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天天快资讯：一米一秒间，蕴含着多少深刻的科学道理？可能颠覆你的想象

来源：科普中国

我们生存在一个三维空间的世界，即我们所了解的事物都有三个空间维度，就是长宽高，这让我们看到的世界是一个立体世界。而自从爱因斯坦相对论问世后，人们认识到这个世界时空是一体的，时间维贯穿于三维空间之中，因此，我们实际生活的世界是一个四维时空。

在我们认知的这个世界，空间是所有物质存在的广延性，而时间则是物质运动的过程、顺序和持续性，这些都是不受人们意志约束而存在的。人们只能通过对时空的观察，采用一定的工具来描述它。

这个工具就是时空度量单位，是人类认知这个世界的最基本工具。

为了描述世界上各种物质的大小，人们发明了尺度计量单位，如毫米、厘米、米、千米等等，其中最基本的单位是米；同时为了更准确度量动态时空的本质，除了计量物质大小的工具，还必须有计量物质运动过程的工具，如时、分、秒等等，其中秒为基础。


(资料图)

因此，时分秒和毫米、厘米、米、千米就是人们日常生活中最常用的度量单位。

有了这些度量单位，我们就几乎可以衡量平常的各种事物变化，如一只蚂蚁一秒钟可以爬行1厘米；一般人步行速度每小时约4千米；汽车在高速上时速可达100千米以上；客机的飞行时速约为800千米等等。

这些日常计时和尺度单位，对于一般吃瓜群众来说，日常生活是够用了。如1秒钟也就“滴答”一下，小于1秒钟似乎就没多大意义；而1毫米还没有一粒芝麻大，再细分似乎也没什么意义。

但在科学测量中，这些日常长度和时间单位却远远不够用，比如对一些微小事物乃至微观世界的描述，采用常用的计量单位就十分困难。

如研究昆虫世界，科学家们发现不同的昆虫翅膀扇动的速度不同，每扇动一次翅膀，苍蝇需要千分之三秒，蚊子则需要百分之二秒，蜜蜂需要千分之五秒等等。而更小的事物就更难计量了，如几亿分之一米或几亿分之一秒等。

这种描述非常麻烦且不准确，为了更精准方便的描述微观世界，科学研究就诞生了越来越细分的微观刻度。

如长度单位在米、厘米、毫米以下，划分出微米、纳米、皮米、飞米、阿米、仄米、幺米等等，1毫米等于1000微米；1微米等于1000纳米等等，以此类推，1飞米就是1000万亿分之一米。

与之相对应的时间计量单位也被划分得越来越小，秒以下分为毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒等等，每一个等级都小于上一级单位1000倍，如1秒等于1000毫秒，1毫秒等于1000微秒，以此类推，1飞秒就是1000万亿分之一秒。

有了这些微量度量单位，描述微观世界就方便多了，比如前面说的昆虫扇动一下翅膀的时间间隔就只需要描述为：苍蝇需要3毫秒，蚊子需要20毫秒，蜜蜂需要5毫秒就行了。而且，可以精准描述更精细微小的微观世界了。

比如，人体细胞只有5~200微米大小，细菌大小只有0.5~5微米；病毒比细菌还要小百倍以上，只有几十到100纳米左右；人体DNA分子只有10个纳米，却包含着2万多个基因，含有31.6亿个碱基对。

而组成物质的分子、原子、电子，以及充斥着我们世界的光子，则是更为细小的尺度单位了，一个水分子直径约为0.4个纳米，一个氢原子直径约为0.1纳米，而原子核直径则只有约1.7飞米。

有了这些微小的度量工具，科学还不断创造出高精度的计量工具，如飞秒摄像机。这种摄像机每秒钟能拍摄图像万亿帧以上，在这种摄影机下，世界最快的光速也成为蜗牛，而那些人眼无法分清的毫秒、微秒、纳秒级别的事物，如百米赛跑终点冲刺、驱动蛋白不慌不忙每步8纳米的步伐，都在摄像机下纤毫毕现。

现代量子力学认为，人类能够认识的最小尺度为普朗克尺度，即普朗克时间和普朗克长度。这是基于广义相对论推论出的奇性不可避免，时空存在零点，且量子力学具有不确定性原理，不确定程度取决于普朗克常数。

普朗克常数确定出最小的长度单位为1.6乘以10的负33次方/厘米，这是一个比原子核还小20个数量级的尺度；而与之相对应的最小时间单位为普朗克时间，约为10的负43次方/秒，也就是1000亿亿亿亿亿分之一秒。

人类迄今能够或正在认识到的世界，都是从宇宙大爆炸后这个尺度和时间开始。

量子力学得出的结论是，任何小于这个长度和时间的事物都无法进行精确测量，因此对于现代物理学来说，所有的理论都在普朗克时空处失效，那里不是我们可以认知的时空，也就是属于超时空事物。如黑洞视界内部乃至奇点，大爆炸奇点及其之前的事物，都是现代理论的终结处，或者说是时空终结处，人类无法认知。

人类对大自然规律的认识现在依然越来越向两头纵深发展，即朝着微观的量子世界和宏观的宇宙深处不断拓展。

因此，除了微观世界度量单位，还有宇宙宏观度量单位。

出了地球，再用人类丈量地球的尺度单位似乎就不太方便了。距离地球最近的天体为月球，距离我们平均约38.4万千米。在这里采用千米级别单位度量似乎还不算麻烦，但到达更远的地方，再采用千米单位来计量就有些不方便了。

如地球距离太阳约1.5亿千米，到达海王星平均约45亿千米，到达冥王星平均约60亿千米。

科学家们为了方便太阳系内行星间的距离描述，就确定了一个天文单位，简称AU，将地球到太阳平均距离1.496亿千米定为1AU，这样，我们到海王星平均距离就约为30AU，到达冥王星平均距离就约为40AU。

而现代科学研究认为，太阳系这个行星系统引力范围超出冥王星之外，在距离太阳1光年距离的边际，太阳引力形成一个叫奥尔特云带的区域，那里是一个彗星密集的地带，这些彗星成一个巨大球状包裹着太阳系。

1光年是什么意思呢？就是光走1年的距离尺度。这是为宇宙更大尺度准备的一个计量单位，出了太阳系，采用天文单位来计量就不好使了，必须采用光年。

光的准确速度为299792458米/秒，也就是每秒约30万千米。每小时为3600秒，每天24小时，科学家为计算光年确定了一个儒略年计时，每年为365.25天，这样每个儒略年为31557600秒，光一年运动的尺度就为9460730472580800米，也就是约9.46万亿千米。

这就是1光年，是个距离单位，约为9.46万亿千米。太阳系引力半径约为1光年，折算成天文单位就是63000多个AU。因此，出了太阳系，采用天文单位计量就已经不方便了，计量恒星际之间的距离，一般就采用光年计量。

还有比光年更大的天文距离单位，就是秒差距。所谓秒差距是建立在三角视差基础上的一种计量单位，英文叫Parsec，缩写为pc，1pc约为206264.8AU，或3.26光年。但在天文测量里面，更广泛采用的计量单位还是光年。

现代天文学标准宇宙模型认为，宇宙起源于约138.2亿年前的大爆炸，由于宇宙发生过暴涨和高速膨胀，现在的可观测宇宙半径已达465亿光年，可观测宇宙中包含有约数千亿乃至数万亿个星系。

哈勃望远镜已经观测到距离我们最远的星系有134亿光年，而去年发射的韦伯望远镜将这个距离又拉远了2亿光年，发现最远的星系距离我们有136亿光年。也就是说，在宇宙大爆炸发生后的2亿年内，星系就广泛形成了，这对之前的宇宙形成理论提出了挑战。

对于天文距离的测量的方法有多种，其中主要有三角视差法、造父周光关系法、星系光谱红移法、la超新星标准烛光法等等，这里就不一一介绍了。

现在有个问题需要说清楚，这些度量时间和距离的尺度基础是什么呢？到底准不准呢？要知道失之毫厘谬以千里，这是从古到今最基本的道理。其实，我们从整篇文章洋洋洒洒的介绍中，早就看出了，度量时间和距离的最基本尺度是米和秒。

我们现在来简单归纳一下，如今采用的米和秒是怎么来的，准不准确。

米的定义起源于法国，最初1米长度定义为：以通过巴黎的子午线为准，从赤道到北极点距离的千万分之一为1米。根据这个长度，用铂金制定了一根米原器，收藏在法国国家档案馆中。后来几经修订，这根铂杆米原器被保存在巴黎国际计量局的地下室中，规定在0摄氏度1个标准大气压状态下，铂杆两端刻度之间为1米。

但这种铂杆米原器由于时间、湿度、温度、气压等等原因，还是会有极其细微的误差出现。

随着人们对光速认识的日益精准，为了让光速成为一个整数，国际计量大会在2019年重新修订了米的定义，废除了铂杆米原器，将米的定义表述为：“光在真空中行进299792458分之一秒的距离”为1标准米。

也就是说，光速的准确值为光真空中的1秒钟行进距离为299792458米，这是一个整数。这对过去的米原器尺度进行了一点极其细微的修正，从此让米和光速、时间成为一个精准统一的度量工具。而且这种标准米已经并非实物，而是不变的真空光速，不再会出现误差了。

这里面还有个最关键的基础数据，就是秒。既然这个米的长度是以真空光速在299792458分之一秒时间行进的距离确定的，这“滴答”1秒的准确度就是关键中的关键了。那么，这数亿分之一秒是如何得出的呢？

别看这简单的“滴答”1秒，其中蕴含着更精细的科学。目前使用的“秒”是在1967年召开的第13届国际度量衡大会确定的，定义为：铯-133原子基态两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9192631770倍的时间。

这句有点像拗口令的话是什么意思呢？简单地说，就是每一个原子都有自己的特征振动频率，而铯原子基态超精细能级之间跃迁对应的辐射频率为每秒达到近92亿个周期，精确计算出将其跃迁9192631770个周期作为1个标准秒的定义。

采用铯原子振动频率制造的计时工具叫铯原子钟，其误差可低至2000万年相差在1秒之内。

有了这个精细的“标准秒”和“标准米”工具，科学家们才在此基础上分化出微观和宏观的度量工具，对世界的测量和描述就越来越娴熟和准确了。

有关度量衡的知识详说起来还很多很复杂，今天就说到这，以后再聊。

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关键词： 计量单位 度量单位 微观世界

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