国际基本单位中的时间和长度单位是如何定义的？

这里介绍一下日常糊口中最常见的时候单元“秒”和长度单元“米”在物理中是若何界说的。起首介绍一下无处不在的时候。

时候单元“秒”的界说

时候一向是很神秘的，关于时候自己是什么，早已不是单单的物理问题了，更多的当作为了一种哲学上的切磋。在这里，我们不深切会商这个话题，只是简单的介绍一下时候的单元——秒——是若何界说的。

一秒现有的界说是铯-133原子基态的两个超邃密能级间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时候，这个界说是在1967年起头启用的。在此之前，“秒”有着其他的界说。

在公元1000至1960年之间，秒的界说是平均太阳日的1/86,400。可是后来发现太阳日的时候长度是转变的，不足以作为时候单元的基准，是以在1960至1967年之间，秒被界说为1960年地球自转一周时候的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邃密能级布局之间电磁波的跃迁周期和“历书秒”的关系（这个关系很主要，可以包管“秒”的界说的持续性），这个关系就是前面提到的9,192,631,770。

因为原子超邃密能级跃迁周期的不变性，“秒”的界说从此起头基于铯原子的超邃密能级跃迁周期而界说，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东西也被叫做“原子钟”。

原子钟（图片来历于收集）

这里要说的是，“原子秒”和“历书秒”所界说的“秒”的时候长度是一样的，只是“原子秒”比“历书秒”的计时精度要高良多，更能知足天文、工业以及物理尝试上对于超紧密计时的需求。

因为广义相对论效应，处于分歧的海平面高度的铯原子钟会给出分歧的“秒”，别的磁场也会对铯原子的跃迁周期发生影响，是以这个界说要求，用作的计时铯原子钟要处于海拔高度为零的零磁场情况中。今朝，我国研制的NIM5铯原子喷泉钟是宿世界上今朝最好的铯原子钟之一，其不确定度为1.5×10^-15，半斤八两于2000万年不差一秒。

关于原子的超邃密能级布局在这里简单的提一下。原子的能级布局指的是，原子核外的电子处于分歧的轨道上，这些轨道的能量是分立的，不持续的，分歧的轨道就是分歧的能级；邃密布局指的是，在统一个能级轨道上，因为电子的自旋偏向分歧，会使电子所处的能级轨道发生很小的割裂；而超邃密能级布局指的是，电子所处的能级会因为受到原子核内部磁场的影响而发生更小的割裂。

举个比力形象的例子就是，能级布局比如分歧的楼层，邃密布局比如就是分歧楼层之间的夹层，而超邃密布局就可以算作是楼层之间的台阶了。

恰是因为原子的超邃密布局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不变的，是以采用铯原子的两个超邃密能级布局之间电磁波的跃迁周期来界说“秒”可以说长短常的不变。

长度单元“米”的界说

米最初界说是，经由过程巴黎的经线上，从地球赤道到海说神聊顶点的距离的万万分之一。之后还按照这个界说拟定了像千克原器一样的“米原器”。在1889年到1960年间，国际计量局建造的Ｘ形铂铱合金棒一向都是米的尺度。

已经退休的铂铱合金尺度米尺。（图片来历：Wikipedia）

可是用什物界说的“米”给出的长度并纷歧心猿意马正好是1米，因为刻线工艺、材料变形和测量方式等方面的原因，在复现量值时总有必然误差，约为0.1微米（0.1μm）。是以科学家之后决议用更不变的光谱来界说“米”。

到1960年，国际计量年夜会改用氪（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倍心猿意马为尺度米。这种“米”的界说机能不变，没有变形问题，相对轻易复现，相对误差不跨越4×10-9。如许的界说固然很精确不变，相对“米原器”来说是一个很年夜的改良，可是因为氪（86Kr）是一种罕见的元素，并不是很轻易获取，是以在1983年，国际计量年夜会决议用遍及存在的光来界说“米”。

现有的“米”的界说是在1983年国际计量年夜会从头拟定的，指的是：光在真空中行进1/299,792,458秒的距离为“一米”。

采用如许的界说是因为真空中的光速是不变的，这是相对论的一个最根基的假设。是以如许界说的“米”的精度只会依靠于光速和时候的精度。上面提到在1967年的时辰我们就已经有了原子钟，在1983年的时辰，光速的测量也已经很是精确了，不确定度只有4x10^-9，是以1983年按照光速和时候界说的“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元“千克”的界说，仍是时候单元“秒”的界说，以及长度单元“米”的界说，它们的界说根本在不竭发生着改变，并不是一当作不变的，它们界说的改变表现了人们对于高精度测量的追求。

当然，每一次界说的改变都是基于前一次的界说的尺度，这是为了连结利用的持续性，不致引起测量上的紊乱。别的，界说所指的数目并不会发生改变，只是测量精度更高了。例如，用什物“米原器”界说的一米的长度，测量精度只能达到10^-6到10^-7摆布，而基于光速的新界说，测量精度却能达到10^-10摆布。