮尔斯(Charles Sanders Peirce)是第一个将光谱与标准单位关联起来的人。在与他同时代的人中，几乎没有人能比他更聪明，当然也几乎没有人能做出比他更令人发指的事情，比他更擅长惹是生非。皮尔斯有很多头衔：数学家、哲学家、测量师、逻辑学家，但他同时也是一个饱受疼痛折磨的人（他的面部神经似乎有问题），一个患有精神疾病的人（很可能是严重的双相情感障碍患者），一个难以控制自己脾气的人。在皮尔斯的人生中，积极的一面十分鲜亮：他可以站在黑板前，用右手在右边写下一条数学理论，与此同时，用左手在左边写出这条数学理论的解析；而消极的一面是：皮尔斯曾经因为用砖袭击自己雇用的厨娘而被厨娘告上法庭。他酗酒，服用鸦片酊，并且结了许多次婚，他对婚姻不忠的程度堪称病态。
但正是皮尔斯这个人在1877年第一次让钠发出纯净而明亮的白炽光，白炽状态下的钠发出了黄色的光，与此同时，皮尔斯尽力以米为单位测量钠光的波长，从而建立了光和长度之间的尺寸联系。测量时，皮尔斯通过衍射光栅，即一种高精确度棱镜来测量波长，衍射光栅会生成黑色的光谱线，用于辅助测量波长。
可惜的是，这个实验只是他75年人生中遭遇的诸多不幸中的一个，这个实验从来没有完全成功过，要么是光栅玻璃的膨胀影响了实验结果，要么是用来测量玻璃温度的温度计出现问题。尽管如此，他还是在《美国科学杂志》(American Journal of Science)上发表了一篇短小的论文，并在杂志上声称自己是有史以来第一个进行这种尝试的人。
如果他成功了，那么他的名字就会被后人经常挂在嘴边。但事实上，他在1914年就孤苦伶仃地去世了，晚景凄凉的他，居然可怜到不得不向当地的面包店讨要过期面包的程度。现实中没有如果，现在他早已被大众遗忘了，当然凡事皆有例外，也有少数人同意罗素(Bertrand Russell)的观点，罗素称皮尔斯是“美国有史以来最伟大的思想家”。
到了1927年，在科学家进行大量探讨之后，他们最终被麦克斯韦的论点说服了，一致认为麦克斯韦提出的方案的确是制定出最可靠的标准度量系统的最佳方法，所以国际计量委员会虽然对采用新的系统有些怨言，但也达成了一致。委员会正式接受这个方案，并且考虑用一个长度已经被测量出来的特定的元素的光的波长为参照，然后以米为单位表示这个波长，当然光的波长通常很短，需要用米的分数形式来表示，甚至可以说是一个极小的数字。
委员会随后同意，以波长乘以倍数的形式表示米。相比之下，这个倍数会是一个非常大的数字，至少是个7位数，用这样一个数乘以波长得到新的单位长度，作为米的标准长度。
我们所讨论的元素是镉——一种银色的、带有泛蓝色金属光泽、毒性很强的金属，化学性质与锌元素相似，在相当长的一段时间里与镍一起用于电池材料，同时，冶金领域也用镉来强化部分钢材的抗腐蚀性，现在我们也用镉（和碲）制造太阳能电池板。当镉被加热时，它会发出非常纯的红光，它的光谱线可以用于确定波长，镉的波长可以得到非常准确的测量，因而国际天文联合会用镉的波长来定义一个新的、非常小的长度单位——埃(Angstrom)，埃是一百亿分之一米，即10-10米。
经测量，人们将镉发出的红光波长定义为6438.46963埃。20年后，负责测量的官员接受了波长作为测量单位的基础并选择了镉。最终在定义时，红光波长被四舍五入去掉了末尾的数字“3”，因此最终镉红光的波长被定为6438.4696埃，而米的标准长度可以很容易得出，即1米等于1553164个镉红光的波长。（将6438.46963除以100亿，再乘以1553164，可以得到一个非常接近1的数字。）
但是，在米这一定义发展的曲折历史中，人们抛弃一个刚刚选定的标准并不算是什么奇怪的事情。当仔细测量时，人们发现，镉的光谱线并不像人们认为的那么精细和纯净。镉的样品中可能掺杂了镉的各种同位素，因而这个样品其实是一个混合物，如果样品不纯，就会破坏测量的严谨性，所以，米从来没有正式用镉来定义。有很多其他的单位在制定时，并没有那么科学严谨，但神圣不可侵犯的“米”却必须追求严谨。就这样，铂铱合金的金属原器依旧在国际计量委员会上坚守自己的阵地，经受住了各种由辐射和波长定义的米的挑战。直到1960年，国际计量委员会才终于达成了一致。
最终大家选择了氪。这种惰性气体直到1898年才被发现，在大气中恒量存在，它最为人所知的用处，可能是作为霓虹灯中最常用的气体之一，但是人们很少用氪气把霓虹灯充满。之所以选择氪，是因为在研究用波长来定义米的标准长度的长期探索中，氪具有极其清晰的光谱特征。“氪-86”是氪的6种天然稳定同位素之一，是非常适合作为测量万物的参考依据的物质。1960年10月14日，国际计量委员会几乎一致决定，鉴于氪-86这种气体所特有的优点，氪超越镉成为最合适的选择，现在用氪的光波长（6057.80211埃），取代之前已经清晰测量出的镉红光波长，成为新的米的长度依据。
后来，由于委员会观察到，只是简单用氪-86的波长来定义米的长度，还“不足以满足当今测量的需要”，最终委员会一致确认，把米的定义设定为“在氪-86原子的2p10和5d5能级之间进行跃迁时产生的辐射，在真空中波长长度的1650763.73倍”。
有了这个简单的定义，之前铸造的铂合金标准原器就逐渐失去作用了。自1889年以来，这个原器一直都是所有长度测量的最终标准：路德维希·维特根斯坦(Ludwig Wittgenstein)曾经以令人费解但又准确的语言讽刺了标准长度的变迁，有个物件，我们现在既不能说它是1米长，也不能说它不是1米长，那就是巴黎的国际标准米原器。因为从1960年10月14日起，巴黎和其他地方都没有标准原器了。从此测量这件事情已经离开了人们所熟悉的经典物理世界，进入了真实宇宙那绝对和无情的世界里。
7个重要的单位
此外，自1960年起，只要是和平时期，国际计量委员会每4年都要举行一次大会，大会的地点通常定在巴黎，这可能是自“科学”方法论发明以来，计量学领域最有意义的事件。令人印象深刻的是，1960年的会议正式启动了今天的国际单位系统，通常被简称为SI，首字母源自法语的国际单位系统。现在世界上大多数人都熟知、承认、理解和使用的系统就是SI，其主要有7个单位：长度（前文已经反复描述的米）、时间（秒）、电流（安培）、热力学温度（开尔文）、光强度（坎德拉）、物质的量（摩尔）和质量（千克）。上述7个单位都是根据物质的基本特性来定义的，一般都源于最基础的原子辐射、原子的行为特征或物质的数量。
会议上还产生了很多基本单位以及衍生单位，如赫兹（频率）、伏特（电压）、法拉（电容）、欧姆（电阻）、流明（光通量）、贝可勒尔（放射性活度）、亨利（电感）、库仑（电荷量），以及授权的标准大小前缀，十(101)、千(103)、吉咖(109)、太拉(1012)、艾可萨(1018)、泽它(1021)和尧它(1024)，以及缩小版：分(10-1)、毫(10-3)、纳诺(10-9)、皮可(10-12)、飞母托(10-15)、仄普托(10-21)和幺科托(10-24)，前后的单位都是计量学意义上对称的。
但是，会议没有产生任何明确的结论，来取代另一个旧标准——千克标准原器。创建了一个全新测量系统的代表们，要在10月底离开巴黎，而千克的标准原器还在那里，如同服刑一般继续被锁在黑暗的地下室里，装在3层玻璃罩下。质量的标准原器无人问津，它依旧是20世纪科学技术的产物。
千克的标准原器还需要近60年的时间才能找到替代品，这个千克的标准原器是一个高度抛光的实心金属圆柱体，大约和一个Zippo打火机一样高、一样宽，整体大约有一个高尔夫球那么大，它承担着校准世界上所有千克重量的责任，直到2018年底，人们才将它从守卫森严的地下室里取出来，与保护它的钟形玻璃罩一起，放在博物馆里，真正成为往日技术的遗迹。由于千克标准的更新比米要晚得多，所以质量的制定理论借鉴了很多计量学的新发展，吸纳了技术演进的红利。这个千克的标准将与一个长期被忽视的单位有关，这个单位对于所有其他单位而言都至关重要，这个单位就是时间的单位“秒”。
时间与频率的概念有关，毕竟频率是时间的倒数，是每秒出现的次数。在今天的7个基本测量单位中至少有6个与频率相关。频率几乎无处不在。
在此，我举三个例子。“坎德拉”，一个指示光源强度的单位，乍一看似乎与时间完全无关。但实际上坎德拉与时间有关，国际社会现在将坎德拉定义为：在给定方向上，该光源发出频率为540×1012次每秒的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦。光在这里的的确确与秒产生了关联，因此光的强度也与时间的概念联系在了一起。
以7个单位中的长度单位为例，米的长度现在也用秒来定义，米的定义是光在真空中1/299792458秒的时间内所经过的路线的长度。因此，长度也与时间有关。这个是计量学界一致的观点。
直到近几年，广受关注的“千克”，这个一直被那个放在巴黎地下室里的、很久之前被精心加工出来的铂柱（标准原器）所定义的单位，终于成为历史了。这一次，千克将以光速来定义，并通过著名的普朗克常数与光速相连，这里面的细节过于复杂，就不详细描述了，总之这个数字是6.62607004×10-34m2×kg/s，正如符号所暗示的，与频率紧密相连，因而与秒紧密相连。因此，质量是根据时间来定义的。现在所有人都认同了这个观点，即时间是一切的基础。
就像伽利略抬头看着比萨的吊灯时预见性地意识到的那样，正如威尔金斯后来的提议，以及再后来塔列朗再次在法国国民大会上提出的那样：所有计量单位都与时间连接起来了。
时间是什么
但是，一切都与时间挂钩，那时间单位的基础是什么呢？
“在没有人问我时间是什么的时候，”圣奥古斯丁说，“我知道时间是什么。但是，当我想向提问者解释时间是什么时，我又不知道怎么解释。”时间是在流逝的，我们知道时间是在流逝的。但时间是如何流逝的呢？时间到底是什么？为什么时间只朝着一个方向前进呢？就时间而言，方向到底意味着什么？有没有谁曾经提出比爱因斯坦更简单明了的疑问，那就是，时钟是测量时间的工具吗？所有这些问题突然之间都联系在一起了。我们应如何划分时间？在历史上，我们又是如何划分时间的呢？其实，这通常是一个主观选择的问题。在如何划分分钟、小时和天这个问题上，全世界都有十分一致的划分方式。
毕竟，日出日落长期以来塑造着人类对时间的认知，因此，也创造了一个方便人类以天为基础、把天从大到小拆开的方案，并据此建立起一套时间概念。甚至直到20世纪50年代，人们依旧采取这种自上而下的时间划分方式，即秒被定义为一天时间的1/86400。
然而，还有比天更大的时间单位。在我们的认知中，还有所谓的周、月和年等人类文明对于时间的其他划分方式，这些划分方式根据宗教和习俗而变化。因为人类社会多元的特性，这些划分方式显得变幻莫测、反复无常，使得不同文化之间对时间的划分变得非常不同。但现代计量学家在处理有关基本单位的问题时，所考虑的目标是，所有单位都应该完全一致。就时间单位而言，在一定程度上时间带有随意性。但科学意义上的秒的长度，因为与众多其他单位关联，其自身必须是准确无疑的。
直到1967年，秒一直与一种自然现象有关，那就是1天的长度，从而才将其金字塔式地划分成时、分、秒，然后通过日晷的刻度或摆的持续时间加以确定。想要调整秒这一时间概念的话，只需要简单地调整钟摆的长度，让钟摆的摆动频率正好与两个正午间时间长度的1/86400相等即可。这个不难计算，只需要利用公式：，就能反向推算出钟摆的长度。其中，l是钟摆的长度，g是重力加速度，T是钟摆每次所花费的时间。
从1天的时间长度中推断出秒的长度确实不难，但自古我们就认识到这样的算法有个更大的问题，由于一系列地球自身的原因，如潮汐的摩擦效应，还有天文的影响因素，如地球自转周期的变化、地轴进动效应等，1天的长度本身几乎是永远变化的。而且地球自转周期本身就是在稳定的减速之中的，不过这一周期偶尔也会随机加速。
如果秒这个单位本身的依据是不稳定的，那么秒又怎么能成为其他单位的依据呢？这个问题与麦克斯韦在当年提出的灵魂拷问如出一辙。当计量学界第一次处理这个问题时，采取的解决方案是使用更加精确的宏观时间概念，在自上而下的时间划分系统中，通过把年的长度测量得更加精确，进而作为年的分数的那些更小的时间单位也就更加准确了。年的定义被准确记为：地球沿公转轨道完整围绕太阳旋转1周的时间，而“星历时间”的概念便由此诞生。“星历”是基于几个世纪以来，人们对行星和恒星的运动的观测得来的计时方式，并据此推算出“星历时间”。
这种计时方式被称为星历，或者用更加通俗的语言来说：历法。随着时代的发展，历法变得越来越准确，因为科学家先通过望远镜观测宇宙来改进历法，后来现代人又通过卫星观测来校准时间。因此便有了从帕萨迪纳市的喷气推进实验室计算出的“星历时间”（天文时间）这一概念，这个概念自1952年问世以来，便成为众多科学活动参照的标准。
在这种计量系统下，秒被定义为一年的1/31556925.975，但这不是随便哪一年都行，这一年选择的是1900年，其实是1899年12月31日午夜0点整，同时也是1900年1月1日的起点的那一时刻。不过这个记法忽略了一个事实，那就是它不符合一般人的习惯，在日历当中，我们从不把日期标记为0。我们的计数系统有0.5，时钟有00.23小时，但是日历只有1月1日，从来没有1月0日。
但后来，选择年作为时间单位“秒”的依据，相当于选择了基于行星围绕恒星公转的时长一样，经过测量也跟选择以“天”为依据定义“秒”一样不可靠，不够精密。所以仍然需要更好的“秒”的定义方式，而恰好，一个更好的定义方式也在等待着我们去探索，这就是沿着麦克斯韦提供的方向去发掘时间的定义方式。
自然界中有些物质的特性是极其稳定的，尤其是在原子和亚原子的尺度上。我们发现，原子会以永远不会变化的频率振动，或者其振动频率的变化太小了，小到我们没有任何手段可以测量出变化的程度。
我们在参观精工制表公司的加工厂时发现，石英的确有这样的特性。石英计时器对于时间的计量非常精确。就这样，在悄无声息之间，石英把精确记录下来的秒积累成了准确的分钟、小时和天。
然而，就像麦克斯韦反对使用人类的尺度甚至行星尺度作为定义米和千克的依据一样，20世纪下半叶，虽然石英的精确程度足以满足一般消费者的计时需求，但它显然不能满足科学家和世界各国的计量机构进行精密时间测量的需求。这推动了今日采用的计时基础的演变，并最终促进了众多原子钟的先后诞生。
原子钟的基本原理与石英钟有相似之处。当一种天然的物质可以在一定条件下，以均一、稳定且可测量的速度振动时，就可以用于计时，比如石英晶体，它可以在电荷影响下稳定地振动，而且石英不但振动稳定，而且还易于测量，这样的特性使石英成为一种具有潜力的计时材料。而对于一个原子而言，频率是一件更加微妙的事情。我们希望把原子的振动用于计时，而原子的振动是这样产生的：当围绕该原子的原子核进行环绕的电子要从一个轨道转移到另一个轨道，即进行量子跳跃或量子跃迁时，振动就产生了，这就是“量子跃迁”一词的起源。自19世纪以来，人们就知道，当电子从基态跃升到另一个更高能级时，原子本身会释放出高度稳定的电磁辐射。
许多物理学家认为，这种量子跃迁的辐射十分精确和稳定，有一天可能会被用于计时。这个基本设想于1949年在美国被首次证明可行，科学家使用在激光的前体——脉泽来激发分子，并使用氨分子作为受激对象，打造了第一台氨分子钟。
世界上第一台真正的原子钟是由英国人路易斯·埃森在1955年发明的，当时他和同事杰克·帕里(Jack Parry)制作了一个原型，该原子钟的原理是将铯原子的电子跃迁产生的振动作为计时的依据。铯原子似乎是一个奇怪的选择：铯是所有金属中最软的，在室温下几乎是液态的，单质成淡金色，在空气中还会自燃，与水接触时会剧烈爆炸。
然而，铯原子在计量领域的作用和价值是难以衡量的。因为铯原子中稳定地发生着电子跃迁现象，而且铯原子释放出辐射的振动节拍是如此恒常稳定，以至于常驻在巴黎塞弗尔的国际计量委员会的科学家很快就欣然同意把铯原子的振动作为秒的新定义的基础，在埃森和他所在的英国国家物理实验室进行反复论证之后，铯原子的振动成为秒的新定义的理论基础。
用铯原子的震动定义秒这一原则沿用至今，现在1秒的定义很简单：铯-133同位素基态两个超精细能级之间跃迁辐射的9192631770个周期所持续的时间间隔。
虽然9192631770是个长达十位的巨大数字，乍一看可能令人生畏，但每一个计量学家都知道这个数字，因为对于计量学家而言，这个数字就像一个稀松平常的美国的电话号码，毕竟美国的电话号码也是十位数。
铯原子钟现在在世界各个大国已经普及开来，即使这种原子钟造价高昂且体积庞大，但它们仍然是这个世界不可或缺的计时装置。据说，全世界有320台铯原子钟，各个铯原子钟之间也在进行相互对照和校准。美国的铯原子主钟每12分钟进行1次校准，以消除纳秒级别的误差。能校准铯原子钟的，是由一批比铯原子钟更精确的计时器，这种计时器被称为“铯喷泉钟”。全世界的铯喷泉钟只有十几个，简而言之，铯喷泉钟是一种利用激光在钢容器内影响铯原子，进而获得与普通的铯原子钟相比精确度更高的计时器。
铯原子主钟位于美国马里兰州和科罗拉多州，而第8章详述的全球定位系统，就是一个高度精确且基于时差系统建立起来的系统。该系统的关键时间参数源自华盛顿特区的海军天文台，海军天文台里配备了不少于57台铯原子钟，集中整合了关键的时间数据，但这还不够，在科罗拉多州保护严密的施里弗空军基地里，又额外部署了24台原子钟。
与此同时，这些时钟正在不断地创造着新的时间计量的精确度纪录，至于更加精确的时间计量手段，科学家也正在世界各地的计量科学研究所里不断地进行实验，并尝试建构出来。此时此刻，铯原子钟正在美国国家标准与技术研究院进行调试。现在马里兰州的一些科技研究实验室里，计量科学的专家们将计量精确度推向了难以置信的技术前沿。例如，英国标准协会宣称，虽然标准铯原子钟的精确度约为10-13秒，但英国标准协会调出的名为“NPL-CsF2”的第二台铯原子喷泉钟经过测量，精确度可以达到2.3×10-16秒。这意味着这台钟在1.38亿年内既不会快1秒，也不会慢1秒。
现在，有人提出“量子逻辑钟”和“光钟”等计时方案，这些方案有实现更高精确度的潜力，一些科学家声称，这些时钟在未来也许能让计时精确度达到8.6×10-18秒，这就意味着这台计时器即使工作10亿年，其误差依旧小到可以忽略不计，这就意味着旧时代的那种浪漫行为“每隔几天掏出怀表，然后满怀珍爱地校准它”将逐渐从现实中永远消失，最终从人类的想象和记忆当中淡去。
时间才是终极依据
现在，科学的发展使我们进入了精密时间计量这一奇异的领域。大量资金、精密设备和科研人员投入与测量时间有关的一些神奇的研究上来，之所以在这一领域进行如此大的投入，是因为计量学家充分认识到，时间是一切的基础。现在看来，“一切”的定义似乎也包括重力的性质。如果一个桌子上的时钟比另一个桌子上的时钟高5厘米，那么这台位于更高处的时钟记录的秒就会比位于更矮处的时钟更短，而且这是肯定的。这仅仅是因为那台更高的时钟受地球引力的影响较小，哪怕两台时钟的高度只差几厘米。
这种时间和重力之间的关系，现在已经得到了证实。而且这一重大研究的主要团队是在中国，这是在现代物理学的发展进程中并不多见的。在中国，有很多关于时间本质的研究，而这项工作具有某种意想不到的魅力。对于那些在北京城区附近依靠崭新的实验设施、资金充足的实验人员来说，这里存在一种令人欣慰的传承。在他们所在的研究中心的前门外，有一份来自英国的主要计量研究所，即位于伦敦西部特丁顿的国家物理实验室的礼物。
这个礼物是一棵苹果树，它处于一片小树林中，从表面上看只是一棵普通的树而已。但事实上，它确实是一棵非常特殊的树。如果北京的夏天温暖而不干燥，这棵苹果树就会结出一种名为“肯特之花”的苹果，据说这种苹果松脆、多汁、味道酸甜。但这棵树之所以在此，并不是为了结苹果，而是因为其自身独特的血统。
在英国国家物理实验室把这颗苹果树送到北京作为礼物之前，这颗苹果树的母体是20世纪40年代扦插在伦敦南部的水果研究站的一棵植株，而这棵植株又是白金汉郡的一个花园里的一棵苹果树扦插而来的，而白金汉郡的花园里的苹果树是在19世纪20年代种下的。这棵树的树种来源于一棵更大的树，这棵更大的树现在已经变成了遗迹，在一场巨大的风暴中被摧毁，这场风暴同时也破坏了林肯郡的伍尔斯索普庄园。
