科普:想想漫游量世界

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科普:想想漫游量世界

作者:海峰

在伟大的银河系猎户座旋臂边缘,有一颗美丽的蓝绿色星球,它有71%的蔚蓝海洋,29%的绿色陆地,它有一个好听的名字叫做“厄斯(Earth)”。在厄斯星上住着七位伟大的神祗,每位神祗都掌握着不同属性的神力——“量(Quantity)”,这七种量分别为:长度(m)、温度(K)、时间(s)、质量(kg)、电流(A)、发光强度(cd)和物质的量(mol)。在创世之初,七位神祗汇聚各自神力创造了一个神奇的世界,这个世界被称作“量的世界”。掌握着神奇力量的神祗非常善良,他们运用神力创造了厄斯星美丽的世界,为厄斯星的人们带来了美好的生活。

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一位来自外星球的小朋友乘坐飞碟来到了厄斯星,因为她特别爱动脑筋爱幻想,所以她的朋友们都叫她“想想”。七位神祗非常欢迎想想小朋友的到来,想想小朋友受到了热情的款待,在七位神祗的陪同下,想想小朋友开始了对厄斯星的访问。

第一节  长度女神——米娜阿姨

最小的和最大的长度法宝

长度女神米娜阿姨是第一位接待想想的神祗,她有一头金黄色的长发,非常和蔼可亲。米娜阿姨掌管着所有的长度单位,比如:米(m)、厘米(cm)、毫米(mm)等等,这些都是她的法宝。

想想问米娜阿姨:“您最小的和最大的长度法宝是什么呢?我们经常提到的纳米(nm)是最小的长度单位吗?”

女神回答道:“我们古代厄斯星有句俗语‘差之毫厘,失之千里’,因此很多人都认为毫米、厘米就是最小的长度单位,其实随着人们对微观世界的认识不断深入,小单位越来越小,比如你提到的纳米就是一个比毫米厘米小的多的单位,准确的讲1纳米等于10的-9次方米,那它到底有多小呢?1纳米就是0.000001毫米,相当于把一根头发丝的直径(0.5毫米)平均分成5万份。

我们的世界主要由分子或原子组成,1纳米相当于4倍原子的大小,因此在原子尺度的很多现代技术都冠以纳米字样,例如纳米材料、纳米化学、纳米医学等等。其实纳米是一个长度单位,它代表着这些技术水平已经达到可以控制原子的水平,可是非常厉害的哦!尽管如此,纳米还不是最小的长度法宝!”

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米娜阿姨接着说道:“目前最小的长度单位是幺米(ym),1幺米等于10的-24次方米,它相当于把1纳米再分成1000000000000000000份(18个0),其中的一份就是1幺米。打个比方,假如我们把1纳米,相当于1个原子放大到太阳系那么大,那么1幺米就是厄斯星上1只蚂蚁触角的宽度。”

想想惊叹道:“这么小啊,太厉害了,那最大的长度单位是什么呢?是光年吗?我坐飞碟来的时候就是走了好几光年呢。”

女神微笑道:“想想小朋友很聪明哦,还知道光年代表的是距离,有不少人都以为光年是时间单位,有点望文生义了。其实光年是一个长度单位,它是光在真空走一年(365天5小时48分46秒)所走过的距离。光在真空中一秒就能走299792458米,大约30万公里,相当于绕地球七圈半,也就是说光一秒钟就可以绕地球七圈半,而光全力奔跑一年的距离才是1光年。但光年还不是最大的长度单位,目前最大的长度单位是尧米(Ym),1尧米等于10的24次方米,也等于1.05亿光年,相当于光要全力奔跑1.05亿年才走了1尧米。光年和尧米都是非常大的长度单位,一般用在宇宙天文学的研究方面。”

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想想震惊了,天哪,1.05亿年,我才10岁,那就是我岁数的……多少倍呢?(想想掰起手指头想了好久。)

一米到底有多长?

想想问米娜阿姨,长度单位好多都是以米为结尾的,最常见的长度单位也是米,一米到底有多长呢?米娜阿姨拿出她的“米权杖”,微笑道:“你看我的权杖,以前它的长度就是标准的一米,厄斯星上所有国家都要以我的权杖长度作为一米,他们每年朝圣时都会复制一个我的权杖作为一米的象征带回他们的国度,这样全世界所有国家的一米都一模一样长了。”

想想惊叹道:“这就是传说中‘米原器’吧!”

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“确实如此!”米娜说,“我的权杖的另一个名字就是‘米原器’,它的长度最初是由通过巴黎子午线长度的四千分之一来确定的,也就是厄斯星的南极点到北极点的半圆弧的四千分之一。它用铂铱合金打造,截面为X形,这是神祗联合会(国际计量大会CGPM)第一次给‘米’下的定义。”

“那后来还有过几次新定义吗?”想想好奇的问道。

“是的,虽然米原器很好用,但由于为了避免热胀冷缩和形变,米原器必须终年存放在恒温房间里,不能让强光直射,并且还要保证大气压力的稳定。尽管保护的如此严密,但终究无法抗拒岁月的侵蚀,米原器终归不能够永远保持恒定的长度,这就促使了神祗们继续寻求‘米’的定义新方法。

后来1960年10月神祗联合会给“米”下了第二次定义:“米等于氪86原子的2pe和5ds能级间跃迁所对应的辐射在真空中的1650763.73个波长的长度。”以自然基准替代了实物基准。这样米原器就光荣退休,被我做成了权杖。”米娜阿姨挥舞了一下手中的米权杖,得意的说到。

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想想想了一会儿,说:“这个定义看着就好复杂,用起来肯定很困难吧。”米娜阿姨听了露出了一脸苦笑,“是啊,虽然用光波波长的优点是复现稳定,不受环境影响,但这个光波太弱了,光之神坎德哥哥操作起来太麻烦了,于是不久之后我们天神就对‘米’进行了第三次定义。

现在,‘一米’的定义为:光在真空中行进1/299 792 458秒的距离。根据麦克斯韦方程组联立求解,迈克尔逊-莫雷实验所证实,光在真空中的速度是恒定不变的。爱因斯坦认为“宇宙中一切皆可变,唯有光速不变”,并以此为基础创立了狭义相对论。正是因为光速不变,因此只要秒爷爷出马,我们就能得到更精确的‘一米’了。”

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“为什么不是1/300 000 000秒或1/299 000 000秒呢?那串数真的好奇怪!”想想喃喃自语。“这是为了保证米的定义的连贯性啊,如果用1/300 000 000秒或1/299 000 000秒来定义,原本在米原器基础上沿用很多很多年的一米就会有比较大的变化,那整个世界就乱套啦。”米娜阿姨解释道。

“想想,你现在知道一米到底有多长了吗?”米娜阿姨微笑着问道。“我好像知道了,可又糊涂了。”想想不好意思地说道。

除了米,我们还用哪些有趣的长度单位?

周末,米娜阿姨邀请想想到她的宫殿去做客。米娜阿姨的家坐落在厄斯星东方大陆的文明古国——华夏。在米娜阿姨的神舍里,想想了解到了许多有趣的长度法宝。

在很久很久以前,厄斯星的科技还很不发达,不同国家的人生活在各自的大陆上,彼此之间并不交往。于是在不同的国家,长度的单位也千差万别。后来随着科技的进步和文明的发展,大家认识到各国不同的长度单位相互换算起来非常不方便,于是才有了后来以米为基础的长度单位体系。但在许多特殊的领域,我们依然还用着米之外的一些长度单位。

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在华夏国的古代,人们常用的长度单位有“寸、尺、咫(zhǐ)、寻、步、里、舍”等。《孔子家语》记载“布指知寸,布手知尺,舒肘知寻”,这里指用人的手指的长度为寸,用拇指与中指一叉的距离作为尺,用人舒展双臂确定寻的大小。当然这种确定长度的方法非常的粗糙,因为每个人的手或手臂的大小都不相同,因此得到的尺寸也会不一样。比如男人的手比较大,女孩的手比较小,如果女子“布手”得到的就不是尺而是咫,一般十寸为尺,八寸为咫。虽然随着朝代的更迭,尺的具体长度在发生变化,但华夏文明一直沿用寸和尺做为长度单位长达3000年。

表1 华夏历代尺度一览表

朝代

西周

换算为厘米

19.7

23.1

23.1

30.6

31.4

35

32

32

直到1959年,为了和国际接轨,华夏国才全面使用了“米制”系列单位。但由于习惯,在某些场合,人们依然沿用寸和尺,比如量体裁衣时,裁缝师傅量腰围的时候,就是用尺和寸表示的。“想想小朋友,来,我来量量你的腰围有几尺,给你做件漂亮衣服。”米娜阿姨对想想说道。

寸、尺、咫这几个长度单位都比较短,古人为了丈量长一点的距离又发明了“步、里、舍”这样的单位。步,作为长度单位,历代不一,周代以八尺为步,秦代以六尺为步。有个成语叫做“百步穿杨”,讲的是战国时楚人养由基可以在百步之外射中树叶的故事。当时的一步为六尺,一尺大约是现在的23厘米,这样算下来,百步大约是138米,也就是说养由基可以在大约140米开外用弓箭射中树叶,真是箭法超群啊。此外,三百步记为里,而三十里称为一舍。成语“退避三舍”的原意就是指军队主动退让九十里。这个故事发生在春秋时期,晋国和楚国打仗,晋文公遵守诺言,把军队撤退了九十里。后来这个成语就用来比喻不和人争斗,主动退让的意思。

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“想想你算算,三舍换算成现在的长度单位有多少米啊?”米娜阿姨问道。“1舍=30里=9000步=54000尺,一尺之前说是23厘米,那一舍大约是12.42千米,那三舍就是37.26千米。对吗,米娜阿姨?”想想回答道。“算的没错,但想想你忽略了一点,退避三舍这个成语故事发生在春秋时期,那时候的一尺大约是19.7厘米,这样算下来1舍约为10.6千米,那三舍就大约是31.8千米了。”

史上最奇葩和最浪的长度单位

不管是寸、尺还是步,实际上都是借用人体来作为一个单位标准的。不仅华夏文明如此,许多其他大陆上的国家也同样“以人体为则”来确定早期的长度单位。在南方大陆上的古埃及文明,他们的统治者被称为“法老”,法老们在他们的统治时期就以指尖到肘的间距作为一个长度单位,称为“肘尺”,长度大约是现在的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为标准修建的,塔高300肘尺,约合现在的147米。

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在古代西方大岛国英国,有个叫埃德加的国王,他以自己拇指关节的长度定义了一个长度单位,叫做“吋(cùn)”,也就是“英寸”。后来他还用自己脚的长度定义了“呎(chǐ)”,也就是“英尺”,所以在他们的语言英语中“英尺”和“脚”都用同一个单词“foot”。在埃德加之后,英国的另一位国王亨利一世用他鼻子到食指的距离定义了另一个长度单位“码”。因为英国在历史上曾经非常强大,征服了厄斯星上的许多其他国家,因此把英国的单位传输到了全世界,也就是“英制单位”,虽然大家后来都用了米制单位,但到现在仍然有许多领域使用“英制”作为长度单位。例如:电视机、电脑显示器、手机屏幕的大小一般都用英寸,我们常说的24吋大彩电,指的就是24英寸(大约合61厘米);在踢足球的时候,罚点球的位置又叫12码点,1码大约是0.9144米,12码约为10.97米。

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“英制”里面还有一个史上最奇葩的单位——哩(英里mile)。1英里=5280英尺,为什么是5280这么奇怪的数字呢?故事是这样的,最初在罗马帝国统治英国时期,作为征服者的象征,罗马人根据他们脚的大小规定了1英里=5000英尺。后来罗马帝国衰落,罗马人被英国人赶跑了,于是英国人也要把1英里的定义改改。为此,他们把英里和史上最浪的单位——浪(furlong)结合了起来。1浪=660英尺,它是根据一匹马沿直线拉犁得到的一个长度单位,通常用于测量农民的土地。英国人规定:1英里=8浪=8×660英尺=5280英尺,于是为了选择他们自己的定义而不是用罗马人的,英里就这样变长了。

此外,英制换算特别喜欢用3的倍数,例如:1码=3英尺,1英尺=12英寸,这样经过换算我们可以知道:

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

简单一点说,就是走1英里大约是1.6公里,英里直到现在还普遍使用在英国、美国等国家。

“想想小朋友,这些有趣的长度单位,你都记住了吗?”米娜笑着问道。

“记住啦,记住啦,英国人真是太可爱了,创造了这么多有趣的长度单位!”想想笑道。

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注:以上图片均来自网络。

后续写作计划:

温度之神——开尔文叔叔

时间大神——秒爷爷

质量女神——克拉拉姐姐

电力女神——安琪儿小姐

光之神——坎德哥哥

物质之神——摩尔大叔

评委点评 评语汇总
2019-09-25 08:37

作者是专业人士,本文围绕长度单位做了引人入胜的科普,其中有不少新知,而且表述比较精准,科学性、可读性强。是一篇佳作。

匿名 2019-09-09 18:15

不错的科普文章,主题明确,形式创新,融会贯通,文笔流畅。难得的是,作者有成体系的科普创作计划,值得肯定。

匿名 2019-09-07 22:32

文章行文流畅,旁征博引,贯通古今,横跨各国,落笔立意高远,是优秀的科普文,老少皆宜。

匿名 2019-09-06 20:28

文章极具想象力和创造力,通过想想和米娜阿姨的故事,通俗易懂且透彻详实地介绍了长度单位的内容。文学创作上富有张力,有很强的故事代入感,能将平淡枯涩的科学知识深入浅出体现。总体上看,这是一篇很好的科普文章。

匿名 2019-08-26 19:55

文章通俗易懂,内容翔实,详细地介绍了国际通用单位、中国古代单位和英制单位中长度的计量方式,语言流畅,可读性强。值得赞扬的是,作者并没有在同一篇文章中讲完7个基本单位,而是突出重点着重讲好了一个方面,值得学习。

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专业的分享,我如此幸运

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用故事来普及科技知识,让人们娱乐中增加见识

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