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2022/09/08阅读:29主题:自定义主题1

​物理学的第一个基本概念:空间

独立存在的全部自然是由两种东西构成的,一是物体,二是物体存在于其间、运动于其间的虚空。 ——卢克莱修,罗马诗人, 约公元前 50 年

在讨论参照系和坐标系的时候,我们谈到了物体的运动。就目前的认知水平而言,所谓运动指的是机械运动,它是最早被引入物理学领域的一种运动形式,研究物体的空间位置及其改变。物体的机械运动发生在三维空间中,空间这个概念反映了物质运动的广延性,是物理学的第一个基本概念。牛顿在他创立的经典力学体系中首次对空间这个概念给出了一个明确的定义,认为空间是独立于一切事物的客观存在,空间的尺度与观测者的运动状态无关。这个定义在 19 世纪末 20 世纪初遭遇了严峻的挑战,最终被后来的相对论理论所摒弃。

对空间的量度得到的结果就是空间的尺度,它是物理学的第一个基本物理量。一般会在两种意义下使用空间的尺度这个概念,它可以表示空间中两点之间的间隔,在这个意义下,空间的尺度常被称为距离;空间的尺度这个概念也可以表示一个物体在某个方向上的延伸,在这个意义下,它通常被称为长度。其实,这两种意义是相容的,当我们测量一个物体的长度时,其实就是测量这个物体所占据的空间的尺度,即空间中两点之间的距离。对距离或者长度的测量一般通过与某个长度基准做比较来进行,我们最熟悉的长度基准,或者说长度的基本计量单位是米 (m) 和厘米 (cm),国际上对这个基准曾经做过三次正式的规定。

19世纪下半叶,随着欧洲各国工业化程度越来越高,国与国之间的交往越来越频繁,建立一个不属于任何国家、不受时代限制、适用于全球范围的测量系统迫在眉睫。1875年5月20日,17个国家共同签署了一项以 “米制” 为基础的国际公约,为达成上述目标奠定了基础。在这个公约的基础上,为了维护国际单位制而设立了一个国际机构:国际计量大会。

国际计量大会于 1889 年召开首届会议,通过了对长度单位 “米” 的定义,将保存在法国国家计量局的一根铂铱合金棒在摄氏零度时的长度定义为 1 米,这是长度的实物基准。但是,实物基准的精度极其有限,而且很难保证不随时间改变,也很难防止在意外事件中遭到损毁。1960 年,第 11 届国际计量大会决定采用 Kr⁸⁶ 原子发出的橙黄色光的波长的 1650763.73 倍来定义米,这是长度的自然基准,它的精度达到 4×10⁻⁹。1983 年,第 17 届国际计量大会对长度的基准做了新的规定,把 1 米定义为光在真空中于 1/299792458 秒内传播的距离,这是长度的物理常数 (光速) 基准。

在上面的讨论中,我们首次引入了数值的一种新的表示方法:科学记数法。人类认识的自然界范围极其广阔,所涉及的物理量的数值相差悬殊,通常使用的表示方法很难表达清楚,因此,在科学研究中通常采用一种被称为 “科学记数法” 的表示方法来标记测得的物理量的数值。科学记数法把物理量的数值写成一个绝对值大于 1 小于 10 的数与一个 10 的幂次相乘的形式:

相应的幂 被称为数值 的数量级。为了方便日常使用,还规定了 20 个特定的词冠,分别对应于 20 个数量级。把这些词冠与物理量的计量单位结合起来,就可以构成数值相差十分悬殊的各种物理量。下面的表格列出了这些词冠所代表的数量级以及相应的符号和名称

国际单位制中的词冠

数量级 词冠 符号 中文名 数量级 词冠 符号 中文名
10⁻²⁴ yocto y 10¹ deca da
10⁻²¹ zepto z 10² hecto h
10⁻¹⁸ atto a 10³ kilo k
10⁻¹⁵ femto f 10⁶ mega M
10⁻¹² pico p 10⁹ giga G
10⁻⁹ nano n 10¹² tera T
10⁻⁶ micro μ 10¹⁵ peta P
10⁻³ milli m 10¹⁸ exa E
10⁻² centi c 10²¹ zetta Z
10⁻¹ deci d 10²⁴ yotta Y

在科学研究中,数量级的概念常常起着举足轻重的作用。尽管技术的发展已经使物理量的测量达到很高的精度,然而,在理论研究中为了建立恰当的理论模型,在实验设计中为了选择合适的实验仪器和测量方法,常常需要首先估计所涉及的物理量的数量级。因此,对数量级的估计成为科学研究中非常重要的一种手段。

今天,我们对大自然中各个层次的事物都已经有了不同程度的认识。到目前为止,人类的探测手段能够探测到的最小尺度的物体是质子,它的半径可以通过粒子的散射过程估算出来;世界上最大的望远镜所能观测到的最遥远的星系代表了观测宇宙的边界,也是人类能够探测到的最遥远的距离。在这两个极端之间,人类对各种尺度的事物的运动规律已经有了一个比较准确的认识。下面的表格列出了一些具有代表性的物体的尺度所代表的数量级。

自然界中的尺度

代表客体 长度(m) 代表客体 长度(m)
质子半径 10⁻¹⁵ 地球的半径 10⁷
电子的康普顿波长 10⁻¹² 太阳的半径 10⁹
原子的半径 10⁻¹⁰ 日地距离 10¹¹
病毒半径,可见光波长 10⁻⁷ 太阳系的半径 10¹³
巨型阿米巴的半径 10⁻⁴ 最近恒星的距离 10¹⁶
昆虫的长度 10⁻² 银河系的半径 10²¹
人体的高度 10⁰ 星系团的半径 10²³
红杉树的高度 10² 超星系团的半径 10²⁴
马里亚纳海沟的深度 10⁴ 观测宇宙的半径 10²⁶

我们看到,在人类活动力所能及的各个领域内,空间的尺度跨越了42 个数量级。通常将原子尺度以下的客体叫做微观系统,与人体尺度相当的客体叫做宏观系统,对于天体尺度以上的巨宏观系统,有时也会将其称为宇观系统,而尺度为 10⁻⁷ 米的准宏观系统在低温下会表现出微观客体的特性,因而将其称为介观系统,对介观系统的研究构成新一代微电子器件的理论基础。

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