[科普中國]-科普：想想漫游量世界

科普：想想漫游量世界

作者：海峰

在偉大的銀河系獵戶座旋臂邊緣，有一顆美麗的藍(lán)綠色星球，它有71%的蔚藍(lán)海洋，29%的綠色陸地，它有一個(gè)好聽的名字叫做“厄斯(Earth)”。在厄斯星上住著七位偉大的神祗，每位神祗都掌握著不同屬性的神力——“量（Quantity）”，這七種量分別為：長度（m）、溫度（K）、時(shí)間（s）、質(zhì)量（kg）、電流（A）、發(fā)光強(qiáng)度（cd）和物質(zhì)的量（mol）。在創(chuàng)世之初，七位神祗匯聚各自神力創(chuàng)造了一個(gè)神奇的世界，這個(gè)世界被稱作“量的世界”。掌握著神奇力量的神祗非常善良，他們運(yùn)用神力創(chuàng)造了厄斯星美麗的世界，為厄斯星的人們帶來了美好的生活。

一位來自外星球的小朋友乘坐飛碟來到了厄斯星，因?yàn)樗貏e愛動(dòng)腦筋愛幻想，所以她的朋友們都叫她“想想”。七位神祗非常歡迎想想小朋友的到來，想想小朋友受到了熱情的款待，在七位神祗的陪同下，想想小朋友開始了對(duì)厄斯星的訪問。

第一節(jié) 長度女神——米娜阿姨

最小的和最大的長度法寶

長度女神米娜阿姨是第一位接待想想的神祗，她有一頭金黃色的長發(fā)，非常和藹可親。米娜阿姨掌管著所有的長度單位，比如：米（m）、厘米（cm）、毫米（mm）等等，這些都是她的法寶。

想想問米娜阿姨：“您最小的和最大的長度法寶是什么呢？我們經(jīng)常提到的納米（nm）是最小的長度單位嗎？”

女神回答道：“我們古代厄斯星有句俗語‘差之毫厘，失之千里’，因此很多人都認(rèn)為毫米、厘米就是最小的長度單位，其實(shí)隨著人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)不斷深入，小單位越來越小，比如你提到的納米就是一個(gè)比毫米厘米小的多的單位，準(zhǔn)確的講1納米等于10的-9次方米，那它到底有多小呢？1納米就是0.000001毫米，相當(dāng)于把一根頭發(fā)絲的直徑（0.5毫米）平均分成5萬份。

我們的世界主要由分子或原子組成，1納米相當(dāng)于4倍原子的大小，因此在原子尺度的很多現(xiàn)代技術(shù)都冠以納米字樣，例如納米材料、納米化學(xué)、納米醫(yī)學(xué)等等。其實(shí)納米是一個(gè)長度單位，它代表著這些技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到可以控制原子的水平，可是非常厲害的哦！盡管如此，納米還不是最小的長度法寶！”

米娜阿姨接著說道：“目前最小的長度單位是幺米（ym），1幺米等于10的-24次方米，它相當(dāng)于把1納米再分成1000000000000000000份（18個(gè)0），其中的一份就是1幺米。打個(gè)比方，假如我們把1納米，相當(dāng)于1個(gè)原子放大到太陽系那么大，那么1幺米就是厄斯星上1只螞蟻觸角的寬度。”

想想驚嘆道：“這么小啊，太厲害了，那最大的長度單位是什么呢？是光年嗎？我坐飛碟來的時(shí)候就是走了好幾光年呢。”

女神微笑道：“想想小朋友很聰明哦，還知道光年代表的是距離，有不少人都以為光年是時(shí)間單位，有點(diǎn)望文生義了。其實(shí)光年是一個(gè)長度單位，它是光在真空走一年（365天5小時(shí)48分46秒）所走過的距離。光在真空中一秒就能走299792458米，大約30萬公里，相當(dāng)于繞地球七圈半，也就是說光一秒鐘就可以繞地球七圈半，而光全力奔跑一年的距離才是1光年。但光年還不是最大的長度單位，目前最大的長度單位是堯米（Ym），1堯米等于10的24次方米，也等于1.05億光年，相當(dāng)于光要全力奔跑1.05億年才走了1堯米。光年和堯米都是非常大的長度單位，一般用在宇宙天文學(xué)的研究方面?！?/p>

想想震驚了，天哪，1.05億年，我才10歲，那就是我歲數(shù)的……多少倍呢？（想想掰起手指頭想了好久。）

一米到底有多長？

想想問米娜阿姨，長度單位好多都是以米為結(jié)尾的，最常見的長度單位也是米，一米到底有多長呢？米娜阿姨拿出她的“米權(quán)杖”，微笑道：“你看我的權(quán)杖，以前它的長度就是標(biāo)準(zhǔn)的一米，厄斯星上所有國家都要以我的權(quán)杖長度作為一米，他們每年朝圣時(shí)都會(huì)復(fù)制一個(gè)我的權(quán)杖作為一米的象征帶回他們的國度，這樣全世界所有國家的一米都一模一樣長了?！?/p>

想想驚嘆道：“這就是傳說中‘米原器’吧！”

“確實(shí)如此！”米娜說，“我的權(quán)杖的另一個(gè)名字就是‘米原器’，它的長度最初是由通過巴黎子午線長度的四千分之一來確定的，也就是厄斯星的南極點(diǎn)到北極點(diǎn)的半圓弧的四千分之一。它用鉑銥合金打造，截面為X形，這是神祗聯(lián)合會(huì)（國際計(jì)量大會(huì)CGPM）第一次給‘米’下的定義?！?/p>

“那后來還有過幾次新定義嗎？”想想好奇的問道。

“是的，雖然米原器很好用，但由于為了避免熱脹冷縮和形變，米原器必須終年存放在恒溫房間里，不能讓強(qiáng)光直射，并且還要保證大氣壓力的穩(wěn)定。盡管保護(hù)的如此嚴(yán)密，但終究無法抗拒歲月的侵蝕，米原器終歸不能夠永遠(yuǎn)保持恒定的長度，這就促使了神祗們繼續(xù)尋求‘米’的定義新方法。

后來1960年10月神祗聯(lián)合會(huì)給“米”下了第二次定義：“米等于氪86原子的2pe和5ds能級(jí)間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射在真空中的1650763.73個(gè)波長的長度?！币宰匀换鶞?zhǔn)替代了實(shí)物基準(zhǔn)。這樣米原器就光榮退休，被我做成了權(quán)杖?！泵啄劝⒁虛]舞了一下手中的米權(quán)杖，得意的說到。

想想想了一會(huì)兒，說：“這個(gè)定義看著就好復(fù)雜，用起來肯定很困難吧。”米娜阿姨聽了露出了一臉苦笑，“是啊，雖然用光波波長的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)穩(wěn)定，不受環(huán)境影響，但這個(gè)光波太弱了，光之神坎德哥哥操作起來太麻煩了，于是不久之后我們天神就對(duì)‘米’進(jìn)行了第三次定義。

現(xiàn)在，‘一米’的定義為：光在真空中行進(jìn)1/299 792 458秒的距離。根據(jù)麥克斯韋方程組聯(lián)立求解，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，光在真空中的速度是恒定不變的。愛因斯坦認(rèn)為“宇宙中一切皆可變，唯有光速不變”，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。正是因?yàn)楣馑俨蛔?，因此只要秒爺爺出馬，我們就能得到更精確的‘一米’了。”

“為什么不是1/300 000 000秒或1/299 000 000秒呢？那串?dāng)?shù)真的好奇怪!”想想喃喃自語。“這是為了保證米的定義的連貫性啊，如果用1/300 000 000秒或1/299 000 000秒來定義，原本在米原器基礎(chǔ)上沿用很多很多年的一米就會(huì)有比較大的變化，那整個(gè)世界就亂套啦?！泵啄劝⒁探忉尩馈?/p>

“想想，你現(xiàn)在知道一米到底有多長了嗎？”米娜阿姨微笑著問道?！拔液孟裰懒?，可又糊涂了?！毕胂氩缓靡馑嫉卣f道。

除了米，我們還用哪些有趣的長度單位？

周末，米娜阿姨邀請(qǐng)想想到她的宮殿去做客。米娜阿姨的家坐落在厄斯星東方大陸的文明古國——華夏。在米娜阿姨的神舍里，想想了解到了許多有趣的長度法寶。

在很久很久以前，厄斯星的科技還很不發(fā)達(dá)，不同國家的人生活在各自的大陸上，彼此之間并不交往。于是在不同的國家，長度的單位也千差萬別。后來隨著科技的進(jìn)步和文明的發(fā)展，大家認(rèn)識(shí)到各國不同的長度單位相互換算起來非常不方便，于是才有了后來以米為基礎(chǔ)的長度單位體系。但在許多特殊的領(lǐng)域，我們依然還用著米之外的一些長度單位。

在華夏國的古代，人們常用的長度單位有“寸、尺、咫（zhǐ）、尋、步、里、舍”等?！犊鬃蛹艺Z》記載“布指知寸，布手知尺，舒肘知尋”，這里指用人的手指的長度為寸，用拇指與中指一叉的距離作為尺，用人舒展雙臂確定尋的大小。當(dāng)然這種確定長度的方法非常的粗糙，因?yàn)槊總€(gè)人的手或手臂的大小都不相同，因此得到的尺寸也會(huì)不一樣。比如男人的手比較大，女孩的手比較小，如果女子“布手”得到的就不是尺而是咫，一般十寸為尺，八寸為咫。雖然隨著朝代的更迭，尺的具體長度在發(fā)生變化，但華夏文明一直沿用寸和尺做為長度單位長達(dá)3000年。

表1 華夏歷代尺度一覽表

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直到1959年，為了和國際接軌，華夏國才全面使用了“米制”系列單位。但由于習(xí)慣，在某些場(chǎng)合，人們依然沿用寸和尺，比如量體裁衣時(shí)，裁縫師傅量腰圍的時(shí)候，就是用尺和寸表示的。“想想小朋友，來，我來量量你的腰圍有幾尺，給你做件漂亮衣服?！泵啄劝⒁虒?duì)想想說道。

寸、尺、咫這幾個(gè)長度單位都比較短，古人為了丈量長一點(diǎn)的距離又發(fā)明了“步、里、舍”這樣的單位。步，作為長度單位，歷代不一，周代以八尺為步，秦代以六尺為步。有個(gè)成語叫做“百步穿楊”，講的是戰(zhàn)國時(shí)楚人養(yǎng)由基可以在百步之外射中樹葉的故事。當(dāng)時(shí)的一步為六尺，一尺大約是現(xiàn)在的23厘米，這樣算下來，百步大約是138米，也就是說養(yǎng)由基可以在大約140米開外用弓箭射中樹葉，真是箭法超群啊。此外，三百步記為里，而三十里稱為一舍。成語“退避三舍”的原意就是指軍隊(duì)主動(dòng)退讓九十里。這個(gè)故事發(fā)生在春秋時(shí)期，晉國和楚國打仗，晉文公遵守諾言，把軍隊(duì)撤退了九十里。后來這個(gè)成語就用來比喻不和人爭(zhēng)斗，主動(dòng)退讓的意思。

“想想你算算，三舍換算成現(xiàn)在的長度單位有多少米?。俊泵啄劝⒁虇柕??！?舍=30里=9000步=54000尺，一尺之前說是23厘米，那一舍大約是12.42千米，那三舍就是37.26千米。對(duì)嗎，米娜阿姨？”想想回答道?！八愕臎]錯(cuò)，但想想你忽略了一點(diǎn)，退避三舍這個(gè)成語故事發(fā)生在春秋時(shí)期，那時(shí)候的一尺大約是19.7厘米，這樣算下來1舍約為10.6千米，那三舍就大約是31.8千米了?！?/p>

史上最奇葩和最浪的長度單位

不管是寸、尺還是步，實(shí)際上都是借用人體來作為一個(gè)單位標(biāo)準(zhǔn)的。不僅華夏文明如此，許多其他大陸上的國家也同樣“以人體為則”來確定早期的長度單位。在南方大陸上的古埃及文明，他們的統(tǒng)治者被稱為“法老”，法老們?cè)谒麄兊慕y(tǒng)治時(shí)期就以指尖到肘的間距作為一個(gè)長度單位，稱為“肘尺”，長度大約是現(xiàn)在的50厘米左右，埃及著名的胡夫金字塔就是以法老胡夫的肘尺為標(biāo)準(zhǔn)修建的，塔高300肘尺，約合現(xiàn)在的147米。

在古代西方大島國英國，有個(gè)叫埃德加的國王，他以自己拇指關(guān)節(jié)的長度定義了一個(gè)長度單位，叫做“吋（cùn）”，也就是“英寸”。后來他還用自己腳的長度定義了“呎（chǐ）”，也就是“英尺”，所以在他們的語言英語中“英尺”和“腳”都用同一個(gè)單詞“foot”。在埃德加之后，英國的另一位國王亨利一世用他鼻子到食指的距離定義了另一個(gè)長度單位“碼”。因?yàn)橛跉v史上曾經(jīng)非常強(qiáng)大，征服了厄斯星上的許多其他國家，因此把英國的單位傳輸?shù)搅巳澜?，也就是“英制單位”，雖然大家后來都用了米制單位，但到現(xiàn)在仍然有許多領(lǐng)域使用“英制”作為長度單位。例如：電視機(jī)、電腦顯示器、手機(jī)屏幕的大小一般都用英寸，我們常說的24吋大彩電，指的就是24英寸（大約合61厘米）；在踢足球的時(shí)候，罰點(diǎn)球的位置又叫12碼點(diǎn)，1碼大約是0.9144米，12碼約為10.97米。

“英制”里面還有一個(gè)史上最奇葩的單位——哩（英里mile）。1英里=5280英尺，為什么是5280這么奇怪的數(shù)字呢？故事是這樣的，最初在羅馬帝國統(tǒng)治英國時(shí)期，作為征服者的象征，羅馬人根據(jù)他們腳的大小規(guī)定了1英里=5000英尺。后來羅馬帝國衰落，羅馬人被英國人趕跑了，于是英國人也要把1英里的定義改改。為此，他們把英里和史上最浪的單位——浪（furlong）結(jié)合了起來。1浪=660英尺，它是根據(jù)一匹馬沿直線拉犁得到的一個(gè)長度單位，通常用于測(cè)量農(nóng)民的土地。英國人規(guī)定：1英里=8浪=8×660英尺=5280英尺，于是為了選擇他們自己的定義而不是用羅馬人的，英里就這樣變長了。

此外，英制換算特別喜歡用3的倍數(shù)，例如：1碼=3英尺，1英尺=12英寸，這樣經(jīng)過換算我們可以知道：

1英里=5280英尺=1760碼=63360英寸=1609.344米≈1.6千米

簡單一點(diǎn)說，就是走1英里大約是1.6公里，英里直到現(xiàn)在還普遍使用在英國、美國等國家。

“想想小朋友，這些有趣的長度單位，你都記住了嗎？”米娜笑著問道。

“記住啦，記住啦，英國人真是太可愛了，創(chuàng)造了這么多有趣的長度單位！”想想笑道。

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注：以上圖片均來自網(wǎng)絡(luò)。

后續(xù)寫作計(jì)劃:

溫度之神——開爾文叔叔

時(shí)間大神——秒爺爺

質(zhì)量女神——克拉拉姐姐

電力女神——安琪兒小姐

光之神——坎德哥哥

物質(zhì)之神——摩爾大叔