NO.1087 一米到底有多长?


你好,这里是罗胖精选。

今天的内容来自卓克老师的《科学思维课》。

这门课程非常的有意思。它像百科全书一样,告诉你,在科学家的眼中,我们所在的世界究竟是什么样子。

就拿长度单位来说,不知道你有没有想过,厘米、毫米的这个米,究竟是怎么来的?一米有多长,科学家又是克服了多少艰难险阻,最终才怎么定下来呢?

接下来,就让我们一起看看卓克老师是怎么说的。

科学是从定量的概念发展出来的,衡量一个目标的多少、大小,最关键的动作就是测量。测量的边界就是存在的边界,测量的准确就是对“存在”最严谨的定义。

这个系列我们讲的是科学思维中的严谨,这种严谨首先体现在测量这个活动上,这话说的有点虚。那现在我问你两个问题,你就知道严谨是一种什么思考方式了。比如说:

  • 1米到底有多长呢?
  • 温度计上显示的24摄氏度是温度本身吗?

这两个问题我会在后面仔细地讲给你,如果一个人在没有刻意准备的情况下,可以说出米、秒、千克的来由,那他就已经有了成为大科学家的思考习惯了。

可以这么说, 测量的极限就是一切事物存在的极限 ,我们通过这一系列的课,会知道很多常用单位的由来,也会知道世界上是有一个专门机构管理米、秒、千克、安培、摩尔、开尔文、坎德拉这些物理单位的,它就是国际度量衡委员会。

而刚刚我说的这7个单位,是目前国际单位制中的7个基本单位,科学家描述世界最基础的语言就是由它们之间加减乘除得到的。

米这个单位到现在,除了顽固的美国人在生活中不太用,已经是全世界公认的长度单位了,但在1840年之前是几乎没人用的,甚至科学家们也是这样。

那个时候,他们各自用各自习惯的单位,研究科学史的人曾经统计过,1789年法国大革命之前,当时法国人用到的度量衡标准超过2万种。

就连一个普通的村民都有可能用3种不同的重量单位来交易同一种商品。比如同样是一袋面粉,在市场里买卖用一种,给教会交“什一税”是另外一种,给地主付费又是一种。

这种情况,不只发生在农村,在巴黎的市中心都是这样的,这些常用单位,行业协会制定一份,巴黎市政厅制定一份,造币厂制定一份,教会制定一份,有人用十六进制的,有人用六十进制,有人用十进制。

虽然这样混乱的计量单位用起来很麻烦,但是因为当初各自制定规则的时候,都是倾向于自己,有利于自己的,所以到后来谁也说服不了谁。

最终能改成大家统一的标准,撬动了利益板块的是法国大革命。这场革命意义深远,可以说现代社会的很多运行体制都是在这场革命中诞生的。

对于单位制来说也是这样的,当时的法国人民带给路易十六的请愿书里,表达了几个最最强烈的意愿,他们希望:

看到最后两个要求,都不得不感叹法国民众的素质,那已经是1789年了,在这之前,法国有一种特有的传统文化,大约延续了300年之久,那就是数学。

所以,在构建一个新世界的诉求当中,民众强烈地希望统一度量的单位。

1800年,拿破仑上台之后,法国科学院提交给他一份关于1米有多长的文件,在这一版的内容中,长度单位定义的方式跟从前有了巨大的差异。

那从前是什么方式呢?

有很多,比如说人的胳膊伸出来有多长,那就以它为单位,或者人的手掌张开有多长,人的一步可以迈多远,或者扔一块石头可以扔多远,拿这些作为长度的基准单位。

但是拿破仑看到这个版本里写,1米等于地球大圆的1/4的1/1000万,也就是从赤道到北极这个距离的1/1000万。

不知道各位看到这个定义是什么感觉?

我的感觉是,这句话背后已经有了无数个铺垫性的工作,能说出这样的话,需要做好几样工作。

  • 第一,就是得确认地球大概是一个球体,这个工作是从15世纪开始做的,那时候不断地有航海家来帮忙总结出这一点。
  • 第二,就是各种标志性距离的长度,比如说地球的周长是多少,从北极点到赤道的距离是多少。
  • 第三,就是确认地球不但大致是一个球体,而且还是一个非常均匀的圆球体。

确定地球大概是一个球体的故事咱们不多说了,因为各种航海家探险的故事里已经很多了。

我们来说说离拿破仑看到米这个定义最近的一次铺垫工作,那就是如果把地球看作是一个球体,那它到底有多圆呢?这个怎么测呀?

方法就是分别测一下赤道附近一个纬度的长度,跟北极附近的一个纬度的长度,看看这两个长度是不是一样。如果赤道的短好多,就说明地球非常扁。

这个工作最早是由法国科学家德朗布尔跟安德烈·梅尚做的,他们分别是在法国最北端的敦刻尔克,跟当时法国最南端的巴塞罗那测量过。

从结果看,地球应该是很圆的,但是因为这最南跟最北相距太近了,如果这个最南能更靠近赤道一些,这个最北能更靠近北极点一些,那就好了。

于是后来法国科学院就组织了一次声势浩大的测量活动,两支队伍,一支奔北极,一支奔秘鲁,实验目的就是要分别测一测1度的纬度有多远。

去北欧的那一支,带队的是法国科学院的院长大人莫佩尔蒂,这个院长很会调配资源,安排随队的天文学家叫摄尔西乌斯,他是做向导的,人家老家就是瑞典北方人,所以队伍进了北极圈之后该怎么行动,那是非常有经验的。

虽然这一路是非常艰辛,但总算是顺利弄完,两年后测量的结果以当时的单位是57422寻(Toise)这个单位,然后全员就返回了法国。

可是另一支队伍去了秘鲁,完全不同的命运,领队布格,这人本身就不太靠谱,到达南美洲之后,当地发生了部落战争,他们没法前进就驻扎了。在驻扎期间,布格跟当地的几个土著女子乱搞,捅了马蜂窝,当地人就奋起反抗,杀了几名船员和一个队医,后来总算双方和解了。

这位布格现在是没人听说过,当年也是很出名的,因为他曾经获得过法国科学院有一年的有奖征文的第一名。

法国科学院对科学家的资助方式就是每年的有奖征文,年年有,所以获奖也不稀奇。但那一届是比较特殊的,因为他排名第一,排名第二的是当时只有19岁的欧拉。

当年他们解决的是什么问题呢?

就是帆船上那个装帆的桅杆,应该装在什么位置,这个船才能航行得最快呢?当时布格是第一,欧拉是第二,这个也算是布格的幸运。当时欧拉只是一个19岁的少年,并且欧拉在那之前,从来没有见过帆船,也不知道帆、桅杆都长什么样。

咱们话说回来,这支去秘鲁的队伍,他们测量的过程很不顺利,有一个得力干将在半途还跟秘鲁当地一个13岁的土著女孩儿私奔了。

经过了两年多的时间,他们也测到了结果,到此为止,本该回法国去了,但是队里又起了内讧,队里的领队跟副领队对回程应该怎么走大打出手,结果这个队伍一分为二,各走各的,补给就不足了。

  • 布格后来又花了1年多的时间,跌跌撞撞地回到了法国,把结果“56748寻”带给了法国科学院。
  • 而这个副领队拉康达明走错了路,误入了亚马逊丛林,一而再,再而三地迷路、生病,差点就病死在毒虫猛兽遍地的原始森林里了。拉康达明花了7年的时间才辗转回到了法国。

这位英勇的科学家回到了家,却没有受到欢迎,因为所有的亲戚都以为他已经死在南美洲了,所以几年前就已经给他办好了丧事,家产也给分了。拉康达明只好是死而复生,重新做人。

他在这7年也不是浑浑噩噩过来的,当初之所以要走那条路,就是希望能借这次难得的机会收集一下南美的动植物标本,他在那几年收集了无数欧洲人听都没听说过的标本。

比如说,后来成为工业最重要原材料的橡胶,就是由他第一次带回欧洲的,他带回的 N 多素材,后来还成就了法国博物学家布丰写的那本书,叫《自然史》。

那么200年前,法国科学院递交给拿破仑的那个米的定义到底准不准呢?

以现在对地球的测量结果看,那个时候的1米比现在的1米长了1.9毫米,这个精度放到现在只能用在生活里买衣服、买鞋,哪怕是搞一些中学的物理实验,这个精度都不一定够。

但是谁能想到,当年为了确定这一步,花了 N 位大科学家不知多少的心血。

拿破仑当时拿到这个结果非常高兴,一向骄傲的拿破仑评价单位“米”的诞生,他是这么说的,说:

如果咱们参考拿破仑这个人的性格,这样的评价可算是高到天上去了。之后,这个标准就在全国推行,采用新的十进制的米制。

可是现实是残酷的,新的单位制因为从来没有参考过任何人的利益,可以说得罪了所有跟制定标准有关的机构,所以后续产生的阻力是非常大的,甚至在米制推行了10几年之后,连拿破仑本人都受不了了。1812年的时候,拿破仑下令,恢复旧的单位制,可以跟米制共同使用。

不过幸好,10几年的时间,还是让科学界跟进步的阶层尝到了甜头。所以大约在1840年的时候,也就是在咱们这儿还是第一次鸦片战争的时候,法国最终废除了所有旧的度量,统一只用米做基本长度单位。

所以1米有多长,在科学发展过程中第一次得到可靠的结论,就是赤道到北极距离的1/1000万那么长。 

从确认地球是球体,到测量出地球的各种特征尺寸的参数,到确定地球到底有多圆,这中间不但有各种航海家、天文学家,甚至连科学院的院长都亲自出马去参与。可以说,每一步的推进过程没有一个猜测是轻松得到确认的。

那从这节课,我们能总结出什么科学思维呢?

就是, 一个概念的科学化过程,其实就是它抽象化的过程。 

从前划定的长度单位依据就是身体上的各种器官,比如手脚的长度,或者手脚可以伸到、够到的长度,那种长度最初只能是一个大概其,误差是非常大的。

但后来,大家把一些定义好的杆子或者棍子当作是一个标准尺,但它依然是强烈地依赖于一个现实中的物体。

而等到米的定义第一次出现之后,虽然我们仍然借用一个现实中的实体物体,但是它是地球。那个时候地球在人的脑中是永恒不变的,而用来描述米的概念是通过几何规律,截取这个永恒不变量上的一个段作为定义的。

所以说,米这一次在抽象程度上,就比从前拔高了一大截,它朝着不依赖于任何具体事物的方向发展下去。这种定量化的,抽象化的思维,就是科学思维的重要特征。 

对于1米有多长,其实我只说了现代科学诞生之后的第一步,你觉得如果科学继续发展,米还会更加精确、抽象吗?它会是怎样的定义呢?

如果你有什么想法就留在评论中。 

内容听完了,我是罗胖。

我们都知道,科学从好奇开始。那卓克老师的这门《科学思维课》就是一门关于好奇心的课程。比如,你肯定想知道——

近视眼是怎么形成的?眼保健操能预防近视吗?

啤酒肚是怎么来的?食物热量和长胖之间是什么关系?

还有,二维码是怎么扫描出来的?

考场屏蔽手机信号,又是怎么做到的?

人类的坟墓会不会有一天占据整个地球?

还有,科学家是怎么判断一个星球上有没有外星人呢?

你如果想知道这些问题的答案,推荐你在首页搜索“科学思维”四个字,找到卓克老师的这门课程,现在就加入学习。

好,明天罗辑思维再见。