赤道是什么(赤道是什么带)

赤道是什么(赤道是什么带)

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最后一期介绍了如何定义质量单位千克M,同时也介绍了其现有定义的缺陷和未来新定义的优点。详情请参考https://www.zhihu.com/question/19902617/answer/325024721.剩下的六个基本单位,时间、长度、绝对温度、电流、发光强度和物质的总量。下面是物理学中最常见的时间单位“秒”和长度单位“米”的定义。首先介绍一下无处不在的时间。

国际基本单位中的时间和长度单位是如何定义的?

时间单位“秒”的定义

时间一直是个谜。时间本身是什么,已经不仅仅是一个物理问题,而是一个哲学讨论。这里不深入讨论这个话题,简单介绍一下时间的单位——秒——是如何定义的。

一秒的现有定义是对应于铯-133原子基态中两个超精细能级之间跃迁的9192631770个辐射周期的持续时间。这个定义在1967年开始使用。在此之前,“秒”还有其他定义。

在1000年到1960年之间,秒被定义为平均太阳日的1/86400。然而,后来发现太阳日的长度是可变的,这不足以作为时间单位的基准。所以在1960年到1967年之间,秒被定义为1960年地球自转时间的1/86400。

以地球自转周期为基础的秒称为“历书秒”。1967年,科学家测量了电磁波的跃迁周期与铯原子两个超精细能级结构之间的“历书秒”之间的关系(这种关系对于保证“秒”定义的连续性非常重要)。这个关系就是前面提到的9192631770。

由于原子超精细能级跃迁周期的稳定性,“秒”的定义是以铯原子的超精细能级跃迁周期为基础的,此时的秒称为“原子秒”。这种基于原子能级跃迁周期的计时工具,也叫“原子钟”。

国际基本单位中的时间和长度单位是如何定义的?

原子钟(图片来自网络)

这里要说的是,“原子秒”和“历书秒”定义的“秒”的时间长度相同,但“原子秒”的授时精度远高于“历书秒”,更能满足天文、工业、物理实验中超精密授时的需求。

由于广义相对论的作用,不同海平面的铯原子钟会给出不同的“秒”,磁场也会影响铯原子的跃迁周期。因此,这个定义要求用于授时的铯原子钟应处于零高度的零磁场环境中。目前,我国研制的NIM5铯原子钟是世界上最好的铯原子钟之一,其不确定度为1.5× 10-15,相当于2000万年一秒。

这里简单提一下原子的超精细能级结构。原子的能级结构是指原子核外的电子处于不同的轨道,这些轨道的能量是离散的、不连续的,不同的轨道是不同的能级;精细结构是指在同一能级轨道上,由于电子自旋方向不同,电子所在的能级轨道会有小的分裂;超精细能级结构是指由于原子核内部磁场的影响,电子的能级划分会更少。

举个比较的例子,能级结构就像不同的楼层,精细结构就像不同楼层之间的夹层,超精细结构可以看作楼层之间的台阶。

因为受到来自原子核的磁场影响的是原子的超精细结构,而原子核一般是极其稳定的,所以可以说用铯原子两个超精细能级之间的电磁波跃迁周期来定义“秒”是非常稳定的。

长度单位“米”的定义

米最初的定义是地球赤道通过巴黎子午线到北极距离的十分之一。然后根据这个定义,公式化出了一个类似千克原型的“大米原型”。从1889年到1960年,国际计量局制造的X形铂铱合金棒一直是米的标准。

国际基本单位中的时间和长度单位是如何定义的?

退休铂铱合金标准米尺。(来源:维基百科)

然而,由物理对象定义的“米”给出的长度不一定正好是1米。由于雕刻工艺、材料变形、测量方法等原因,复现数值时总会存在一定的误差,误差在0.1微米(0.1μm)左右。所以科学家后来决定用更稳定的光谱来定义“米”。

1960年,国际计量大会将氪(86Kr)原子在真空中2p10和5d5能级间跃迁辐射波长的165,0763.73倍改为标准米。这个“米”的定义,性能稳定,没有变形问题,比较容易复现。相对误差小于4×10-9。虽然这个定义准确稳定,与“大米原型”相比是很大的进步,但由于氪(86Kr)是稀有元素,不易获得,1983年国际计量大会决定用无处不在的光来定义“大米”。

现有的“米”的定义是在1983年的国际计量大会上重新确立的,即光在true 空中传播1/299,792,458秒的距离为“一米”。

国际基本单位中的时间和长度单位是如何定义的?

采用这个定义是因为true 空中的光速是恒定的,这是相对论最基本的假设之一。所以,这样定义的“米”的精度,只取决于光速和时间的精度。如上所述,1967年我们有了原子钟。1983年对光速的测量非常精确,不确定度只有4x10-9。所以1983年根据光速和时间定义的“米”的精度非常高。

我们可以看到,无论是前面提到的质量单位“千克”、时间单位“秒”、长度单位“米”的定义,它们的定义基础都是不断变化的,并不是一成不变的。它们定义的变化反映了人们对高精度测量的追求。

当然,每一次定义的变化都是建立在之前定义的标准上,那就是保持使用的连续性,不造成测量的混乱。此外,定义中所指的数字不会改变,但测量精度会更高。比如物理“米原型”定义的一米的测量精度只能达到10-6到10-7左右,而基于光速的新定义,测量精度可以达到10-10左右。

国际基本单位中的时间和长度单位是如何定义的?

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