长度的历史
时空的测量从人类文明开始就是必须的,但是测量手段和精度的提高是一个长期的进化过程。
公元前221年,分裂了几百年的春秋战国在秦始皇手里结束了。同年,始皇帝颁布法令:“书同,车同轨,统一计量。”其中,统一计量是指将春秋战国以来混乱的长度、容量、重量单位重新统一起来。
这件事之所以如此重要,是因为只有使用同一个计量单位,才能实现不同地区之间的快速有效沟通。可以说,这是中国能够长期保持大一统格局的重要原因之一。
但不可否认的是,古代长度测量的准确性和规范性还存在很大的不足。不同朝代度量衡有差异,统一朝代不同地区也有差异。
之所以会出现这样的问题,不是国家无力统一,而是没有这样的需求。毕竟还是小农经济,基本能凑合。足以保证大部分地区的标准相对一致。
我们可以把以上看作是1.0的测长时代。世界是如何从1.0变成2.0的?
刚才说了,古代度量衡之所以这么不靠谱,是因为没有现实需求。那么我们什么时候开始需要更准确、更标准的度量衡呢?工业时代!
很好理解。工业时代的产品都是标准化的,精度很高。哪怕一毫米的误差都可能导致配件失效。有需求才能用电。
18年末,法国科学院以巴黎子午线从赤道到北极距离的万分之一为标准单位,即一米。为什么要用这么奇怪的标准?因为要保证基本单位不变,就要以自然物理量为基础。
法国科学院为此专门制定了标准的大米原型,并根据测量结果制作了一个3.5mm×25mm的短节铂金原型。这个原型两端距离定为1 m,后来改成了铂铱合金米原型。
但这种米原器还是存在一些不足。一种是由于划线技术、材料变形、测量方法等原因,在复现数值时总会有一些误差。另外,万一文书原件损坏,复制也就没有依据了,尤其是复制件很难保证与文书原件完全一致。虽然这个误差可能只有0.1mm,但对于日益精密的制造业来说,这是一个非常大的问题。
随着精度要求的提高和人类科技手段的提高,标准长度单位有了新的发展。这次可以称之为长度测量3.0,是信息时代的产物。
1960年,国际计量大会将真空中氪(86Kr)原子2p10和5d5之间的跃迁辐射波长改为标准米的165,0763.73倍。这是一种非实物标准,性能稳定,无变形问题,易于复制,复制精度高,相对误差不超过4×10-9。
之所以一直不用这个标准,是因为氪不容易获得,更重要的是到了70年代,光速的测定变得更加精确。
于是,一米的最新定义就变成了:光在真空中传播1/299 792 458秒的距离就是标准米。
光线随处可见,只要有仪器就能抄标准米;而且根据爱因斯坦的相对论,光速是一个绝对速度,不会改变,定义的长度也很稳定。
说到这里,我们基本上完成了长度测量的历史。很难说现在的定义会永远持续下去。毕竟随着科技的进步,我们会找到更合适的定义。
不过没关系。重要的是你从测量的历史中学到了什么。以下是我的一些想法:
1.任何简单的概念和公式往往隐藏着更深的本质。永远要学会问为什么,这样你才能比别人看到更多。
2.推动社会进步的不是一个人或一个国家,而是社会发展到一定程度产生的需求。为了解决这些需求,必然会开发出相应的工具。
3.物理学的发展不是一蹴而就的,往往受到配套技术和社会需求的限制。
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