一米一秒間，蘊含着多少深刻的科學道理？可能顛覆你的想象

我們生存在一個三維空間的世界，即我們所瞭解的事物都有三個空間維度，就是長寬高，這讓我們看到的世界是一個立體世界。而自從愛因斯坦相對論問世後，人們認識到這個世界時空是一體的，時間維貫穿於三維空間之中，因此，我們實際生活的世界是一個四維時空。

在我們認知的這個世界，空間是所有物質存在的廣延性，而時間則是物質運動的過程、順序和持續性，這些都是不受人們意志約束而存在的。人們只能通過對時空的觀察，採用一定的工具來描述它。

爲了描述世界上各種物質的大小，人們發明了尺度計量單位，如毫米、釐米、米、千米等等，其中最基本的單位是米；同時爲了更準確度量動態時空的本質，除了計量物質大小的工具，還必須有計量物質運動過程的工具，如時、分、秒等等，其中秒爲基礎。

因此，時分秒和毫米、釐米、米、千米就是人們日常生活中最常用的度量單位。

有了這些度量單位，我們就幾乎可以衡量平常的各種事物變化，如一隻螞蟻一秒鐘可以爬行1釐米；一般人步行速度每小時約4千米；汽車在高速上時速可達100千米以上；客機的飛行時速約爲800千米等等。

這些日常計時和尺度單位，對於一般吃瓜羣衆來說，日常生活是夠用了。如1秒鐘也就“滴答”一下，小於1秒鐘似乎就沒多大意義；而1毫米還沒有一粒芝麻大，再細分似乎也沒什麼意義。

但在科學測量中，這些日常長度和時間單位卻遠遠不夠用，比如對一些微小事物乃至微觀世界的描述，採用常用的計量單位就十分困難。

如研究昆蟲世界，科學家們發現不同的昆蟲翅膀扇動的速度不同，每扇動一次翅膀，蒼蠅需要千分之三秒，蚊子則需要百分之二秒，蜜蜂需要千分之五秒等等。而更小的事物就更難計量了，如幾億分之一米或幾億分之一秒等。

這種描述非常麻煩且不準確，爲了更精準方便的描述微觀世界，科學研究就誕生了越來越細分的微觀刻度。

如長度單位在米、釐米、毫米以下，劃分出微米、納米、皮米、飛米、阿米、仄米、幺米等等，1毫米等於1000微米；1微米等於1000納米等等，以此類推，1飛米就是1000萬億分之一米。

與之相對應的時間計量單位也被劃分得越來越小，秒以下分爲毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒等等，每一個等級都小於上一級單位1000倍，如1秒等於1000毫秒，1毫秒等於1000微秒，以此類推，1飛秒就是1000萬億分之一秒。

有了這些微量度量單位，描述微觀世界就方便多了，比如前面說的昆蟲扇動一下翅膀的時間間隔就只需要描述爲：蒼蠅需要3毫秒，蚊子需要20毫秒，蜜蜂需要5毫秒就行了。而且，可以精準描述更精細微小的微觀世界了。

比如，人體細胞只有5~200微米大小，細菌大小隻有0.5~5微米；病毒比細菌還要小百倍以上，只有幾十到100納米左右；人體DNA分子只有10個納米，卻包含着2萬多個基因，含有31.6億個鹼基對。

而組成物質的分子、原子、電子，以及充斥着我們世界的光子，則是更爲細小的尺度單位了，一個水分子直徑約爲0.4個納米，一個氫原子直徑約爲0.1納米，而原子核直徑則只有約1.7飛米。

有了這些微小的度量工具，科學還不斷創造出高精度的計量工具，如飛秒攝像機。這種攝像機每秒鐘能拍攝圖像萬億幀以上，在這種攝影機下，世界最快的光速也成爲蝸牛，而那些人眼無法分清的毫秒、微秒、納秒級別的事物，如百米賽跑終點衝刺、驅動蛋白不慌不忙每步8納米的步伐，都在攝像機下纖毫畢現。

現代量子力學認爲，人類能夠認識的最小尺度爲普朗克尺度，即普朗克時間和普朗克長度。這是基於廣義相對論推論出的奇性不可避免，時空存在零點，且量子力學具有不確定性原理，不確定程度取決於普朗克常數。

普朗克常數確定出最小的長度單位爲1.6乘以10的負33次方/釐米，這是一個比原子核還小20個數量級的尺度；而與之相對應的最小時間單位爲普朗克時間，約爲10的負43次方/秒，也就是1000億億億億億分之一秒。

人類迄今能夠或正在認識到的世界，都是從宇宙大爆炸後這個尺度和時間開始。

量子力學得出的結論是，任何小於這個長度和時間的事物都無法進行精確測量，因此對於現代物理學來說，所有的理論都在普朗克時空處失效，那裡不是我們可以認知的時空，也就是屬於超時空事物。如黑洞視界內部乃至奇點，大爆炸奇點及其之前的事物，都是現代理論的終結處，或者說是時空終結處，人類無法認知。

人類對大自然規律的認識現在依然越來越向兩頭縱深發展，即朝着微觀的量子世界和宏觀的宇宙深處不斷拓展。

出了地球，再用人類丈量地球的尺度單位似乎就不太方便了。距離地球最近的天體爲月球，距離我們平均約38.4萬千米。在這裡採用千米級別單位度量似乎還不算麻煩，但到達更遠的地方，再採用千米單位來計量就有些不方便了。

如地球距離太陽約1.5億千米，到達海王星平均約45億千米，到達冥王星平均約60億千米。

科學家們爲了方便太陽系內行星間的距離描述，就確定了一個天文單位，簡稱AU，將地球到太陽平均距離1.496億千米定爲1AU，這樣，我們到海王星平均距離就約爲30AU，到達冥王星平均距離就約爲40AU。

而現代科學研究認爲，太陽系這個行星系統引力範圍超出冥王星之外，在距離太陽1光年距離的邊際，太陽引力形成一個叫奧爾特雲帶的區域，那裡是一個彗星密集的地帶，這些彗星成一個巨大球狀包裹着太陽系。

1光年是什麼意思呢？就是光走1年的距離尺度。這是爲宇宙更大尺度準備的一個計量單位，出了太陽系，採用天文單位來計量就不好使了，必須採用光年。

光的準確速度爲299792458米/秒，也就是每秒約30萬千米。每小時爲3600秒，每天24小時，科學家爲計算光年確定了一個儒略年計時，每年爲365.25天，這樣每個儒略年爲31557600秒，光一年運動的尺度就爲9460730472580800米，也就是約9.46萬億千米。

這就是1光年，是個距離單位，約爲9.46萬億千米。太陽系引力半徑約爲1光年，折算成天文單位就是63000多個AU。因此，出了太陽系，採用天文單位計量就已經不方便了，計量恆星際之間的距離，一般就採用光年計量。

還有比光年更大的天文距離單位，就是秒差距。所謂秒差距是建立在三角視差基礎上的一種計量單位，英文叫Parsec，縮寫爲pc，1pc約爲206264.8AU，或3.26光年。但在天文測量裡面，更廣泛採用的計量單位還是光年。

現代天文學標準宇宙模型認爲，宇宙起源於約138.2億年前的大爆炸，由於宇宙發生過暴漲和高速膨脹，現在的可觀測宇宙半徑已達465億光年，可觀測宇宙中包含有約數千億乃至數萬億個星系。

哈勃望遠鏡已經觀測到距離我們最遠的星系有134億光年，而去年發射的韋伯望遠鏡將這個距離又拉遠了2億光年，發現最遠的星系距離我們有136億光年。也就是說，在宇宙大爆炸發生後的2億年內，星系就廣泛形成了，這對之前的宇宙形成理論提出了挑戰。

對於天文距離的測量的方法有多種，其中主要有三角視差法、造父周光關係法、星系光譜紅移法、la超新星標準燭光法等等，這裡就不一一介紹了。

現在有個問題需要說清楚，這些度量時間和距離的尺度基礎是什麼呢？到底準不準呢？要知道失之毫厘謬以千里，這是從古到今最基本的道理。其實，我們從整篇文章洋洋灑灑的介紹中，早就看出了，度量時間和距離的最基本尺度是米和秒。

米的定義起源於法國，最初1米長度定義爲：以通過巴黎的子午線爲準，從赤道到北極點距離的千萬分之一爲1米。根據這個長度，用鉑金制定了一根米原器，收藏在法國國家檔案館中。後來幾經修訂，這根鉑杆米原器被保存在巴黎國際計量局的地下室中，規定在0攝氏度1個標準大氣壓狀態下，鉑杆兩端刻度之間爲1米。

但這種鉑杆米原器由於時間、溼度、溫度、氣壓等等原因，還是會有極其細微的誤差出現。

隨着人們對光速認識的日益精準，爲了讓光速成爲一個整數，國際計量大會在2019年重新修訂了米的定義，廢除了鉑杆米原器，將米的定義表述爲：“光在真空中行進299792458分之一秒的距離”爲1標準米。

也就是說，光速的準確值爲光真空中的1秒鐘行進距離爲299792458米，這是一個整數。這對過去的米原器尺度進行了一點極其細微的修正，從此讓米和光速、時間成爲一個精準統一的度量工具。而且這種標準米已經並非實物，而是不變的真空光速，不再會出現誤差了。

這裡面還有個最關鍵的基礎數據，就是秒。既然這個米的長度是以真空光速在299792458分之一秒時間行進的距離確定的，這“滴答”1秒的準確度就是關鍵中的關鍵了。那麼，這數億分之一秒是如何得出的呢？

別看這簡單的“滴答”1秒，其中蘊含着更精細的科學。目前使用的“秒”是在1967年召開的第13屆國際度量衡大會確定的，定義爲：銫-133原子基態兩個超精細能階之間躍遷時所輻射的電磁波的週期的9192631770倍的時間。

這句有點像拗口令的話是什麼意思呢？簡單地說，就是每一個原子都有自己的特徵振動頻率，而銫原子基態超精細能級之間躍遷對應的輻射頻率爲每秒達到近92億個週期，精確計算出將其躍遷9192631770個週期作爲1個標準秒的定義。

採用銫原子振動頻率製造的計時工具叫銫原子鐘，其誤差可低至2000萬年相差在1秒之內。

有了這個精細的“標準秒”和“標準米”工具，科學家們纔在此基礎上分化出微觀和宏觀的度量工具，對世界的測量和描述就越來越嫺熟和準確了。

有關度量衡的知識詳說起來還很多很複雜，今天就說到這，以後再聊。

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