科學技術史 【科學史】一米應該有多長

歡迎各位參加今天的科學前沿大討論 這次我們要解決的科學前沿問題是 一米應該有多長 這種時候就不要說那種一米十分米一百釐米的話了 就考慮一下 到底怎麼比劃出一個確切的一米的長度來 巧了 現在從教室出門二十公里就是五金店 可以買把卷尺 好 問題終結 一條街上的五金店都能給你整這出 不看這張圖 從裏面抽兩把尺子 兩把尺子不出意外都會覺得自己是準的 那全世界至少兩百多個國家 要是沒有一個最終標準 他們的五金店所有尺子放一起 那大家都這麼爭也不是個辦法 誰短了 誰長了 總要找個靠得住的標準 而且這種標準還要推廣到整個世界 不然兩個國家開學術會議開不動 而且發達國家幫助欠發達地區搞基礎設施建設 那派過去的工程師和那邊的本地對接人員 也是跨府聊天 所以這個標準得是一個不會變的值 並且隨時可以通過某種手段獲得 所以我們不能拿一把尺子說這個是唯一標準 那樣我們只要把它給毀了 1789年 法國大革命結束之後 法國科學院就提了個統一度量衡的方案 就這個米多長呢 通過巴黎的地球子午線長度的四千萬分之一 只要地球還長這樣 米就不會變 所以就此確立了下來 而且這樣子午線長度也變成一個整數 很好記了 但是當時的測繪也沒有GIS GPS RS 其實精確得到子午線長度還是有點難度的 而且定完長度 大家各回各家後發現 一開始地球的扁率搞錯了 確實有誤差 我們是改米的定義還是要改地球形狀 在這個概念的米還沒有徹底成爲全球頭號長度單位的情況下 有人提了一些依靠其他地球性質來定義長度的想法 依靠什麼呢 單擺公式 T等於二π√L除以G 單擺的擺長L完全由擺的時間決定 這樣我們規定一個時間L也就確定了 但是問題在於 重力加速度實在是太靠不住了 你就算確定好一個地點了 也容易因爲外界因素出現波動 關於子午線之前的測量失誤和米本身制度的確定 在一群人之間爭論了很久 這些人包括皇家天文學家皇家學會主席前任駐米大臣 最終通過了還是按照之前的定義和之前的長度形式的決斷 並且開始立法推行 也是我們如今米的單位由來 所以就出現瞭如今子午線長度是四千萬零個幾千米的奇妙結果 哦吼 孩子睡覺蹬被子怕他着涼 我及時發現打斷了他的腿 在步入現代之後 出現了國際計量委員會 專門負責保證世界範圍內計量的統一 1971年出現了我們現在看到的國際單位制 以及七大基本國際單位 米 鳥 千克 開爾文 安培 摩爾 坎德拉 這七個裏面的後四個基本上是高考選了理化生的孩子 生命中才會全部深入交流的單位 所以這次我們就先了解一下 前三個單位分別是如何像剛剛提到的找子午線那樣 找到自己的靠山的 注意 在接下來的找靠山過程中 我們作爲未來人 一定不要犯循環帶入的錯誤 比如說我們開局先用週期爲一秒的單擺定義了米 然後第二個自然端就整了個用長爲一米的單擺定義一秒 每一個單位的定義方式不能用尚未確定的標準 我們來看鳥的定義 這個的舊定義非常簡單 偉大的老祖宗早就知道怎麼測量一天的平均長度 所以鳥來源於平均太陽日 也就是我們說的一天的86400% 兄弟們不要問我86400是怎麼來的 但是這種規定無法滿足信息時代精密設備的變態要求 北斗導航系統的時間基準300萬年只會差一秒 因爲如果差了十億分之一秒 定位就會差0.3米 科學家發現 每個原子都有自己的一個特徵振動頻率 其實也就是一個特定的擺 只不過這種擺的頻率超級高 我們讓這些原子在管子裏擺 然後在另一端觀測 如果它擺到了我們要的那麼多次 就能對外發出個信號 好一秒過去了 現在最新的對一秒的長度定義是 色133原子在基態下的兩個超精細能級之間躍遷 所對應輻射的9192631770個週期的時間 再看千克的定義也是我們在小學的時候就學過的內容 做一個邊長爲一分米的箱子 裝滿水 體積爲一升 質量爲一千克 稍微嚴謹一點 那就是一升的純水在四攝氏度時的質量爲一千克 當時的國際計量大會 造了一個薄一合金材質的國際千克元器 裏三層外三層包了起來 不過從現在的科學水平來說 這種做法還是有點原始了 秒的定義都那麼酷炫了 質量怎麼能輸給它呢 所以在更新了幾個版本之後 2018年的國際計量大會的最新定義 成功把質量變成了正常人類看不懂的樣子 一千克是對應普朗克常量爲6.62607015 乘時的-34四方焦耳秒時的質量 聽說過普朗克常量的同學 可能會覺得這個表述是不是有點語病 其實沒有 接下來我們就用基礎物理設計實驗 解釋一下這句話的意思 不想聽解釋的可以直接跳到6分54秒 首先設置一個天平 不過這不是用砝碼來稱物體 而是用電磁力來稱物體 這種天平叫做功率天平 又稱基布爾天平 這個天平不僅能測質量還能測速度 首先我們通過左邊的安培力 等於右邊的重力得到這個 但是左邊的B和L很難準確測 所以我們要用法拉第電磁感應定律 U等於BLV 把式子轉化成MgV等於IU 這時候兩邊的量綱乘出來的都是瓦特 這個電流I可以通過歐姆定律 轉化成電壓處於電阻 質量就可以剝離出來變成這個 可以分別使用重力儀和干涉測量儀 能準確測 然後感聲電動式和電壓和電阻 藉助量子約瑟夫森效應和量子霍爾 也能表示成一個帶有頻率和電荷量的表達 最終等於右邊的所有物理量 都至少有十億分之一的精度 用這個公式 任何一個家裏有基布爾天平 重力儀和干涉測量儀的小朋友 都可以輕鬆測出標準砝碼的精確質量 當然了 我們這個視頻的題目叫做 一米應該有多長 所以我們最後還是應該回歸主題 質量和時間 我們都知道了最初的舊定義 和現在的新定義 那麼長度的新定義是什麼呢 在子午線定義退出歷史舞臺後 我們選擇什麼常數來確定米呢 這裏要提前感謝一下 秒的精確定義 如果我們能找到一個速度恆定不變的 甚至相對於任何參考系 都恆定不變的東西 那我們就可以用秒和這個東西的速度 來規定一段距離 作爲基本長度單位 我們想到了光速 我們先是用掌握了幾百年的長度單位 測量了光的速度 之後又在1983年 用光速重新規定了米的標準 一米是光在真空中 前進2億9979萬2458分之一秒的距離 畢竟光速是無論如何都不會變的 從科學的角度來說 人類終於找到了宇宙中最爲可靠的參照物