国际基本单位中的时间和长度单位是如何定义的？为什么“秒”和“米”的定义变了一般人

来源：“中国科普博览”微信公众号（ID：kepubolan）

作者：陈星

上期介绍了质量m的单位千克是如何定义的，并且还介绍了它现有定义的缺陷以及未来新定义的优点，具体的

可以参看http://www.zhihu.com/question/19902617/answer/325024721。剩下的六个基本单位，时间，长度，绝对温度，电流，发光强度，物质的量。在这里继续介绍一下日常生活中最常见的时间单位“秒”和长度单位“米”在物理中是如何定义的。首先介绍一下无处不在的时间。

时间单位“秒”的定义

时间一直是很神秘的，关于时间本身是什么，早已不是单单的物理问题了，更多的成为了一种哲学上的探讨。在这里，我们不深入讨论这个话题，只是简单的介绍一下时间的单位——秒——是如何定义的。

一秒现有的定义是

铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间

，这个定义是在1967年开始启用的。在此之前，“秒”有着其他的定义。

在公元1000至1960年之间，秒的定义是平均太阳日的1/86,400。但是后来发现太阳日的时间长度是变化的，不足以作为时间单位的基准，因此在1960至1967年之间，秒被定义为1960年地球自转一周时间的1/86,400。

基于地球自转周期的秒被称为“历书秒”，1967年科学家们测量出了铯原子的两个超精细能级结构之间电磁波的跃迁周期和“历书秒”的关系（这个关系很重要，可以保证“秒”的定义的连续性），这个关系就是前面提到的9,192,631,770。

由于原子超精细能级跃迁周期的稳定性，“秒”的定义从此开始基于铯原子的超精细能级跃迁周期而定义，此时的秒被称为“

原子秒

”。这种基于原子的能级跃迁周期的计时工具也被叫做“原子钟
”。

原子钟（图片来源于网络）

这里要说的是，“原子秒”和“历书秒”所定义的“秒”的时间长度是一样的，只是“原子秒”比“历书秒”的计时精度要高很多，更能

满足天文、工业以及物理实验上对于超精密计时的需求

。

由于广义相对论效应，处于不同的海平面高度的铯原子钟会给出不同的“秒”，另外磁场也会对铯原子的跃迁周期产生影响，因此这个定义要求，用作的计时铯原子钟要处于海拔高度为零的零磁场环境中。目前，

我国研制的NIM5铯原子喷泉钟是世界上目前最好的铯原子钟之一，其不确定度为1.5×10^-15，相当于2000万年不差一秒。

关于原子的超精细能级结构在这里简单的提一下。原子的能级结构指的是，原子核外的电子处于不同的轨道上，这些轨道的能量是分立的，不连续的，不同的轨道就是不同的能级；精细结构指的是，在同一个能级轨道上，由于电子的自旋方向不同，会使电子所处的能级轨道产生很小的分裂；而超精细能级结构指的是，电子所处的能级会因为受到原子核内部磁场的影响而产生更小的分裂。

举个比较形象的例子就是，能级结构好比不同的楼层，精细结构好比就是不同楼层之间的夹层，而超精细结构就可以看成是楼层之间的台阶了。

正是因为原子的超精细结构是受到来自原子核的磁场的影响，而原子核一般来说都是异常稳定的，因此采用铯原子的两个超精细能级结构之间电磁波的跃迁周期来定义“秒”可以说是

非常的稳定

。

长度单位“米”的定义

米最初定义是，

通过巴黎的经线上，从地球赤道到北极点的距离的千万分之一。

之后还根据这个定义制定了像千克原器一样的“米原器”。在1889年到1960年间，国际计量局制作的Ｘ形铂铱合金棒一直都是米的标准。

已经退休的铂铱合金标准米尺。（图片来源：Wikipedia）

但是用实物定义的“米”给出的长度并不一定正好是1米，由于刻线工艺、材料变形和测量方法等方面的原因，在复现量值时总有一定误差，约为0.1微米（0.1μm）。因此科学家之后决定用更稳定的光谱来定义“米”。

到1960年，国际计量大会改用

氪（86Kr）原子的2p10与5d5能级间跃迁辐射在真空中的波长的165,0763.73倍

定为标准米。这种“米”的定义性能稳定，没有变形问题，相对容易复现，相对误差不超过4×10-9。这样的定义虽然很准确稳定，相对“米原器”来说是一个很大的改进，但是由于氪（86Kr）是一种稀有的元素，并不是很容易获取，因此在1983年，国际计量大会决定用普遍存在的光来定义“米”。

现有的“米”的定义是在1983年国际计量大会重新制定的，指的是：

光在真空中行进1/299,792,458秒的距离为“一米”。

采用这样的定义是因为真空中的光速是不变的，这是相对论的一个最基本的假设。因此这样定义的“米”的精度只会依赖于光速和时间的精度。上面提到在1967年的时候我们就已经有了原子钟，在1983年的时候，光速的测量也已经非常准确了，不确定度只有4x10^-9，因此1983年根据光速和时间定义的“米”的精度是很高的。

我们可以看出，不管是前面提到的质量单位“千克”的定义，还是时间单位“秒”的定义，以及长度单位“米”的定义，它们的定义基础在不断发生着改变，并不是一成不变的，

它们定义的改变体现了人们对于高精度测量的追求

。

当然，每一次定义的改变都是基于前一次的定义的标准，这是为了保持使用的连续性，不致引起测量上的混乱。另外，

定义所指的数量并不会发生改变，只是测量精度更高了。

例如，用实物“米原器”定义的一米的长度，测量精度只能达到10^-6到10^-7左右，而基于光速的新定义，测量精度却能达到10^-10左右。

出品：科普中国

制作：陈星

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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