为什么秒的定义这么复杂？ 第1页

其实吧，国际单位制里很多单位的定义看起来都奇奇怪怪的：

米：光 秒内在真空中行进的距离。

秒：铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射周期时长的 倍

摩尔：1摩尔包含 个基本实体

可能第一次见到定义，都会觉得：愚蠢的人类啊，为什么要定义这么奇怪的数字？简直是逼死强迫症啊！

不过答案其实很简单，因为人类生活在地球，这颗银河系第三旋臂边缘的蓝色行星上。

想象在一个星球上快乐地生活着一群原始人。因为全世界各地有好多好多原始人，想互相描述事物的时候就需要一个统一的测量标准。那么他们怎么才能定义出一个让所有人都信服的参数呢？

一肘的距离为一米？不不，有的人高有的人矮，这个标准不行。

人立定跳远的距离？更不靠谱，谁都知道不同人跳的距离不一样。

这些测量标准都行不通啊，原始人一起商量：“不能这么瞎玩，我们要用一个全世界统一的标准。有什么东西全世界只有一个，可以拿来比较？”大家一拍大腿：“咱们的地球啊！咱们量量地球从南极到北极有多长，再除以一个特定的数，就把这个当成米不就完了。”经过大家艰苦不懈测量，世界上终于有了一个通用的米。再后来啊，人们觉得不满意：这个地球没事地质运动下，这搞得南极到北极距离天天变化太烦了。今天买的180号的裤子，明天地质运动下变成185号了。怎么办？那就找个永远不会变化的量来定义呗！找来找去就发现，还是光速靠谱。

秒的定义也差不多，古巴比伦人用的是60进制和24进制。一天分为24小时，一小时有60分钟，一分钟60秒。这样就有了秒的由来，把一天划分 24*60*60=86400 份就是我们用的秒。但是同样的问题又来了，由于地球自转不靠谱，一会快一会慢。有时候还来个平年闰年，这么定义每年改标准都要累死人。后来人们发现了新玩法：1660年伦敦皇家学会提出，在地球表面，摆长约一米的单摆，一次摆动或是半周期（没有反复的一次摆动）的时间大约是一秒。 这样看似很靠谱，但是问题又来了，秒的定义就依赖米的定义。但是这两个单位应该是互相独立的啊，不能说没有米尺咱们就计时不了了。最后人们还是觉得，原子钟这个东西好啊！上天入地在什么环境下折腾都稳得一笔。于是人们凑在一起有一商量：

在1967年的第13届国际度量衡会议上决定以原子时定义的秒作为时间的国际标准单位：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。

所以说，单位定义的奇怪不是因为人类太愚蠢了。只是因为所有的单位定义都是需要参照物的，一个全世界都统一的参照物。如果人类是在火星上居住而不是地球上，可能现在米、秒所有单位定义和现在都不一样了。

更新：不是不能让米和秒互相关联，而是米的定义已经关联了秒（真空中光1秒前进距离的某个固定比例，注意这里已经关联了秒），如果秒再关联米，就形成了循环关联。

至于为什么是，“光1/299,792,458秒内在真空中行进的距离”，“辐射周期时长的9,192,631,770倍”？这些复杂的没有规律的数字。这个也就是历史遗留问题了，之前的“原始人”已经定义了什么是大概的一米，一秒。我们能做的只能是在这个基础上把原先的一米，一秒定义的更精确。

如果某一天开会突然改1/300,000,000，或者10,000,000,000个周期，全世界所有的相应定义和标准都要改，这个代价太大了。就相当于一天起床后，家里的米尺，钟表全部都不能用了，你的身高，衣服尺码也全部不一样。为了不引起社会混乱，科学家定义的时候只能逼死强迫症一点了。

最后，其实物理上最好玩的东西叫无量纲常数，比如精细结构常数

这个常数可厉害了，把电子电荷，光速，普朗克常数乘乘除除，得到一个常数 ，然后它还没有单位！

谁也不知道这个常数为什么是这个数值，就好像是上帝在宇宙建立之初就初始化了这个数。现在物理上也都没有任何一个理论，可以严格算出来这个数是多少。

之前有物理学家也是强迫症，断言这个数一定是正好1/137，一点不多一点不少。不过后来也被实验学家打脸了，人家后面就是有小数点。（上帝你这是要逼死处女座，初始化世界的时候就不能好好设计

不过，这个精细结构常数在高能物理中是会变化的，能量提高这个数会变大。精细结构常数的低能数值大约等于1/137，但是当能量增至电弱对称性破缺的能标时，由于量子修正效应，该参数也将增至1/128。这个就更好玩了：物理学家都在希望，凭借这个精细结构常数，揭开宇宙更深的秘密。迈克尔·阿蒂亚爵士前段时间说自己证明了黎曼猜想，论证的中心其实也是这个神奇的常数 。

彩蛋：之前上过 @李淼 教授的课，课上被问到一个问题，与三体有关：如果光速变慢，这个世界会发生什么？

答案是什么都不会发生，因为光速和单位的定义有关系。 这个数变成了 ，好说好说，我们改下定义2米现在叫3米，一起都完好如初。

2018-11-28更新：

评论区一直在说，单位的改变和光速变慢不是一回事啊，上面的讨论是在偷换概念。那么我换一种陈述方法。

光速是一把尺子，我们讨论的长短快慢都要依赖这把尺子。我们讨论的光速变慢会发生什么，其实就是说尺子变短会发生什么。保持精细结构常数 不变的情况下，光速变慢的话整个世界的尺度都要跟着同步缩放。如果所有尺同步缩放，那你又是用什么尺得出它们缩放了的这件事呢？ （Credit to: @melonsyk）

更具体的一个例子，精细结构常数 恰好是氢原子轨道电子的玻尔速度与光速之比， 即 。光速 变慢的时候，氢原子电子速度 也会相应变慢。所有的生化反应、人的神经传导速度也是一样。整个世界都变慢了，你还会感受到不一样吗？

另：评论区 @melonsyk 的讨论思路很清晰，想进一步思考的可以看一看。

李淼教授在提出这个问题时，说自己经常用这个考刚入学的理论物理研究生，看学生思考这个问题的过程就能看出他物理图像是否清晰。从基本的量纲定义出发分析这个问题，是每个理论物理研究生应该有的基本素养。在高能物理中，约化普朗克常量 和光速 都默认是1，但是这完全不影响物理机制的讨论，重要的还是无量纲常数。

但是从另一个角度说，这个问题是一个open question。怎么回答要依赖问题条件中，改变的时候什么量保持不变？单纯说减小光速（或者其他物理量），不考虑其他条件和限制，讨论没有意义。

如果非要定义让无量纲改变，那么确实这个世界会发生变化。还是那个例子，光速 降到比氢原子电子速度 还低，氢原子就不会稳定存在，相应的整个世界也就更不可能存在了。

既然说到这个了就再多提一句，关于为什么精细结构常数 是现在这个测得的数值，有一个说法叫做人存原理。精细结构常数 是 是因为，只有是这个数，世界的演化规律才会允许智慧生命的存在。

人存原理：若任何一个基本物理常数是跟现在的有足够的差异，那么我们所知的生命便不能存在，更不会有作为智慧生物的我们去思考宇宙。

最后，物理真的好有趣鸭！

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