060:我们如何丈量世界?

读喜马拉雅作者:gezhong日期:4月前点击:215
长度单位里的“米”,究竟来源于什么?为什么法国人发明的“米千克秒”也就是公制单位,最终得以在世界范围普及?!为什么说,米、千克、秒这些基本单位的来源非常的“自然”?!为什么又说现代世界对于这些单位的定义非常的“丧心病狂”?!跟着这期节目,简单了解一下度量衡的发展史!

060:我们如何丈量世界?

原来谁是贾楠,是这杨诗真是什么演的点的浪子啊。原来是这样的,欢迎来到原来是这样,我们是如何丈量这个世界的,这就是我给这期节目起的题目。

乍听一下,这似乎是一个再简单不过的问题了。 就好比大学操场的跑道通常是400米,上海到北京的直线距离大约是1060km。

那我们的节目也多次提过,地球和月球之间的平均距离通常是384400km。

再远一点的话,离我们太阳系最近的恒星系统之一半人马二法距离我们4.2光年。

而银河系的直径大约是十万光年,而一光年换算成千米是等于多少呢?

是94605km。

我们再看小一点的尺度,比如说天花板的高度通常是2.5米到三米。

一个成年人的身高通常是在1.6到1.9米之间。

A四纸的边长,我们也提过长的那一边是29.7cm,而公认的正常人肉眼平均的分辨率是90微米,这正是我们大部分人丈量这个世界的方式。

通过米或者由米延伸出来的各种长度单位来描述世间万物的大小,而且在大部分人的脑海里,通常的都有一个关于米的具体概念。

比如说我跨一步的距离,或者说双人课桌的宽度等等。

虽然说呢,这其中是存在着一定的误差,但由于米的概念已经根深蒂固了,所以说,只要看见一个不是特别巨大的事物。

估算它的尺寸往往得到的结果和实际的差不多。

可如果旭东耀非常认真地问你一米,它到底等于多长呢?

你或许会说,这有什么难的一米吗?就是100厘米呀,或者说是1‰km。

那如果我再问1km到底有多长呢?这时候你一定会想呢,有病啊,你买把尺,然后量一量不就行了吗?

徐东,你要是买不起,我干脆送你一把总行了吧。

这里呢,我并不是花式枯穷,我自己也买得起尺,但我真正想知道的是,为什么这一把齿上的一米?

这样的长度,它就是一米呢。

为什么我不能把我随便跨一步的距离定义成一米呢?

米的这个概念到底是怎么来的,凭什么这样一段长度,它就是一米,而且长一点短,一点都不行呢。

听到这儿,大家不要误会,不是因为子陵不在,所以旭东一个人在发疯啊。 今天呢,我将和大家一块儿来探索米的来礼的来历得来得来,我们都知道你是一个表示距离的单位。

而它并不是一个中国的传统长度单位。

古代中国人所使用的单位里呢,是由礼账,尺寸等等。

而学过英语的朋友应该也知道米这个词其实源自meter这个单词。 那米,它是英国人发明的吗,似乎也不是在英国人自己的程度单位体系里呢。

是有英里马,英尺英寸,这其中呢并没有米,所以这米到底是从哪儿来的呢?

这里呢,我先不和大家卖关子了啊。首先可以告诉大家,米的概念最早源自法国,但问题是,为什么法国人他定义的这个米最终影响了全世界绝大部分地区对于距离的定义呢?

有可能你会说啊,法国人嘛,西方列强呀,他们还差点征服过欧洲,不是他们,这是搞文化输出和我们当时秦始皇搞的书,同文车同鬼是一个道理。

那为什么当年更加强大的日不落帝国,大英帝国却没有在全世界范围里普及他们的音质单位呢?

这背后啊,其实是有很多很有意思的地方。

要说米之前呢,首先得和大家说一个词语,叫做米1000g秒。英文缩写的是mks,而他更通俗的名字就是公智表示距离的米,表示质量的1000g表示时间的秒,正是公置单位的基础。 公制单位呢是出现于法国大革命式的。

但是真正让他流行起来的却是因为他的定义非常的自然,或者说它根基于科学的原则,事物的长度,体积或者重量这些单位呢?其实在我国,有一个更加好听的名字叫做。

度量衡,这其中度是表示事物的长度。

梁代表体积横则代表重量度量衡的发展呢,大约是始于原始社会的默契。

传说皇帝设五粮而度量衡单位,最初呢,其实都是和人体有关的。 不守之耻不止之寸,一手之城谓之义,两手谓之居。

这个呢,其实都是在古代我们描述长度和体积的。

一些称呼,再比如我们非常熟悉的丈夫这个词,他的来历呢就是成年男性的身高大约是一丈左右,所以就是仪仗之夫。这样的定义虽然很简陋。

但其实会有很多好处,就比如说,当我们找不到凉气的时候,就可以很方便的通过我们的身体作为参照。

对事物进行大致的测量。但是不可避免的这种方式呢又伴随着一个非常大的麻烦,比如说一个高个子和一个矮个子,同时以自己的身体作为参照进行测量,那测得的结果就和实际值有着很大的误差了。

其实古人并不笨啊,他们很快就找到了解决问题的方法,那还不简单,我们就找个比较具有代表性的人的身体尺寸,做参照物不就好了。

比如说某个君主,他的身高就是一丈吧,他的手掌就是一尺。然后呢,我们再量一量,这个距离到底有多长,找个工匠照着这个程度做一个模子。

然后铸造一堆标准件,分发给全国各地,那么所有的程度都按照这个标准来,问题不就解决了吗?就比如说啊,音质单位里的马。

它其实就来源于英皇亨利一世。

这位国王呢曾经就组织过有关人员讨论一码。

到底应该定为多长大臣们呢,为此事各输几件,争论不休。

在一旁听得有些不耐烦的亨利一世呢,就干脆一拍大腿,伸手指着大臣们说,这有什么好蒸的,一码就是从我的鼻尖到食指间的长度不就行了吗?音质单位里的一码,他真的就是这样来的。而且呢,这的确是一个还不错的方法。 在世界上的很多地方,历史上的很多时代都广泛采用了这样一种做法。

可接着就有了另外一个问题,今天你是皇帝尺寸,按你的来,那明天我做了皇帝。

为啥尺寸就不能换作是我的了呢。

可这样一来啊,标准呢就很难延续,并且统一的传承下来。

当然说啊,这标准不一定非得和人有关,比如说中国的尺,现在呢,我们知道三尺等于一米,可最初的尺呢,它其实是和人有关的,它指的是成年男性伸展拇指和中指之间的距离,大约是20cm。

这个可以简单的引申一下啊,有一个成语叫做近在咫尺,这里面的尺呢指的就是这样一段距离。

而那个纸,一个尺,加上一个一只两只的,只他呢,指的是成年女性同样用拇指到中指之间测得的距离。

后来呢,因为人的体型不尽相同。

中国古人呢就想到了通过乐器来确定尺的长度,于是呢,我们的祖先就按照乐律的音频为黄忠这样一段音频的乐器的长度来确定尺的长度。 所以说呢,古齿又称为乐齿,或者叫绿齿黄钟齿。

怎么解释这种方法的定义呢?大家应该想象一下,这个古代的那种乐器,就好比是编钟,每一个编钟的长度和大小呢?决定了这个编钟所发出的音色是不同的。

大家可能对当时这种乐器它的音调的定义会有些模糊。

我们简单的就把黄忠这种音调对应成我们现在比较熟悉的都当这种乐器,它铸造到能够发出都这个音的长度的时候。

这个程度呢就定义了当时的尺。

其实这种方法是具有非常高的科学性的,起码比随便指个人的身体的某一段作为一个长度的标准要科学得多。

但问题就解决了吗?我们不妨再来看看尺这一长度单位发生的变化。

商代的时候,1cm周代大约是19.91cm,到了汉代市21.35cm,唐代30.7cm。

可以看到不同的朝代尺的程度,它的变化是非常大的。

其实细想一下,我们也不难发现问题啊,因为乐器的材质并不能保证它完全一致,而且单凭共振或者说忍耳,这样的方法我们很难精确的定义。

黄忠的音频到底是哪一段,这也使得这种方法没有办法精确地去统一史的确切长度。

其实最开始呢,统一度量衡的问题并不是特别严重,比如说买米的时候两斗米差个几10cm都不要紧,只要在一定范围内,比如说一座村庄,至多是一个国家的范围当中,度量衡是相对统一的就好了。

可是随着文明的发展,世界各地的交流变得越来越频繁,那不尽相同,或者说难以客观定义的度量衡就会严重的影响商业,或者说是学术界的交流。

而这些情况其实到了工业时代。

就变得尤为严重了,问题就随之而来了。

人类究竟该用一种什么样的标准,既能够说服所有的人,而且能够经历住时间的考验,得以亘古不变了。

说到这儿,真的不得不由衷地赞美一下公职单位了,因为听了接下来的故事,我想你或许也会和我一样能够欣然接受。米鸟100,0g这几个公职单位了,因为关于这些单位的定义。

他并没有狭隘的个人主义,或者说是民族主义色彩。

因为它们都来源于大自然,是具有真正的普世价值。

那接下来呢,我们就一起来了解一下米秒和千克这三个基础单位,他们的源头都是什么而顺序呢?我决定反过来说,先说1000g,再说秒,再说米,为什么要先说1000g呢?试想一下。

1kg刚好等于什么事物的重量。

如果你想明白了这点,你就知道为什么我说1000g,他的定义非常的自然,很多初中生都能够脱口而出回答我这个问题,1kg不就是1L水的重量吗?

这个回答基本正确,但不够精确。

在法国大革命之后呢,法国人决定颁布一系列的新的计量标准,而对于这些标准,他们有一个重要的原则。

那就是自然必须是脱离人类的自然1791年的时候,他们最初就规定了1000g定义是一立方分米的纯水在四土时的质量。

并且呢,是用博弈合金制成了一个元气,原来的元元气保存在巴黎之后呢,就被国际上称为国际1000kg。元气呢,长得非常像一个十分精致的金属圆柱形,有点儿像一个大号的法码。

但是呢它采用的是博衣合金,这是一种非常名贵的性质,也非常稳定的合景。

这里呢其实有个小插曲啊,原计划,但他们是想制作一个刻的标准器,但是因为当时的工艺和测量技术有限制,所以说呢,就制作了一个质量是克的1000倍的标准器。

也就是1000g标准元气。

这就是为什么国际单位制当中质量单位是1000g而不是克的原因了。有了这个1000g元气之后。

世界上所有执行公职单位的国家,他们国家境内的1000kg标准元气的重量作为参考的。

而其实关于这个1000g元气啊,好玩的东西还有很多,比如说曾经在很长1kg元气的复制品,一度被视为一个国家荣誉的象征。

这一点呢,有机会再和大家说今天呢,先不展开,提到这个1000g元气呢。可能有些朋友就想问了,不是说1000kg元气之后这个元气?

他就算造的再精致,他也是一个人造物啊。

这是不是又背离了自然的初衷了呢?

这个问题很好,的确,1000g元气。 虽然说它是一个不错的解决方案,但它并不是一个完美且一劳永逸的解决方案。为什么呢?

因为以一个人造的物质作为一个基本物理量的定义始终逃不过这样的问题,就是无论你对这个物品保管的有多么的妥善。

依然难以保证它本身不发生一些变化。

就比如说这个1000g元气,它是被妥善的保管在好几层玻璃罩,而且是抽真空的玻璃罩当中的。 但是在2007年的一次检查当中,相关人员还是发现。

这个有着118年历史,用薄荷伊核金混合铸造的圆柱形铸件国际1000g元气,它的重量是减轻了大约50mg。这就意味着,如果全世界的1000kg都得轻50mg才行,这个数字一旦累积,它所产生的影响将是非常巨大的。

所以说呢,其实科学家们也正在试图寻找一个更加自然的方式来定义1000g。

比如说就有科学家提议,我们可以把克,也就是1000kg啊。

来定义成十八成语140700004481个碳。十二原子的重量如果这样操作的话,那么在任何时候。

这个定义都不会改变了。

当然,这个方法科学家们还在探讨当中有可能在某1kg炭最终的定义,而这种定义方式呢又真正的回归了自然。那可能有人要问了。

科学家为什么会想到这样一种方法?其实接下来听我们说。

秒和米的定义之后你就明白了,因为这样的方法,它能够超越时间空间的概念。

接下来我们来说说秒啊,可能很多朋友一定要说了,这秒有啥好说的,不就是一分钟的11/60小时的1/3600,或者是一天的八万六千四百分之一吗?

的确,经历过前五期立法节目的摧残,大家应该对于时间单位的来历是有了清楚的认识天的长度,它就来源于地球的自传。

这样看来,定义秒的确切程度其实并不难,所以说在人类历史的大部分时段,秒的概念其实并不是太重要。

因为表述很短的一段时间,用一眨眼半柱香之类的词通常也够用,而等到我们真的需要用到秒这样一个时间概念,并且需要较为精确地去测量它的时候。

我们其实已经发展出了足够的技术来制作一些仪器测量秒的长度。

好比说在春分这一天啊,由于那一天是昼夜等长嘛,我们只需要设计一个仪器,比如说中版,使得它可以在两次日出之间刚好摆动八万六千四百次,那就可以了。我相信,只要有足够的耐心,足够的经历。

足够的时间一定能够测得一个相对比较准确的鸟的长度。

当然了,这样的测量方法是有前提的,除了要保证钟摆它的摆动是恒定的之外,其实还有一个很重要的前提,那就是地球的自转速度,他必须是永远一致的。

可事实真的是这样吗?人们已经发现,地球的自转速度是有着死三种变化。首先呢,是长期减慢,这种变化呢使得每一天的长度在一个世纪内大约是长了一到二毫秒。

毫秒是一秒的1‰,这对普通人而言呢,是一个几乎没有意义的时间长度U。但当这细微的误差日积月累,比如说积累个2000年,差不多就有两不多小时了。

科学家也发现啊,在差不多3.7亿年前的泥盆季中期,地球上的每一年呢,大约有400天左右。

其次呢,是周期性变化,地球的自转速度在春天,它其实会慢那么一些,秋天呢会快一些,这主要呢是由于风的季节性变化引起的。 与此同时呢,地球自转还存在着十块十慢的不规则变化。

而这个原因呢,现在还并不清楚他到底是为什么科学家们呢,也是正在进一步对他进行分析和研究。

稍微扯远一点啊,其实有一个影响地球自转速度的原因,可能大家会有些意想不到,那就是发射人造地球卫星,因为力的作用是相互的,根据动量守恒的原理。

发射卫星水产生的反作用力,它其实会让地球的自转速度直接变慢。

虽然说相比于地球而言,那么一丁点儿的力实在是有些微不足道所带来的影响呢,也是微乎其微的。

但不可否认,地球的速度确实是受到了微乎其微的影响。

那听着以上我说的这几点,恐怕你应该明白了我的意思,那就是我们不能够单靠定义地球自转一周的几分之几来简单的定义一秒的确切长度了。其实,在1956年的时候,天文学家就已经知道地球在自转轴上的自转不够稳定。

不足以作为时间的标准秒。

于是呢,他们就想到了以特定利源下的地球公转周期来定义它的取值范围是什么呢?

是从隶书时1900年1月1号十二点开始算的这一个回归年的总时间程度的31550000。

六千九百二十五点,九七四七分之一为一秒。这个算法乍听一下,可能会觉得有点儿搞笑,但实际上有他精确的道理。

在1960年,这个定义由第十一次国际度量衡会议通过。

虽然说这个定义当中的回归年的长度并不能够进行实测,但是呢,可以经由线性关系的平回归年的算是推导。

由于这个秒的定义,它来自于隶书,因此呢也被称为隶书秒。 但其实我们知道,即使是天文观测,依然是有着一些不确定的因素在里面。

于是呢,在1967年的第十三届国际度量衡会议上。

科学家们呢,就找到了一个更绝的方法,我们不往大了,找我们往小找,我们找一种原子,通过原子内部的一种特殊的现象来定一秒好不好,于是呢,他们就真的找到了,找到了一种叫做色幺三三的原子秒的定义就成了色幺三三原子基态的两个超精细能接间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。

这个定义提到的色原子必须在绝对零度时是静止的,而且在地面上的环境是磷磁场。 在这样的情况下,被定义的秒与天文学上的隶书时所定义的秒是等效的。

啊,这段描述非常的丧心病狂,如果说没有一定的物理基础的朋友,其实可以直接无视掉啊。

简单的说啊,就好比在四幺三三原子内呢,有一个极快极快的小钟摆,当他摆动了9192631770次之后。

表示鸟的那个指针呢就向前推进一格。

而这样有些令人发指的精度就使得鸟变得非常的稳定了。

那基于这种特性呢,人类制造了色原子钟,而目前呢最好的色原子钟?

它的精度可以达到20000000年才相差一秒。

听到这儿,再帮您回忆一下秒的最初的来历和现在的定义,它起源于自然,那就是地球的自传。

现在呢,又回归于自然,根据四幺三三这种原子它内部的一些特性而进行定义。 摔完了秒,终于要说米了,那为什么一定要把米放在最后呢?

这个呢,我稍后会告诉大家,我们先来说说。

米,这个长度单位,它到底自然在哪儿?1000g的自然属性是来自于水秒的自然属性,是来自于地球的自转。

那米呢,在1875年,十七个国家制定了米制公约,并且依照公约设立了国际度量衡大会。

而最早关于米的定义呢,其实就是从地球的北极到赤道之间,通过巴黎的那条子。午线就好比以北极点为中心,把地球竖得切那么一刀。

中间呢要经过巴黎,而这段距离的1/10000000,就是当时对于米的定义。

听明白了吧,其实关于你的源头,它也是来自于地球的本身。 在十七世纪80年代,法国的度量衡呢是一团糟。

有几十个单位,其中的每一个又有几十个甚至数百个地方性标准。

其实早在法国大革命之前,就有政治家呼吁要改革度量衡,而且呢,按照当时流行的卢梭精神单位,就应该是在某种程度上。

自然的,这其实也体现了后期为什么米秒千克这样的单位,它非常的自然了。

最初呢,天文学家曾经要求将程度单位定义为摆动周期为一秒的百锤的程度,只可惜后来呢,这个方案不了了之了。

但这个时候,其实我们会发现其中的一个思想,那就是把长度的定义和时间的定义结合在一起。

虽然说后来关于米的定义是根据地球的,但是其实这个思想最终却影响了现在的。 先卖个关子,咱们稍后再说。 在1791年。

一个由拉格朗,日拉普拉斯等人组成的有史以来最杰出的科学委员会是提交了一份报告,建议呢,定义一个全新的长度单位。

那就是米。而它的来源我们前面也说了非常的自然和秒的来源一样,同样和地球有关,就是以赤道与极点的海平面距离的千万分之一作为你了。其实我们再看一下地球的数据啊,我们知道地球子午线,它的周长是40008km,而赤道的周长呢是40076km。

为什么这两个数字都如此接近于一个整数呢?

其实这并非是巧合,而是因为米它最初就是根据地球的尺寸来定义的,只是说当时的定义和最后实际测量出来的值产生了一丁点儿的误差。

为什么会有这样的误差呢?其实也很容易想象啊,因为在制定这一标准的时候是一七九几年没有飞机,更没有人造卫星,甚至还没有人曾经去过北极点。要知道这样宏观的一段距离的确切长度。

他真的不是一件非常容易的事儿。好在呢,经过精巧的设计和多位科学家几年的不懈努力,他们终于是得出了一个在当时看来非常精确的数值卫星升上太空之后呢?其实我们也进行过类似的测量,再去比较当时的结果,发现实际上的数值。

仅仅只多了五分之一个毫米,这真的不由得让我们要佩服当时科学家所设计的那种测量方法。

他所得到的那种精度,当最早的那一批丈量地球的人测得了这一段长度之后呢,在1795年,人们就根据这样一段数值制作了一种薄棒,它的具体尺寸呢是一米长4mm宽?

而且两端是平行的,1799年的6月22号,这根代表米的标准的薄棒被放置在了当时的法国国家档案馆,这就是和尖刻元气所对应的众所周知的米元气了。

而公制也就是在那1年的十二月十号获得了立法确诊。

从此以后呢,凡是采用公治地区的米?

都是以米元气所丈量出的长度米作为基准了。

在这之后的很长一段时间,米元器都是公职单位国家长度单位的标准,但是其实和1000g元气一样,问题也随之而来。

那就是随着人们对测量精度要求的不断提高,单纯凭借人造物对基本物理量做定义,都难以避免的会产生误差。

比如说,每次我们使用米元器的时候,它的两端我们其实都会不可避免的损耗一些原子,而这些损耗久而久之就会产生一些误差。

要知道,他可是代表着标准啊,这点误差对于他来说是不能容忍的。在这之后呢,人们就想了各种各样的方法来定义米的长度。 到了1983年,第十七届国际计量大会第一号决议就把米进行了一个彻底的颠覆式定义,你被正式定义为了光在真空中一定时间内所通过的距离,这是因为真空中的光速它是恒定的。

而且我们也已经事先定义了光速的精确值,那就是每秒299792458米,请注意,光速的单位之中就有米那换一种思路,我们同样可以通过光在限定时间内通过的距离来重新去定义米。

所以现在呢,光在真空中两点间传播的时间长短,不再关系到光的速度,而且决定着两点间的距离,那就是米应该明白了,这就是为啥徐东在说,米之前还说了秒。这就是因为在当代对米的定义当中。

只有先定义了秒,我们才能够。

定一米,换句话说,就是一米的距离,它其实等于光在1/29979245,8个色幺三三。原子基态的两个超精细能接间跃迁对应辐射的9192631777个周期的持续时间内所通过的距离了。

这就是你的来历以及他确切的定义了。 原来是这样,就是这样,我是旭东,咱们下期再见。

恭喜你又发现彩蛋啦。

这期节目真的向大家对不住啊,由于旭东是挖了一个坑,所以说呢,在写文案的时候差点把自己绕进去。

差点绕都绕不出来,这期节目极有可能难产,好在总算把这些节目录完了,还是谢谢各位那么长时间对我的支持。

也有很多朋友在我的微信公众号,包括百度贴吧,qq群当中都其实会问到紫林到底去哪儿了。

先剧透一个好消息吧,有大约九成的把握,那就是下一周的节目,紫菱将会回归。如果说大家对于节目的内容有想法,有兴趣,或者说旭东在准备无案的过程当中,可能有一些疏忽的地方,也欢迎大家通过以下这些平台联系到我。

可以到旭东刀科学的百度贴吧,可以到驱动到科学的微信公众号,或者说是原样刀友会这样一个qq群或者我的新浪微博,旭东找到我联系,我诚恳的接受大家的建议,最后还是要啰嗦一下,徐东的东有些难写。

是上面一个山,下面一个洞,下周再见。

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