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时间与空间之间还有个纽带

已有 1838 次阅读 2021-3-22 13:10 |系统分类:科研笔记

先说时间“秒”的定义。1960年以前,CIPM(国际计量大会)以地球自转为基础,定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。即1 Second = 1/86400 Mean Solar day其稳定度在10-8左右。 

1960~1967年CIPM改以地球公转为基础,定义西元1900年为平均太阳年。秒定义更改为:一秒为平均太阳年之31556925.9747分之一。1 Sec = 1/31556925.9747 Solar Year at 1900稳定度约为10-9。 

1967年,CIPM定义秒是铯133原子(Cs133)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。此秒定义一直维持至今。 

注意,这里说的能级跃迁实际上是一种空间状态的变化,而且,这种变化是周期性的。故,时间是靠空间变化来度量的。

再说长度“米”的定义。国际单位制中长度的单位,是七个基本单位之一.1983年被定义为光在真空中1/299792458秒的时间内所通过的距离.(第17届国际计量大会,第一号决议)。

注意,这里长度是通过运动的光来测量的,而光的运动速度,目前测量是固定值。

从上述可见,时间和长度的测量都离不开参照物体的运动速度。这样一来,时间,空间和速度三个变量纠缠到一起。

进而,爱因斯坦指出,在接近光速的速度条件下,时间和空间有相对变化:

1. 相对长度公式 L=Lo* √(1-v^2/c^2),Lo是物体静止是的长度,L是物体的运动时的长度,v是物体速度,c是光速。由此可知速度越大,物体长度越压缩,当物体以光速运动,物体的运动方向长度为0.

2. 相对时间公式 t=to* √(1-v^2/c^2),to是物体静止时的时间流逝的快慢,t是物体的运动时的时间流逝快慢,v是物体速度,c是光速。由此可知速度越大,物体时间走得越慢,当物体以光速运动,物体的时间就不再流逝,从而时间停止。

由此可见,时间和空间之间的纽带是光速。通过光速确定了时间和空间之间的关系。最后的问题是:光速是如何测量的?

抛开早期的笨拙测量光速方法不谈,现代的测量方法是1950年艾森提出的空腔共振法。这种方法的原理是,微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振.根据空腔的长度可以求出共振腔的波长,在把共振腔的波长换算成光在真空中的波长,由波长和频率可计算出光速. 

当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的.1958年,弗鲁姆求出光速的精确值:299792.5±0.1千米/秒.1972年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值:299792457.4±0.1米/秒. 

注意,光速的测量离不开长度—波长和频率,而频率是单位时间内的变化次数。

虽然上面的文字有些长,但是,看完之后再仔细回想,时间,空间以及速度就是这样互相测量的。




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