國際基本單位中的時間和長度單位是如何定義的？

這里介紹一下日常糊口中最常見的時候單元“秒”和長度單元“米”在物理中是若何界說的。起首介紹一下無處不在的時候。

時候單元“秒”的界說

時候一向是很神秘的，關于時候自己是什么，早已不是單單的物理問題了，更多的當作為了一種哲學上的切磋。在這里，我們不深切會商這個話題，只是簡單的介紹一下時候的單元——秒——是若何界說的。

一秒現有的界說是銫-133原子基態的兩個超邃密能級間躍遷對應輻射的9,192,631,770個周期的持續時候，這個界說是在1967年起頭啟用的。在此之前，“秒”有著其他的界說。

在公元1000至1960年之間，秒的界說是平均太陽日的1/86,400。可是后來發現太陽日的時候長度是轉變的，不足以作為時候單元的基準，是以在1960至1967年之間，秒被界說為1960年地球自轉一周時候的1/86,400。

基于地球自轉周期的秒被稱為“歷書秒”，1967年科學家們測量出了銫原子的兩個超邃密能級布局之間電磁波的躍遷周期和“歷書秒”的關系（這個關系很主要，可以包管“秒”的界說的持續性），這個關系就是前面提到的9,192,631,770。

因為原子超邃密能級躍遷周期的不變性，“秒”的界說從此起頭基于銫原子的超邃密能級躍遷周期而界說，此時的秒被稱為“原子秒”。這種基于原子的能級躍遷周期的計時東西也被叫做“原子鐘”。

原子鐘（圖片來歷于收集）

這里要說的是，“原子秒”和“歷書秒”所界說的“秒”的時候長度是一樣的，只是“原子秒”比“歷書秒”的計時精度要高良多，更能知足天文、工業以及物理嘗試上對于超緊密計時的需求。

因為廣義相對論效應，處于分歧的海平面高度的銫原子鐘會給出分歧的“秒”，別的磁場也會對銫原子的躍遷周期發生影響，是以這個界說要求，用作的計時銫原子鐘要處于海拔高度為零的零磁場情況中。今朝，我國研制的NIM5銫原子噴泉鐘是宿世界上今朝最好的銫原子鐘之一，其不確定度為1.5×10^-15，半斤八兩于2000萬年不差一秒。

關于原子的超邃密能級布局在這里簡單的提一下。原子的能級布局指的是，原子核外的電子處于分歧的軌道上，這些軌道的能量是分立的，不持續的，分歧的軌道就是分歧的能級；邃密布局指的是，在統一個能級軌道上，因為電子的自旋偏向分歧，會使電子所處的能級軌道發生很小的割裂；而超邃密能級布局指的是，電子所處的能級會因為受到原子核內部磁場的影響而發生更小的割裂。

舉個比力形象的例子就是，能級布局比如分歧的樓層，邃密布局比如就是分歧樓層之間的夾層，而超邃密布局就可以算作是樓層之間的臺階了。

恰是因為原子的超邃密布局是受到來自原子核的磁場的影響，而原子核一般來說都是異常不變的，是以采用銫原子的兩個超邃密能級布局之間電磁波的躍遷周期來界說“秒”可以說長短常的不變。

長度單元“米”的界說

米最初界說是，經由過程巴黎的經線上，從地球赤道到海說神聊頂點的距離的萬萬分之一。之后還按照這個界說擬定了像千克原器一樣的“米原器”。在1889年到1960年間，國際計量局建造的Ｘ形鉑銥合金棒一向都是米的尺度。

已經退休的鉑銥合金尺度米尺。（圖片來歷：Wikipedia）

可是用什物界說的“米”給出的長度并紛歧心猿意馬正好是1米，因為刻線工藝、材料變形和測量方式等方面的原因，在復現量值時總有必然誤差，約為0.1微米（0.1μm）。是以科學家之后決議用更不變的光譜來界說“米”。

到1960年，國際計量年夜會改用氪（86Kr）原子的2p10與5d5能級間躍遷輻射在真空中的波長的165,0763.73倍心猿意馬為尺度米。這種“米”的界說機能不變，沒有變形問題，相對輕易復現，相對誤差不跨越4×10-9。如許的界說固然很精確不變，相對“米原器”來說是一個很年夜的改良，可是因為氪（86Kr）是一種罕見的元素，并不是很輕易獲取，是以在1983年，國際計量年夜會決議用遍及存在的光來界說“米”。

現有的“米”的界說是在1983年國際計量年夜會從頭擬定的，指的是：光在真空中行進1/299,792,458秒的距離為“一米”。

采用如許的界說是因為真空中的光速是不變的，這是相對論的一個最根基的假設。是以如許界說的“米”的精度只會依靠于光速和時候的精度。上面提到在1967年的時辰我們就已經有了原子鐘，在1983年的時辰，光速的測量也已經很是精確了，不確定度只有4x10^-9，是以1983年按照光速和時候界說的“米”的精度是很高的。

我們可以看出，不管是前面提到的質量單元“千克”的界說，仍是時候單元“秒”的界說，以及長度單元“米”的界說，它們的界說根本在不竭發生著改變，并不是一當作不變的，它們界說的改變表現了人們對于高精度測量的追求。

當然，每一次界說的改變都是基于前一次的界說的尺度，這是為了連結利用的持續性，不致引起測量上的紊亂。別的，界說所指的數目并不會發生改變，只是測量精度更高了。例如，用什物“米原器”界說的一米的長度，測量精度只能達到10^-6到10^-7擺布，而基于光速的新界說，測量精度卻能達到10^-10擺布。