试着问一下你身边的人一个问题:1米有多长?

作者: 日期:2020/9/30 人气:2
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有一天,孩子问了我一个问题:爸爸,1米有多长?


我被这个常识性问题问的不知所措,1米有多长?这不是生活常识嘛。我拿出一个卷尺,把卷尺扯出来给她看说:1米就是这么多。

孩子又问道:为什么卷尺上的1米是那么长?

这个问题已经超出我的范围了,我支支唔唔回答不上来。

很多时候,孩子们这种打破砂锅问到底的习惯会让大人很不舒服,当大人回答不上来时要么敷衍过去,要么把孩子教训一番,但很少认真思考过那个解答不了的问题。

那么,1米到底有多长呢?

米这个长度单位几乎是全球的通用单位,除了米,还有英尺。但是在两百多年前的长度单位可谓是五花八门,有人用手臂的长度做长度单位,有人用一步可以迈多远来计算,还有的用树枝,木棍等做标准,甚至还有人用一块石头能扔多远来定义长度。

在当时的法国,各种度量衡超过2万种。农村是一种方法,城市是一种方法,行业协会有自己的标准,巴黎市政厅有自己的标准,造币厂、教会等各个组织都有自己不同的标准,这些标准五花八门千奇百怪,这样混乱的标准对生活造成的影响可想而知,但是因为制定标准是有利于自己的,所以谁也说服不了谁。

法国人就这样在别扭中挣扎着,一直到1789年法国大革命暴发,在这场对人类政治影响最为深远的活动中,法国民众向路易十六表达了强烈的几个请求,他们希望:只有一个上帝,只有一个国王、一部法律、一个重量和一个尺度。

路易十六还没来得及处理这个问题就被送上了断头台。1804年,拿破轮上台,法国科学院向他呈交了一份文件,其中就有1米有多长的重新定义:1米等于地球从赤道到北极这个距离的1/1000万。




要拿出这样的定义,背后需要有大量的科学工作,比如要确认地球是一个圆型的球体,还要测量地球的周长,确认赤道和北极的测量点,以及具体1度的纬度有多远等等,显然,这种工作靠某个单位和组织是没办法完成的。

在拿破轮的支持下,法国科学院派出了两支实力强悍的梦之队,队伍中有不少法国科学家,一支向北极进军,一支去了秘鲁,目的就是要分别测一测1度的纬度有多远。

去北极的队伍是由法国科学院的院长莫佩尔蒂带队,队伍中还有大名鼎鼎的天文学家摄尔西乌斯,他就是发明温度计的人,摄氏度这个单位就用的是他的名字。这一队凭借院长莫佩尔蒂的优秀协调能力和“法国科学院”的荣誉一路克服了重重困难,用了两年的时间完成任务全员返回了法国。




另一支队伍带队的是获得过法国科学院有奖征文的第一名的布格,那一年的征文的提问是:帆船上桅杆装在什么位置船才能航行得最快?取得第二名的是大数学家欧拉。按理说由这样强悍的人带队也不会太差吧,但实际上这一队的经历却让人意想不到。

队伍到了南美洲,当地发生了部落战争,他们没法前进就驻扎了。在这段时间布格跟当地的几个土著女子乱搞,结果和当地人起了冲突,几名船员和一个队医被杀,队伍中的另一个重要人物又跟一个13岁的土著女孩儿私奔了。




经过了两年多的时间他们完成了任务,回程时又因为线路队伍起了争执,结果队伍一分为二,布格花了一年多时间才回到法国,副领队拉康达明跑进了亚马逊丛林,在毒虫猛兽遍地原始森林一再迷路差点病死过去,花了7年的时间才回到法国。

为什么拉康达明执意要走不同的路线呢?他希望能借这次难得的机会收集南美的动植物标本,他在那几年收集了无数欧洲人听都没听说过的标本。其中就有成为工业最重要原材料的橡胶,但是他回到家后家人以为他早就死了,家产也被分了。

法国在一堆科学家数年的吐血折腾下,终于把1米的长度给制定出来了,按现在的标准,那时候的1米只比现在多了1.9毫米。拿破仑拿到结果时非常高兴,说了一句非常有力量的话:统治会更迭,但这项工作会永存。

但是让拿破伦万万没想到的是,推行新标准的工作远比测量地球的距离更艰难,新的单位制度因为没有考虑过任何人的利益,因此得罪了所有跟制定标准有关的机构,几乎没人愿意使用新标准。

在米制推行了十几年之后,拿破仑顶不住了,只好下令恢复旧的单位制,旧单位制度可以和米制共同使用。就这样,米制的推广一直过了四十多年的时间才逐渐被全国接受。

科学的标准制定从来都不是一件简单的事情,如何告诉大众地球1/4周长的1/1000万的距离,仔细的想一下也并不容易,最简单的方法就是生产出一个有相等长度的物体,这个物体既要坚固,还不容易损坏和变形,否则就会产生误差。

为了解决这个问题,法国制造出31个横截面是X形状,最不容易氧化的铱铂合金米尺,这样可以把变形的影响减小到最小。

1889年,第一次国际计量大会把第6号铱铂合金米尺定为1米的标准,但是后来有人提出金属具有热胀冷缩的特性,后来就规定以0度的温度和1个标准大气压下测量这个铱铂合金米尺才是标准的1米,这时1米的精度有多少呢?它的误差值是1/500毫米。




拿破伦没有想到,制定1米这个长度标准如此“简单”的工作会变得这么复杂,他更想不到的是这个1米的长度在后来逐渐成为了全世界的长度标准。

但是有人仔细想一下,会觉得这个铱铂合金的米尺还是不够准,因为0度也是一个变量,如何制造出一个准确度非常高的0度环境?如何又能精确的测量这个环境是否是0度?而且1个标准气压是什么,是1平方米加上1牛顿的力,这不又回到问题的开始了吗?就算这些科学问题不予考虑,单单是现有的条件下加工这个铱铂合金米尺使其达到足够的精度也是一个问题。

随着科学的进步,这个只有1/500毫米误差的铱铂合金米尺也不能满足更高标准的要求了,而且现在的科学家认识到,地球本身也不是保持不变的,地球1/4周长的1/1000万本身就有一定的误差,米的标准最好不要建立在可损坏和变化的物体基础之上的呼声越来越广。

那么用什么工具制定米的标准呢?

时间又过去了71年。1960年,科学家用氪这种元素,在规定的两个电子能级释放出的光的波长的倍数作为米的标准。这个标准的好处是它是一个自然基准,而且具有性能稳定,没有变形问题,容易复现,还有很高的复现精度。其精度能达到多少呢?这次的精度达到了正负7/100万毫米。

世界的本质是数学,人类对精度的渴望是没有止境的。

对于老百姓吃饭穿衣,普通的1/500毫米的误差足够用了,可是如果是地球到木星的距离,即使是7/100万毫米的精度也会带来4200公里的误差。

1983年,国际计量大会已经开到了第十七界,随着人类对激光技术的掌握,这一界大会对人类贡献最大的突破就是用激光代替氪元素,把光在真空中经过1/299792458秒的距离定义成1米,精度比用氪又提高了十倍,而现在的激光技术误差能达到1/5千万毫米。这个精度比起一百年前要高了十万倍。相当于一个神枪手从30楼的高度一枪打中地面上趴在车上晒太阳的苍蝇上的4000只复眼中指定的一只。

有人又会较真,那1秒的定义到底是多少?现在的科学家是用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准,精度能达到1秒/2000万年,而最新的光晶格钟能把精度提高到1秒/160亿年。


在时间的长河,没有绝对的真理存在,那怕是那些看似非常科学的标准,那怕是举国之力得到的一个结果。好在这个世界还有一小部分人类的精英在那些看似“无关紧要”的问题上死磕,而人类最伟大的特点,莫过于有一颗永不满足的好奇心。


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