國際單位制基本單位的時間和長度單位原來是這樣被定義的

昵稱41082923 2018-03-14

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出品：科普中國

制作：陳星

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

七個國際單位制基本單位包括長度，時間，質(zhì)量，熱力學溫度（開爾文溫度），電流，光強度，物質(zhì)的量。今天就為大家介紹一下日常生活中最常見的時間單位“秒”和長度單位“米”在物理中是如何定義的。首先介紹一下無處不在的時間。

時間單位“秒”的定義

時間一直是很神秘的，關(guān)于時間本身是什么，早已不是單單的物理問題了，更多的成為了一種哲學上的探討。在這里，我們不深入討論這個話題，只是簡單的介紹一下時間的單位——秒——是如何定義的。

一秒現(xiàn)有的定義是銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷對應輻射的9,192,631,770個周期的持續(xù)時間，這個定義是在1967年開始啟用的。在此之前，“秒”有著其他的定義。

在公元1000至1960年之間，秒的定義是平均太陽日的1/86,400。但是后來發(fā)現(xiàn)太陽日的時間長度是變化的，不足以作為時間單位的基準，因此在1960至1967年之間，秒被定義為1960年地球自轉(zhuǎn)一周時間的1/86,400。

基于地球自轉(zhuǎn)周期的秒被稱為“歷書秒”，1967年科學家們測量出了銫原子的兩個超精細能級結(jié)構(gòu)之間電磁波的躍遷周期和“歷書秒”的關(guān)系（這個關(guān)系很重要，可以保證“秒”的定義的連續(xù)性），這個關(guān)系就是前面提到的9,192,631,770。

由于原子超精細能級躍遷周期的穩(wěn)定性，“秒”的定義從此開始基于銫原子的超精細能級躍遷周期而定義，此時的秒被稱為“原子秒”。這種基于原子的能級躍遷周期的計時工具也被叫做“原子鐘”。

原子鐘

這里要說的是，“原子秒”和“歷書秒”所定義的“秒”的時間長度是一樣的，只是“原子秒”比“歷書秒”的計時精度要高很多，更能滿足天文、工業(yè)以及物理實驗上對于超精密計時的需求。

由于廣義相對論效應，處于不同的海平面高度的銫原子鐘會給出不同的“秒”，另外磁場也會對銫原子的躍遷周期產(chǎn)生影響，因此這個定義要求，用作的計時銫原子鐘要處于海拔高度為零的零磁場環(huán)境中。目前，我國研制的NIM5銫原子噴泉鐘是世界上目前最好的銫原子鐘之一，其不確定度為1.5×10^-15，相當于2000萬年不差一秒。

關(guān)于原子的超精細能級結(jié)構(gòu)在這里簡單的提一下。原子的能級結(jié)構(gòu)指的是，原子核外的電子處于不同的軌道上，這些軌道的能量是分立的，不連續(xù)的，不同的軌道就是不同的能級；精細結(jié)構(gòu)指的是，在同一個能級軌道上，由于電子的自旋方向不同，會使電子所處的能級軌道產(chǎn)生很小的分裂；而超精細能級結(jié)構(gòu)指的是，電子所處的能級會因為受到原子核內(nèi)部磁場的影響而產(chǎn)生更小的分裂。

舉個比較形象的例子就是，能級結(jié)構(gòu)好比不同的樓層，精細結(jié)構(gòu)好比就是不同樓層之間的夾層，而超精細結(jié)構(gòu)就可以看成是樓層之間的臺階了。

正是因為原子的超精細結(jié)構(gòu)是受到來自原子核的磁場的影響，而原子核一般來說都是異常穩(wěn)定的，因此采用銫原子的兩個超精細能級結(jié)構(gòu)之間電磁波的躍遷周期來定義“秒”可以說是非常的穩(wěn)定。

長度單位“米”的定義

米最初定義是，通過巴黎的經(jīng)線上，從地球赤道到北極點的距離的千萬分之一。之后還根據(jù)這個定義制定了像千克原器一樣的“米原器”。在1889年到1960年間，國際計量局制作的Ｘ形鉑銥合金棒一直都是米的標準。

已經(jīng)退休的鉑銥合金標準米尺。

但是用實物定義的“米”給出的長度并不一定正好是1米，由于刻線工藝、材料變形和測量方法等方面的原因，在復現(xiàn)量值時總有一定誤差，約為0.1微米（0.1μm）。因此科學家之后決定用更穩(wěn)定的光譜來定義“米”。

到1960年，國際計量大會改用氪（86Kr）原子的2p10與5d5能級間躍遷輻射在真空中的波長的165,0763.73倍定為標準米。這種“米”的定義性能穩(wěn)定，沒有變形問題，相對容易復現(xiàn)，相對誤差不超過4×10-9。這樣的定義雖然很準確穩(wěn)定，相對“米原器”來說是一個很大的改進，但是由于氪（86Kr）是一種稀有的元素，并不是很容易獲取，因此在1983年，國際計量大會決定用普遍存在的光來定義“米”。

現(xiàn)有的“米”的定義是在1983年國際計量大會重新制定的，指的是：光在真空中行進1/299,792,458秒的距離為“一米”。

采用這樣的定義是因為真空中的光速是不變的，這是相對論的一個最基本的假設(shè)。因此這樣定義的“米”的精度只會依賴于光速和時間的精度。上面提到在1967年的時候我們就已經(jīng)有了原子鐘，在1983年的時候，光速的測量也已經(jīng)非常準確了，不確定度只有4x10^-9，因此1983年根據(jù)光速和時間定義的“米”的精度是很高的。

我們可以看出，不管是前面提到的質(zhì)量單位“千克”的定義，還是時間單位“秒”的定義，以及長度單位“米”的定義，它們的定義基礎(chǔ)在不斷發(fā)生著改變，并不是一成不變的，它們定義的改變體現(xiàn)了人們對于高精度測量的追求。

當然，每一次定義的改變都是基于前一次的定義的標準，這是為了保持使用的連續(xù)性，不致引起測量上的混亂。另外，定義所指的數(shù)量并不會發(fā)生改變，只是測量精度更高了。例如，用實物“米原器”定義的一米的長度，測量精度只能達到10^-6到10^-7左右，而基于光速的新定義，測量精度卻能達到10^-10左右。