运动:从哲学到量化
物理的进步依赖可量化的观测。伽利略用斜面实验数脉搏定时,发现位移与时间平方成正比:D ∝ t²,把“运动学”从思辨变为实验科学。
🕰️时间:定义不易,度量为先
时间以周期现象度量:昼夜、沙漏、正午到正午。我们以“重复性相互校准”,并不追究某种绝对“本质定义”。
关键观念:不同“时钟”之间的一致性比定义本身更重要。
⏱️短时标:从摆钟到电子振荡
摆钟将小时细分为秒;电子振荡器将秒再细分到 10^{-12} 秒量级(配合示波器标定)。
更短时间可用“距离/速度”法定义:如 \pi^0 介子寿命约 10^{-16} 秒;新共振态寿命可达 10^{-24} 秒(光越过质子核的时间)。
📆长时标:放射性“钟”
半衰期 T:放射性按固定比例递减,余量 (1/2)^{t/T}。C-14 定年(T≈5000 年)可追溯至 10^5 年;U→Pb 定年给出岩石/地球年龄(约 45 亿年)。
宇宙学尺度:宇宙年龄 ~ 10^{10}–10^{10.1} 年量级;“更早之前”是否有意义是开放问题。
⏰时间单位与标准
地球自转并非绝对稳定;原子钟(氢微波跃迁等)提供 10^{-9} 甚至更高精度的标准,将成为“秒”的更佳基准。
📐大尺度距离:从三角测量到宇宙深处
地月量级:基于三角测量(月距 ~ 4×10^{8} m)。
太阳系尺度:行星相对尺度 + 一次绝对标定(Eros/金星雷达测距)。
恒星视差:地球公转提供基线,测近邻恒星距离。
更远星系:颜色-本征亮度关系估测,或假设“类银河系”尺度配角径,得到距离(数千万至数十亿光年)。
可观测宇宙尺度 ~ 10^{26} m。
🔬小尺度距离:从可见光到核半径
光学显微镜受限于波长(~5×10^{-7} m);电子显微镜推进到 ~10^{-8} m;X 射线衍射确定晶体原子间距(~10^{-10} m)。
原子核尺度以“有效截面”推得半径 r(σ=πr^2),典型 r~1–6×10^{-15} m(费米)。
测量与极限:距离、时间依赖参考系(相对论);绝对精确测量受量子不确定性限制:
Δx ≥ ħ/(2Δp), Δt ≥ ħ/(2ΔE)
要更精准地“何时”,就需牺牲对“发生了什么”(能量)的了解。
✨核心要点
时间与距离以可重复现象和几何/物理方法定义与标定。
从摆钟到原子钟、从视差到雷达,尺度向两端延展。
空间与时间依赖参考系;量子与相对论给出测量极限。
科学重在一致性与可检验性,而非“辞典式定义”。