Wie viele tiefgründige wissenschaftliche Prinzipien stecken in einem Meter und einer Sekunde? Es kann Ihre Vorstellungskraft untergraben

Wir leben in einer dreidimensionalen Welt, das heißt, alles, was wir kennen, hat drei räumliche Dimensionen, nämlich Länge, Breite und Höhe, was die Welt, die wir sehen, zu einer dreidimensionalen Welt macht. Seit der Einführung von Einsteins Relativitätstheorie ist den Menschen klar, dass Raum und Zeit in dieser Welt eins sind und die Zeitdimension durch den dreidimensionalen Raum verläuft. Daher ist die Welt, in der wir tatsächlich leben, eine vierdimensionale Raumzeit.

In der Welt, die wir kennen, ist der Raum die Ausdehnung aller materiellen Existenz und die Zeit der Prozess, die Ordnung und die Kontinuität materieller Bewegung, die unabhängig vom Willen der Menschen existieren. Der Mensch kann es nur durch Beobachtung von Zeit und Raum und mithilfe bestimmter Werkzeuge beschreiben.

Dieses Werkzeug ist die Maßeinheit für Zeit und Raum und das grundlegendste Werkzeug für den Menschen, um die Welt zu verstehen.

Um die Größe verschiedener Substanzen auf der Welt zu beschreiben, haben die Menschen Maßstabseinheiten wie Millimeter, Zentimeter, Meter, Kilometer usw. erfunden, von denen die grundlegendste Einheit der Meter ist. Gleichzeitig müssen, um die Natur der dynamischen Raumzeit genauer messen zu können, neben Werkzeugen zum Messen der Größe von Materie auch Werkzeuge zum Messen des Bewegungsprozesses von Materie vorhanden sein, wie etwa Stunden, Minuten, Sekunden usw., wobei Sekunden die Grundlage bilden.

Daher sind Stunden, Minuten, Sekunden sowie Millimeter, Zentimeter, Meter und Kilometer die im täglichen Leben der Menschen am häufigsten verwendeten Maßeinheiten.

Mit diesen Maßeinheiten können wir die Veränderungen verschiedener alltäglicher Dinge nahezu messen, beispielsweise kann eine Ameise in einer Sekunde 1 cm weit kriechen; die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit beträgt etwa 4 Kilometer pro Stunde; ein Auto kann auf der Autobahn eine Geschwindigkeit von mehr als 100 Stundenkilometern erreichen; die Fluggeschwindigkeit eines Verkehrsflugzeugs beträgt etwa 800 Kilometer pro Stunde und so weiter.

Diese täglichen Zeit- und Maßeinheiten sind für den Alltag der Allgemeinheit ausreichend. Beispielsweise ist 1 Sekunde nur ein Tick, sodass eine Zahl unter 1 Sekunde nicht viel Bedeutung zu haben scheint. und 1 Millimeter ist nicht einmal so groß wie ein Sesamkorn, also scheint es keinen Sinn zu haben, es weiter zu unterteilen.

Für wissenschaftliche Messungen reichen diese alltäglichen Längen- und Zeiteinheiten jedoch bei weitem nicht aus. Beispielsweise ist es sehr schwierig, einige winzige Dinge oder sogar die mikroskopische Welt mit allgemein gebräuchlichen Maßeinheiten zu beschreiben.

Bei der Untersuchung der Insektenwelt haben Wissenschaftler beispielsweise festgestellt, dass verschiedene Insekten ihre Flügel mit unterschiedlicher Geschwindigkeit schlagen. Für jeden Flügelschlag benötigt eine Fliege 0,3 Tausendstelsekunden, eine Mücke 0,2 Hundertstelsekunden, eine Biene 0,5 Tausendstelsekunden und so weiter. Kleinere Dinge sind sogar noch schwieriger zu messen, wie etwa Hunderte Millionen Meter oder Hunderte Millionen Sekunden.

Diese Beschreibung ist sehr problematisch und ungenau. Um die mikroskopische Welt genauer und einfacher beschreiben zu können, hat die wissenschaftliche Forschung immer detailliertere mikroskopische Skalen hervorgebracht.

Beispielsweise liegt die Längeneinheit unter Meter, Zentimeter und Millimeter und wird in Mikrometer, Nanometer, Pikometer, Femtometer, Attometer, Zemeter und Millimeter unterteilt. 1 Millimeter entspricht 1000 Mikrometern; 1 Mikrometer entspricht 1000 Nanometern und so weiter. 1 Femtometer ist 1000 Billionstel eines Meters.

Entsprechend werden auch die Zeitmesseinheiten in immer kleinere Einheiten unterteilt. Unter den Sekunden stehen Millisekunden, Mikrosekunden, Nanosekunden, Pikosekunden, Femtosekunden usw. Jede Ebene ist 1000-mal kleiner als die vorherige Einheit. Beispielsweise entspricht 1 Sekunde 1000 Millisekunden, 1 Millisekunde entspricht 1000 Mikrosekunden und so weiter. 1 Femtosekunde sind 1000 Billionstel einer Sekunde.

Mit diesen Mikromaßeinheiten ist es viel einfacher, die mikroskopische Welt zu beschreiben. Beispielsweise muss das Zeitintervall für den zuvor erwähnten Flügelschlag der Insekten nur so beschrieben werden: Eine Fliege benötigt 3 Millisekunden, eine Mücke 20 Millisekunden und eine Biene 5 Millisekunden. Darüber hinaus ist es möglich, eine feinere und winzigere mikroskopische Welt genau zu beschreiben.

Menschliche Zellen sind beispielsweise nur 5 bis 200 Mikrometer groß und Bakterien nur 0,5 bis 5 Mikrometer. Viren sind mehr als hundertmal kleiner als Bakterien, nur einige Dutzend bis 100 Nanometer groß; Menschliche DNA-Moleküle sind nur 10 Nanometer groß, enthalten aber mehr als 20.000 Gene und 3,16 Milliarden Basenpaare.

Die Moleküle, Atome und Elektronen, aus denen Materie besteht, und die Photonen, die unsere Welt erfüllen, sind sogar noch kleinere Maßstabseinheiten. Der Durchmesser eines Wassermoleküls beträgt etwa 0,4 Nanometer, der Durchmesser eines Wasserstoffatoms etwa 0,1 Nanometer und der Durchmesser des Atomkerns beträgt nur etwa 1,7 Femtometer.

Mithilfe dieser winzigen Messinstrumente entwickelt die Wissenschaft weiterhin hochpräzise Messinstrumente, beispielsweise Femtosekundenkameras. Diese Kamera kann mehr als eine Billion Bilder pro Sekunde aufnehmen. Unter dieser Kamera wird die schnellste Lichtgeschwindigkeit der Welt zur Schnecke. Und die Dinge im Millisekunden-, Mikrosekunden- und Nanosekundenbereich, die das menschliche Auge nicht unterscheiden kann, wie etwa der Sprint zur Ziellinie bei einem 100-Meter-Lauf oder die gemächlichen 8-Nanometer-Schritte von Motorproteinen, sind unter der Kamera alle deutlich sichtbar.

Die moderne Quantenmechanik geht davon aus, dass die kleinste Skala, die der Mensch verstehen kann, die Planck-Skala ist, d. h. die Planck-Zeit und die Planck-Länge. Dies basiert auf der aus der allgemeinen Relativitätstheorie abgeleiteten Unvermeidlichkeit von Singularitäten, der Existenz von Nullpunkten in Raum und Zeit und dem Unschärfeprinzip der Quantenmechanik, wobei der Grad der Unschärfe von der Planckschen Konstante abhängt.

Die Planck-Konstante bestimmt, dass die kleinste Längeneinheit 1,6 mal 10 hoch -33 pro Zentimeter beträgt, also 20 Größenordnungen kleiner als der Atomkern. und die entsprechende kleinste Zeiteinheit ist die Planck-Zeit, die ungefähr 10 hoch -43 pro Sekunde oder ein Billionstel einer Billionstel Sekunde beträgt.

Die Welt, die der Mensch heute wahrnehmen kann oder kann, begann in der Größenordnung und Zeit nach dem Urknall.

Die Quantenmechanik kommt zu dem Schluss, dass alles, was kleiner als diese Länge und Zeit ist, nicht genau gemessen werden kann. Daher scheitern für die moderne Physik alle Theorien an der Planck-Raumzeit, die nicht die von uns erkannte Raumzeit ist, sondern zur Super-Raumzeit gehört. Beispielsweise sind das Innere des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs und sogar die Singularität, die Singularität des Urknalls und alles davor die Endpunkte der modernen Theorie oder die Endpunkte von Raum und Zeit, die jenseits der menschlichen Wahrnehmung liegen.

Das Verständnis der Menschheit für die Naturgesetze entwickelt sich noch immer in beide Richtungen, das heißt, es erweitert sich ständig in Richtung der mikroskopischen Quantenwelt und der makroskopischen Tiefen des Universums.

Daher gibt es neben den Maßeinheiten für die mikroskopische Welt auch Maßeinheiten für das makroskopische Universum.

Sobald wir die Erde verlassen, erscheint es unpraktisch, die Maßeinheiten zu verwenden, die Menschen zur Vermessung der Erde verwenden. Der der Erde am nächsten gelegene Himmelskörper ist der Mond, der im Durchschnitt etwa 384.000 Kilometer von uns entfernt ist. Hier scheint es kein Problem zu sein, Kilometereinheiten zu verwenden, aber wenn Sie einen weiter entfernten Ort erreichen, wird es etwas unpraktisch sein, Kilometer zur Messung zu verwenden.

Beispielsweise ist die Erde etwa 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, sodass die durchschnittliche Entfernung zu Neptun etwa 4,5 Milliarden Kilometer und die durchschnittliche Entfernung zu Pluto etwa 6 Milliarden Kilometer beträgt.

Um die Beschreibung der Entfernungen zwischen den Planeten im Sonnensystem zu erleichtern, haben Wissenschaftler eine astronomische Einheit, abgekürzt AE, festgelegt und die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne, die 149,6 Millionen Kilometer beträgt, auf 1 AE festgelegt. Auf diese Weise beträgt unsere durchschnittliche Entfernung zu Neptun etwa 30 AE und die durchschnittliche Entfernung zu Pluto etwa 40 AE.

Die moderne wissenschaftliche Forschung geht davon aus, dass der Gravitationsbereich des Planetensystems des Sonnensystems über Pluto hinaus reicht. Am Rande, ein Lichtjahr von der Sonne entfernt, bildet die Schwerkraft der Sonne einen Bereich namens Oortscher Wolkengürtel, ein dicht besiedeltes Gebiet mit Kometen. Diese Kometen bilden eine riesige Kugel, die das Sonnensystem umschließt.

Was bedeutet 1 Lichtjahr? Es handelt sich um die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Dies ist eine Maßeinheit, die für größere Maßstäbe des Universums entwickelt wurde. Außerhalb des Sonnensystems sind astronomische Einheiten nicht mehr gültig und es muss mit Lichtjahren gerechnet werden.

Die genaue Lichtgeschwindigkeit beträgt 299.792.458 Meter pro Sekunde oder etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde. Eine Stunde hat 3600 Sekunden und ein Tag 24 Stunden. Zur Berechnung der Lichtjahre haben Wissenschaftler ein julianisches Jahr festgelegt. Jedes Jahr hat 365,25 Tage, also hat jedes julianische Jahr 31557600 Sekunden. Die Bewegungsstrecke des Lichts beträgt in einem Jahr 9460730472580800 Meter, also etwa 9,46 Billionen Kilometer.

Dies entspricht 1 Lichtjahr, einer Entfernungseinheit, ungefähr 9,46 Billionen Kilometern. Der Gravitationsradius des Sonnensystems beträgt etwa 1 Lichtjahr, was in astronomischen Einheiten mehr als 63.000 AE entspricht. Daher ist es außerhalb des Sonnensystems nicht mehr sinnvoll, astronomische Einheiten zur Messung zu verwenden. Zur Messung der Entfernung zwischen Sternen werden im Allgemeinen Lichtjahre verwendet.

Es gibt auch eine astronomische Entfernungseinheit, die größer als das Lichtjahr ist: das Parsec. Das sogenannte Parsec ist eine Maßeinheit, die auf der trigonometrischen Parallaxe basiert. Auf Englisch heißt es Parsec, abgekürzt pc. 1pc entspricht ungefähr 206264,8 AE oder 3,26 Lichtjahren. Bei astronomischen Messungen ist jedoch immer noch das Lichtjahr die gebräuchlichere Maßeinheit.

Das kosmologische Standardmodell der modernen Astronomie geht davon aus, dass das Universum vor etwa 13,82 Milliarden Jahren aus dem Urknall entstand. Aufgrund der schnellen Inflation und Expansion des Universums hat der Radius des beobachtbaren Universums mittlerweile 46,5 Milliarden Lichtjahre erreicht und das beobachtbare Universum enthält etwa Hunderte von Milliarden oder sogar Billionen von Galaxien.

Das Hubble-Teleskop hat festgestellt, dass die von uns am weitesten entfernte Galaxie 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Das im letzten Jahr gestartete Webb-Teleskop hat diese Entfernung um weitere 200 Millionen Lichtjahre vergrößert und festgestellt, dass die von uns am weitesten entfernte Galaxie 13,6 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Das heißt, innerhalb von 200 Millionen Jahren nach dem Urknall bildeten sich in großem Umfang Galaxien, was frühere Theorien zur Entstehung des Universums in Frage stellte.

Es gibt viele Methoden zum Messen astronomischer Entfernungen. Zu den wichtigsten gehören die Triangulations-Parallaxen-Methode, die Methode der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden, die Methode der Rotverschiebung des Galaxienspektrums, die Methode der Ia-Supernova-Standardkerze usw., die hier nicht einzeln vorgestellt werden.

Nun stellt sich die Frage, was diesen Skalen zur Messung von Zeit und Entfernung zugrunde liegt. Ist es genau? Sie müssen wissen, dass ein kleiner Fehler zu einem großen Fehler führen kann. Dies ist die grundlegendste Wahrheit von der Antike bis zur Gegenwart. Tatsächlich haben wir bereits aus der langen Einleitung des gesamten Artikels ersehen, dass Meter und Sekunden die grundlegendsten Skalen zur Messung von Zeit und Entfernung sind.

Fassen wir nun kurz zusammen, wie die heute verwendeten Meter und Sekunden entstanden sind und ob sie genau sind.

Die Definition des Meters stammt aus Frankreich. Ursprünglich wurde 1 Meter wie folgt definiert: ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Äquator zum Nordpol, basierend auf dem Meridian, der durch Paris verläuft. Auf Grundlage dieser Länge wurde aus Platin ein Messgeräteprototyp hergestellt, der heute im französischen Nationalarchiv aufbewahrt wird. Nach mehreren Überarbeitungen wurde dieser Prototyp eines Platinstabmeters im Keller des Internationalen Büros für Maß und Gewicht in Paris aufbewahrt. Es wurde festgelegt, dass bei 0 Grad Celsius und 1 Standardatmosphärendruck der Abstand zwischen den Skalen an beiden Enden des Platinstabs 1 Meter betrug.

Allerdings weist dieser Platinstab-Reis-Prototyp aufgrund von Zeit, Feuchtigkeit, Temperatur, Luftdruck usw. immer noch äußerst geringe Fehler auf.

Da das Verständnis der Menschen für die Lichtgeschwindigkeit immer präziser wird, überarbeitete die Internationale Konferenz für Maß und Gewicht im Jahr 2019 die Definition des Meters, um die Lichtgeschwindigkeit zu einer Ganzzahl zu machen, schaffte den Prototyp des Platinstabmeters ab und definierte das Meter wie folgt: „Die Entfernung, die das Licht im Vakuum in 299.792.458 Sekunden zurücklegt“ beträgt 1 Standardmeter.

Das heißt, der genaue Wert der Lichtgeschwindigkeit ist, dass die Entfernung, die Licht in einem Vakuum in einer Sekunde zurücklegt, 299.792.458 Meter beträgt, was eine ganze Zahl ist. Dadurch wurde die Skala des vorherigen Messgeräteprototyps äußerst geringfügig korrigiert, sodass das Messgerät, die Lichtgeschwindigkeit und die Zeit zu einem genauen und einheitlichen Messinstrument wurden. Darüber hinaus handelt es sich bei diesem Standardmeter nicht mehr um ein physikalisches Objekt, sondern um die unveränderliche Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, sodass es zu keinen Fehlern kommt.

Auch hier gibt es eine äußerst wichtige Grundangabe: die Sekunden. Da die Länge eines Meters durch die Entfernung bestimmt wird, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in einer 299.792.458-stel Sekunde zurücklegt, ist die Genauigkeit dieses „Ticks“ von 1 Sekunde der Schlüssel unter den Schlüsseln. Wie also werden diese Hunderte von Millionen Sekunden berechnet?

Unterschätzen Sie dieses einfache „Tick-Tack“ von 1 Sekunde nicht, es verbirgt sich dahinter eine komplexere Wissenschaft. Die derzeit verwendete „Sekunde“ wurde auf der 13. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1967 festgelegt und ist wie folgt definiert: 9192631770-mal die Periode der elektromagnetischen Welle, die abgestrahlt wird, wenn das Cäsium-133-Atom in seinem Grundzustand zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Energieniveaus übergeht.

Was bedeutet dieser Zungenbrecher-Satz? Einfach ausgedrückt: Jedes Atom hat seine eigene charakteristische Schwingungsfrequenz, und die Strahlungsfrequenz, die dem Übergang zwischen den Hyperfeinenergieniveaus im Grundzustand des Cäsiumatoms entspricht, beträgt fast 9,2 Milliarden Zyklen pro Sekunde. Die genaue Berechnung der Übergangsperiode von 9192631770 Zyklen wird als Definition einer Standardsekunde verwendet.

Das Zeitmessgerät, das die Schwingungsfrequenz von Cäsiumatomen nutzt, heißt Cäsium-Atomuhr und seine Fehlerquote kann auf bis zu 1 Sekunde in 20 Millionen Jahren sinken.

Mit diesen hochentwickelten Werkzeugen der „Standardsekunde“ und des „Standardmeters“ haben Wissenschaftler auf dieser Grundlage zwischen mikroskopischen und makroskopischen Messwerkzeugen unterschieden, und die Messung und Beschreibung der Welt ist immer ausgefeilter und genauer geworden.

Es gibt eine Menge kompliziertes Wissen über Maße und Gewichte, deshalb werde ich hier heute aufhören und später noch einmal darauf eingehen.

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