從公尺的定義想起

今天突然發生一個問題:什麼是公尺的定義?內心中希望求得解答的慾望 一發不可收拾,於是就上網搜尋去了。還真有點曲折。我從 Google 出發, 以 linear measure 搜尋,卻率先找到古埃及與希臘的度量單位以及其演進 的考古資料。雖然無關,但很有趣地讀了半小時,知道度量單位其實來自 於人體本身的尺度。這個網頁的名字是 Foundation Metrology, the origin of linear measure:

http://www.users.net2000.com.au/~fmetrol
後來我發現 Google 的搜尋結果不能引導我去想到的地方,於是就直接去 美國國家標準局 (NIST, www.nist.gov) 瞧瞧。從那裡,我發現有些單位 正在努力推動美國的公制化(美國現在幾乎是唯一使用英制度量衡的國家)。 再從那裡找到了 USMA (United States Metric Association),最後,找到 了一張網頁,列出從十七世紀至今,有關「公尺」的定義:
http://lamar.colostate.edu/~hillger/meter.htm
其中最近的一次是 1983 年,定義一公尺是光在真空中一秒鐘前進距離的 299792458 分之一。啊哈,那麼,下一個問題就是,什麼是「秒」的定義? 這個我知道,它的原始定義,就是地球自轉一週的 86400 分之一。但是, 定義歸定義,要怎樣測量它?亦即,怎樣計時?要怎樣知道這是「一秒鐘」? 在美國海軍的 Time Service Department, US Naval Observatory 網頁中,
http://tycho.usno.mil/cesium.html
我找到現在的定義方式。在 1967 年,定義銫 133 原子放射 9192631770 個 微波週期的時間為一「秒」。所謂的「原子鐘」就是應用這個放射性元素 製造的。

但是,我又產生了另一個問題。愛因斯坦不是說,在不同速度之下,時間的 「期間」並不相同嗎?這豈不是說,在不同的速度之下,公尺的長度亦不同? 還是說,在不同的速度之下,雖然時間的「期間」不同,但是光的速度也不同, 兩相抵消,所以「公尺」的定義還是保持一樣的長度?我想著想著,就迷糊了。 我想,這個問題大概不能指望在網路上找到答案。而且現在該出去覓食了。

我們這裡有沒有精通物理的人,可以解惑?謝謝。


FreeZ 回答:

> 今天突然發生一個問題:什麼是公尺的定義?

  地球的赤道到南極或北極的一千萬分之一. 

  忘了嗎? 地球的圓周 40000 萬公里, 不會覺得奇怪嗎?
  如此的萬位整數? 其實這有一點人為.

> 愛因斯坦不是說,在不同速度之下,時間的「期間」並不相同嗎?

  計時器的計時速率不同.

> 這豈不是說,在不同的速度之下,公尺的長度亦不同?

  是. 

> 還是說,在不同的速度之下,雖然時間的「期間」不同,但是光的速
> 度也不同,兩相抵消,所以「公尺」的定義還是保持一樣的長度?
> 我想著想著,就迷糊了。

  對, 就是抵消了! 所以當觀測者, 在一個慣性系中, 若不參考慣性系
  之外的訊息時, 就無法測量系中的變化. 

  但當有兩個不同的慣性系時, 那要那一個才是標準? 是不是愈佔大範
  圍的來當標準參考, 比較好? 

  大? 好? Why ? 這樣產生的數學比較簡單嘛! 像我們習慣說, 月球繞
  地球, 地球繞著太陽, 太陽繞銀河系, 銀河系繞某個星系團....

  目前已知最大範圍的, 就是四周非常均勻的「宇宙背景軸射」! 跟根
  觀測, 銀河系在這個新以太中的絕對速度約 600 Km/s ..

我後來又查了一本書,知道法國的數學家在 1760 年代已經應用微積分的計算, 得知地球是個橢球形狀,並且在 1765 年前後派出兩組測量探險隊, 在北半球同一經線上的兩處位置,分別測量其到地心的距離和兩點的地心夾角。 根據這些資料,可以推算地球從北極到赤道的距離。 當然這是假設沿著海平面來計算的長度, 地表的變化都不計在內。法國人對於這次的測量很有信心,1793 年, 法國人制定度量衡標準的時候, 就定義一公尺是地球從北極到赤道距離的一千萬分之一, 並在 1795 年以銅為材質製作了一根桿子作為標準的一公尺長度。 1799 年,以白金製造了一根更精確的標準公尺桿。

但是,如果以今天的公尺定義, 則新測量的地球北極到赤道距離,應該大約是 10,000,200 公尺。


[ 回上層 ]


Created: Sep 11, 2000
Last Revised: Oct 11, 2000
© Copyright 2000 Wei-Chang Shann

shann@math.ncu.edu.tw