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出品：科普中國 制作：陳星 監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 七個(gè)國際單位制基本單位包括長度，時(shí)間，質(zhì)量，熱力學(xué)溫度（開爾文溫度），電流，光強(qiáng)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(shí)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(shí)間。  時(shí)間單位“秒”的定義 時(shí)間一直是很神秘的，關(guān)于時(shí)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(xué)上的探討。在這里，我們不深入討論這個(gè)話題，只是簡單的介紹一下時(shí)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(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9,192,631,770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間，這個(gè)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(shí)間長度是變化的，不足以作為時(shí)間單位的基準(zhǔn)，因此在1960至1967年之間，秒被定義為1960年地球自轉(zhuǎn)一周時(shí)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(xué)家們測量出了銫原子的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)之間電磁波的躍遷周期和“歷書秒”的關(guān)系（這個(gè)關(guān)系很重要，可以保證“秒”的定義的連續(xù)性），這個(gè)關(guān)系就是前面提到的9,192,631,770。 由于原子超精細(xì)能級(jí)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(xì)能級(jí)躍遷周期而定義，此時(shí)的秒被稱為“原子秒”。這種基于原子的能級(jí)躍遷周期的計(jì)時(shí)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(shí)間長度是一樣的，只是“原子秒”比“歷書秒”的計(jì)時(shí)精度要高很多，更能滿足天文、工業(yè)以及物理實(shí)驗(yàn)上對(duì)于超精密計(jì)時(shí)的需求。 由于廣義相對(duì)論效應(yīng)，處于不同的海平面高度的銫原子鐘會(huì)給出不同的“秒”，另外磁場也會(huì)對(duì)銫原子的躍遷周期產(chǎn)生影響，因此這個(gè)定義要求，用作的計(jì)時(shí)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(dāng)于2000萬年不差一秒。 關(guān)于原子的超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)在這里簡單的提一下。原子的能級(jí)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(jí)；精細(xì)結(jié)構(gòu)指的是，在同一個(gè)能級(jí)軌道上，由于電子的自旋方向不同，會(huì)使電子所處的能級(jí)軌道產(chǎn)生很小的分裂；而超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)指的是，電子所處的能級(jí)會(huì)因?yàn)槭艿皆雍藘?nèi)部磁場的影響而產(chǎn)生更小的分裂。 舉個(gè)比較形象的例子就是，能級(jí)結(jié)構(gòu)好比不同的樓層，精細(xì)結(jié)構(gòu)好比就是不同樓層之間的夾層，而超精細(xì)結(jié)構(gòu)就可以看成是樓層之間的臺(tái)階了。 正是因?yàn)樵拥某?xì)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(gè)超精細(xì)能級(jí)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(diǎn)的距離的千萬分之一。之后還根據(jù)這個(gè)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(jì)量局制作的Ｘ形鉑銥合金棒一直都是米的標(biāo)準(zhǔn)。  已經(jīng)退休的鉑銥合金標(biāo)準(zhǔn)米尺。 但是用實(shí)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(fù)現(xiàn)量值時(shí)總有一定誤差，約為0.1微米（0.1μm）。因此科學(xué)家之后決定用更穩(wěn)定的光譜來定義“米”。 到1960年，國際計(jì)量大會(huì)改用氪（86Kr）原子的2p10與5d5能級(jí)間躍遷輻射在真空中的波長的165,0763.73倍定為標(biāo)準(zhǔn)米。這種“米”的定義性能穩(wěn)定，沒有變形問題，相對(duì)容易復(fù)現(xiàn)，相對(duì)誤差不超過4×10-9。這樣的定義雖然很準(zhǔn)確穩(wěn)定，相對(duì)“米原器”來說是一個(gè)很大的改進(jìn)，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(jì)量大會(huì)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(jì)量大會(huì)重新制定的，指的是：光在真空中行進(jìn)1/299,792,458秒的距離為“一米”。  采用這樣的定義是因?yàn)檎婵罩械墓馑偈遣蛔兊模@是相對(duì)論的一個(gè)最基本的假設(shè)。因此這樣定義的“米”的精度只會(huì)依賴于光速和時(shí)間的精度。上面提到在1967年的時(shí)候我們就已經(jīng)有了原子鐘，在1983年的時(shí)候，光速的測量也已經(jīng)非常準(zhǔn)確了，不確定度只有4x10^-9，因此1983年根據(jù)光速和時(shí)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(shí)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(duì)于高精度測量的追求。 當(dāng)然，每一次定義的改變都是基于前一次的定義的標(biāo)準(zhǔn)，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(huì)發(fā)生改變，只是測量精度更高了。例如，用實(shí)物“米原器”定義的一米的長度，測量精度只能達(dá)到10^-6到10^-7左右，而基于光速的新定義，測量精度卻能達(dá)到10^-10左右。  “科普中國”是中國科協(xié)攜同社會(huì)各方利用信息化手段開展科學(xué)傳播的科學(xué)權(quán)威品牌。 本文由科普中國融合創(chuàng)作出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
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