國際基本單位中的時間和長度單位是如何定義的?

2020-12-05 騰訊網

作者：陳星

上期介紹了質量m的單位千克是如何定義的，並且還介紹了它現有定義的缺陷以及未來新定義的優點，具體的可以參看https://www.zhihu.com/question/19902617/answer/325024721。剩下的六個基本單位，時間，長度，絕對溫度，電流，發光強度，物質的量。在這裡繼續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，關於時間本身是什麼，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。在這裡，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。

一秒現有的定義是銫-133原子基態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。但是後來發現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年地球自轉一周時間的1/86,400。

基於地球自轉周期的秒被稱為「曆書秒」，1967年科學家們測量出了銫原子的兩個超精細能級結構之間電磁波的躍遷周期和「曆書秒」的關係（這個關係很重要，可以保證「秒」的定義的連續性），這個關係就是前面提到的9,192,631,770。

由於原子超精細能級躍遷周期的穩定性，「秒」的定義從此開始基於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」。這種基於原子的能級躍遷周期的計時工具也被叫做「原子鐘」。

這裡要說的是，「原子秒」和「曆書秒」所定義的「秒」的時間長度是一樣的，只是「原子秒」比「曆書秒」的計時精度要高很多，更能滿足天文、工業以及物理實驗上對於超精密計時的需求。

由於廣義相對論效應，處於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生影響，因此這個定義要求，用作的計時銫原子鐘要處於海拔高度為零的零磁場環境中。目前，我國研製的NIM5銫原子噴泉鍾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，相當於2000萬年不差一秒。

關於原子的超精細能級結構在這裡簡單的提一下。原子的能級結構指的是，原子核外的電子處於不同的軌道上，這些軌道的能量是分立的，不連續的，不同的軌道就是不同的能級；精細結構指的是，在同一個能級軌道上，由於電子的自旋方向不同，會使電子所處的能級軌道產生很小的分裂；而超精細能級結構指的是，電子所處的能級會因為受到原子核內部磁場的影響而產生更小的分裂。

舉個比較形象的例子就是，能級結構好比不同的樓層，精細結構好比就是不同樓層之間的夾層，而超精細結構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構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定的，因此採用銫原子的兩個超精細能級結構之間電磁波的躍遷周期來定義「秒」可以說是非常的穩定。

長度單位「米」的定義

米最初定義是，通過巴黎的經線上，從地球赤道到北極點的距離的千萬分之一。之後還根據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，國際計量局製作的Ｘ形鉑銥合金棒一直都是米的標準。

已經退休的鉑銥合金標準米尺。（圖片來源：Wikipedia）

但是用實物定義的「米」給出的長度並不一定正好是1米，由於刻線工藝、材料變形和測量方法等方面的原因，在復現量值時總有一定誤差，約為0.1微米（0.1μm）。因此科學家之後決定用更穩定的光譜來定義「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」的定義性能穩定，沒有變形問題，相對容易復現，相對誤差不超過4×10-9。這樣的定義雖然很準確穩定，相對「米原器」來說是一個很大的改進，但是由於氪（86Kr）是一種稀有的元素，並不是很容易獲取，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」。

採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。因此這樣定義的「米」的精度只會依賴於光速和時間的精度。上面提到在1967年的時候我們就已經有了原子鐘，在1983年的時候，光速的測量也已經非常準確了，不確定度只有4x10^-9，因此1983年根據光速和時間定義的「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，它們的定義基礎在不斷發生著改變，並不是一成不變的，它們定義的改變體現了人們對於高精度測量的追求。

當然，每一次定義的改變都是基於前一次的定義的標準，這是為了保持使用的連續性，不致引起測量上的混亂。另外，定義所指的數量並不會發生改變，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，而基於光速的新定義，測量精度卻能達到10^-10左右。

出品：科普中國

製作：陳星

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