? ? ? 一千五百多年前申屹，古希臘的西羅馬主教奧古斯丁說：“什么是時間？如果有人問我隧膏，我知道哗讥；如果要求我解釋，我就不知道胞枕「松罚”
? ? 時間，一種看似十分簡單的事物腐泻，人人都能理解决乎。然而，它又是那么的復(fù)雜和神秘派桩，甚至直到今天也很難說被人認(rèn)清了本質(zhì)构诚，物理學(xué)家和哲學(xué)家們?nèi)詾樗^疼不已。
? ? ? 而僅僅是計時問題铆惑，人類也走過了幾千年并不平坦的道路范嘱。
? ? ? ? ? ? ? “日”是最自然的原始時間單位
? ? 《尚書·堯典》有記載送膳，羲和專管“歷象日月星辰，敬授人時”彤侍，是個負(fù)責(zé)觀象授時的官員肠缨。他大約生活在公元前二十二世紀(jì)。直到今天盏阶，我們?nèi)园汛_定晒奕、保持并提供時間的工作稱為授時。
? ? 人類最早認(rèn)識的時間單位不是年名斟，也不是月脑慧，而是日。太陽東升西落砰盐，周而復(fù)始闷袒，給人以最直觀最深刻的印象，也是時間最自然的原始單位岩梳。
? ? 在現(xiàn)代社會中囊骤，時冀值、分也物、秒是調(diào)節(jié)人們?nèi)粘滑蚯；顒拥闹匾ぞ卟涌剩鼈兌际菑淖匀坏臅r間單位——“日”，經(jīng)過人為劃分得到的恋脚。
? ? 古埃及人最初把白天劃分為十小時躬拢，日出前和日落后的黎明黃昏各計一小時，夜間計為十二小時见间，總共得到二十四小時聊闯。夜間的每個小時各用一個星辰的出沒來表示，白天的十小時則按太陽在天空中的位置來劃分缤剧。
? ? 由這種方法建立的二十四小時系統(tǒng)馅袁，與我們現(xiàn)代應(yīng)用的二十四小時制有很大不同。前者的小時是不等長的荒辕，它隨節(jié)令而變化汗销，而且除春分和秋分外，白天的一小時和夜晚的一小時也不相等抵窒，夏季白天的一小時要比冬季白天的一小時長得多弛针，夜間和晨昏每小時長度的變化則更為復(fù)雜。而古埃及人對此卻有一個十分有趣的解釋李皇，他們說削茁，太陽神在冬季里騎著馬在天空行走，而夏季里騎的是豬掉房。馬比豬跑得快茧跋，所以夏季里白天的時間長，冬季里白天的時間短卓囚。
? ? 我國古代很早就把一天分為十時瘾杭。后來，在我國又有百刻制和十二時辰之分哪亿。所謂百刻制粥烁，就是把一天劃分為一百個等分贤笆。而十二時辰則是把一天劃分為子、丑讨阻、寅芥永、卯、辰钝吮、巳埋涧、午、未搀绣、申飞袋、酉、戌链患、亥十二個小段巧鸭，每小段又劃分為初、正兩部分麻捻，如子初纲仍、子正等。
? ? 一天包含十二個時辰贸毕，又是一百刻郑叠，兩者之間就有一個除不盡的關(guān)系。為了把時辰與刻協(xié)調(diào)起來明棍，歷史上曾有多次改動乡革，直到清朝初年改為九十六刻制，這樣一個時辰就有八刻摊腋。
? ? “立桿測影”劃分一日
? ? 早在一天分為十二個時辰之前沸版，人們就已經(jīng)用太陽在天空中的視位置來表示時間了。但是兴蒸，由于太陽是一個光芒耀眼的天體视粮，直接觀察它是不很方便的。
? ? 利用太陽照射地面物體留下的影子來測量白天的時間橙凳，可以追溯到十分遙遠(yuǎn)的年代蕾殴。最初，人們用的是地面的自然物體岛啸，例如樹木钓觉、房屋、土堆等的影子坚踩。直到現(xiàn)在议谷，農(nóng)村里有些老太太，還常常根據(jù)門口射進來的陽光的角度堕虹，決定生火做飯的時間卧晓。
? ? 把一根有固定長度的桿子，立在開闊平坦的地方赴捞，用它的影子來測量時間逼裆，這就叫“立桿測影”。
? ? 大約在公元前十五世紀(jì)赦政，古埃及人在卡納克建造了一座二十九米高塔胜宇。高塔在太陽神殿前的影子，可以給到這里來參拜的人們指示出正午的時間恢着。
? ? 到公元前八世紀(jì)桐愉，古埃及人改進了立桿測影的方法，創(chuàng)造了人類歷史上最早的“日影鐘”掰派。這種日影鐘从诲，是把一根橫桿安在一根縱桿上∶蚁郏縱桿上刻有指示小時的刻度系洛；橫桿影子投在縱桿的不同刻度上，可以指示出一天中不同的時辰略步。
? ? 立桿測影在我國也有悠久的歷史描扯。我國古代稱直立的桿子為“表”，測量表影的尺子平放在地面趟薄，叫做“圭”或“晷”绽诚，合起來稱做“圭表”。根據(jù)史料杭煎，我國的日晷在殷周時代就已有了恩够，至今至少已有三四千年的歷史。
? ? 日晷計時的原理是這樣：在一天中岔帽，被太陽照射到的物體投下的影子在不斷地改變著玫鸟，第一是影子的長短在改變，早晨的影子最長犀勒，隨著時間的推移屎飘，影子逐漸變短，一過中午它又重新變長贾费；第二是影子的方向在改變钦购，因為我們在北半球，早晨的影子在西方褂萧，中午的影子在北方押桃，傍晚的影子在東方。從原理上來說导犹，根據(jù)影子的長度或方向都可以計時唱凯，但根據(jù)影子的方向來計時更方便一些羡忘。故通常都是以影子的方位計時。
? ? 我國日晷主要有“地平式”和“赤道式”兩種磕昼。地平式日晷底盤上的均勻刻度不能精確反映一天中的時刻卷雕，因為太陽周日視運動軌道與赤道面平行，同地平面有一交角票从，在赤道兩邊漫雕，早晨和傍晚日影移動較快，中午移動較慢峰鄙。為了克服這一缺陷浸间，人們把底盤放在觀測者的赤道平面里，標(biāo)桿方向與地軸平行吟榴，做成了赤道式日晷魁蒜。赤道式日晷底盤的均勻刻度能夠代表一天中的精確時刻。如果你到北京故宮博物院參觀煤墙，就會看到太和殿前面漢白玉底座上立著一個日晷梅惯，它就是赤道式日晷。
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? ? ? ? ? ? ? “滴漏”計時擺脫日光依賴
? ? 日晷不僅能測量一天中的時刻仿野，還能測定四季铣减，在古代應(yīng)用很廣。但它有一個明顯的缺陷脚作，就是只能在出太陽的白天使用葫哗。可是球涛，夜間和陰雨天怎么辦呢劣针？
? ? 利用滴漏或刻漏計量時間，是古代人類想出的共同辦法亿扁。我國遠(yuǎn)在春秋以前就創(chuàng)造了刻漏捺典，古書記載：“漏刻之作，肇于黃帝之日从祝，宣乎夏商之代襟己。”在古巴比倫和古埃及牍陌，大約兩千多年以前也出現(xiàn)單式漏壺擎浴。他們是在每天日落時把水注入容器，水流完了毒涧，看守者就向附近居民報告時辰贮预，然后重新灌水。
? ? 沉箭漏十分古老，也較為簡單仿吞。它只有單壺滑频，壺的下部有流管，壺中有一直立的浮在水面的箭桿茫藏，上有刻度误趴，此即刻箭，又稱箭尺务傲。使用時，壺中水通過流管不斷泄到壺外枣申，箭尺便逐漸下沉售葡，以指示時間。由于是單壺忠藤，壺中水位在滴泄過程中會逐漸下降挟伙，從而導(dǎo)致流速不均，故應(yīng)不等距地劃分箭尺的刻度：越接近下端模孩，刻度越疏尖阔；越接近上端，刻度越密榨咐，這樣才能夠表示相等的時間間隔介却。
? ? 浮箭漏的出現(xiàn)晚于沉箭漏，而性能優(yōu)于前者块茁。它由供水的漏壺齿坷、受水并放置箭尺的箭壺兩部分組成。使用時数焊，漏壺的水通過流管不斷泄入箭壺永淌，箭尺便隨箭壺水位的升高而逐漸上浮。由于箭尺不放在漏壺中佩耳，故可以采取措施來保持漏壺水位的穩(wěn)定遂蛀，從而導(dǎo)致流量的穩(wěn)定。而箭尺的刻度也因此可以均勻劃分干厚，并實現(xiàn)無間斷的長時段計時李滴。
? ? 多級補償式浮箭漏的出現(xiàn)更遲，結(jié)構(gòu)也略復(fù)雜萍诱。它的漏壺有上下兩級悬嗓，當(dāng)下級漏壺向箭壺供水時，上級漏壺則為下級漏壺補水裕坊，從而提高了漏壺水位的穩(wěn)定度和計時的準(zhǔn)確度包竹。較高級的浮箭漏可以有數(shù)個補償壺，多級供水，進一步保證流量的穩(wěn)定周瞎。
? ? 漏刻計時必須經(jīng)常與天文測時比對苗缩，以確定計時的起點和時間單位。漏刻計時声诸，同天文日晷測影和恒星位置觀測相結(jié)合組成我國古代一套完整的計時系統(tǒng)酱讶。漏刻在中國使用了很長時期，一直到清乾隆時期西方鐘表傳入中國彼乌。
? ? 滴漏解決了夜間計時問題泻肯，也可以從一個地方搬到另一個地方，應(yīng)用很普遍慰照。但它也有很多明顯的缺點：壺的容量有限灶挟，需要不斷加水；水的流速與壓力有關(guān)毒租，“滿則速稚铣，淺則遲”，增加了計時誤差墅垮。另外惕医，水的清潔程度也影響流速，而且在冬天可能還會凍結(jié)算色。
? ? ? ? ? “擺”的等時性原理造就了機械鐘
? ? 歐洲人大約在13世紀(jì)發(fā)明了機械鐘抬伺。從原理上說，水鐘是通過水從孔眼中漏出來計時剃允，而機械鐘是由一個不斷重復(fù)的機械運動來計時沛简。早期機械鐘的鐘速取決于驅(qū)動輪，而驅(qū)動輪又受到動力機構(gòu)中摩擦力變化的影響斥废，因此精度很低椒楣，每天要差一刻鐘以上。
? ? 對改進早期機械鐘做出重大貢獻的牡肉，是意大利科學(xué)家伽利略捧灰。他發(fā)現(xiàn)了擺的等時性原理。關(guān)于這一點统锤，有一則廣泛流傳的傳說毛俏。
? ? 據(jù)說，伽利略在上中學(xué)的時候饲窿，有一天去比薩教堂做禮拜煌寇。微風(fēng)吹來，使掛在天花板上的大吊燈來回擺動逾雄。伽利略注意到阀溶，鏈條一般長的兩盞青銅吊燈腻脏，來回擺動的時間好像一樣長。他發(fā)現(xiàn)银锻，擺的快慢與擺錘大小和重量無關(guān)永品，而取決于擺的長短。擺長相同時击纬，擺動一周的時間相等鼎姐。
? ? 這則傳說來自伽利略的一個學(xué)生，也是他的傳記作者更振。但事實上炕桨，伽利略想到用擺控制時鐘時，他已是一位老人殃饿，而且近乎雙目失明谋作。
? ? 伽利略直到1642年去世之前并沒有去制造一個擺鐘。倒是荷蘭科學(xué)家惠更斯利用了這個原理乎芳，在1656年制成了第一臺擺鐘。這臺擺鐘一天的準(zhǔn)確度是10秒帖池。這是對機械鐘的一個巨大改進奈惑。
? ? 擺的引入是計時歷史上的一個巨大進步。單擺的擺動不需要其它裝置驅(qū)動睡汹，而主要靠重力驅(qū)動肴甸，這樣就可以大大提高時鐘的精確度。
? ? 早期的擺鐘往往體型很大囚巴，有沒有可能利用擺的原理原在，制造出便于攜帶的鐘表？到了l902年彤叉，經(jīng)過人們的不斷努力庶柿，第一只機械手表問世了，人類的計時工具向小型化邁出了決定性的一步秽浇。打開手表的后蓋浮庐，我們一下就能看到里面有一個帶有像頭發(fā)絲一樣細(xì)的盤狀小彈簧的輪子，它不停地有節(jié)律地擺動著柬焕，這正是手表的心臟——游絲擺輪系統(tǒng)审残。我們稱它為手表的心臟，是因為手表的走時精度主要由它來決定斑举，它也是一種具有等時性的機械擺搅轿。
? ? ? 石英鐘、原子鐘——利用物質(zhì)內(nèi)部振蕩計時
? ? ? 直到上世紀(jì)20年代富玷，最精確的時鐘還是依賴于鐘擺的有規(guī)則擺動璧坟。取代它們的更為精確的時鐘是基于石英晶體有規(guī)則振動而制造的既穆。
? ? 石英鐘的主要部件是一個很穩(wěn)定的石英振蕩器。將石英振蕩器所產(chǎn)生的振蕩頻率取出來沸柔，使它帶動時鐘指示時間這就是石英鐘循衰。目前，最好的石英鐘褐澎，每天的計時能準(zhǔn)到十萬分之一秒会钝，也就是經(jīng)過差不多270年才差1秒。但在科學(xué)發(fā)達的今天工三，這種石英鐘已被比它還要精確得多的其他類型的時鐘所替代迁酸。
? ? 根據(jù)愛因斯坦的理論，在引力場內(nèi)俭正，空間和時間都會彎曲奸鬓。因此，在珠穆朗瑪峰頂部的一個時鐘掸读，比海平面處完全相同的一個時鐘平均每天快三千萬分之一秒串远。要想精確測定這樣的時間差異，唯一辦法只能是通過原子本身的微小振動來控制計時鐘儿惫。
? ? ? 根據(jù)量子物理學(xué)的基本原理澡罚，原子是按照不同電子排列順序的能量差，來吸收或釋放電磁能量的肾请。當(dāng)原子從一個“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時留搔，它便會釋放電磁波。同一種原子的共振頻率是一定的——例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周铛铁。
? ? ? 上世紀(jì)30年代隔显，美國哥倫比亞大學(xué)實驗室的拉比和他的學(xué)生，發(fā)明了一種被稱為磁共振的技術(shù)饵逐。依靠這項技術(shù)括眠，他便能夠測量出原子的自然共振頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾獎梳毙。拉比很自然地想到哺窄，這些共振頻率的準(zhǔn)確性是如此之高，完全可以用來制作高精度的時鐘账锹。
? ? 世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實驗室的埃森和帕里合作建造完成的萌业，但這個鐘需要一個房間的設(shè)備，所以實用性不強奸柬。另一名科學(xué)家扎卡來亞斯推出了一種小型的原子鐘生年，可以從一個實驗室方便地轉(zhuǎn)移到另一個實驗室。1954年廓奕，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎(chǔ)的商用原子鐘抱婉。兩年后該公司生產(chǎn)出了第一個原子鐘档叔，并在四年內(nèi)售出50個，如今用于GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的后代蒸绩。
? ? 原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時的衙四。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制患亿，原子鐘的計時就可以非常準(zhǔn)確了〈福現(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫、銫(sè)步藕、銣(rú)等惦界。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。
? ? ? ? ? ? ? ? ? “秒”的年紀(jì)其實很年輕
? ? ? 時間是看不見咙冗，摸不著的沾歪。在19世紀(jì)末，天文學(xué)家只能從年的長度中細(xì)分來確定秒的長度雾消。他們把秒定義為一個回歸年長度的31556925.9747分之一的時間長度灾搏。起始?xì)v元從1900年1月0日12時正。這是人類歷史上第一次對時間基本計量單位——秒的定義立润。但是确镊，這里的秒是以一個回歸年為參照的，是把地球自轉(zhuǎn)作為一臺鐘來計量的范删，一個回歸年長度能保證精確到什么程度呢？地球自轉(zhuǎn)的世界時是不均勻的拷肌，那么到旦，“秒”的長度是否也要變呢？可見用細(xì)分年的長度來確定秒的標(biāo)準(zhǔn)是天文學(xué)家的無奈之舉巨缘。還有一個原因是當(dāng)時還沒有發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)是不均勻的添忘。
? ? ? ? 20世紀(jì)中期，科技進步使人類有了計時精確的原子鐘若锁，于是搁骑，秒的基準(zhǔn)定義有了第二次改革。1967年的第13屆國際計量大會上確定以銫原子鐘為計時標(biāo)準(zhǔn)又固。確定“秒”為時間的基本計量單位仲器，并定義“秒”的物理標(biāo)準(zhǔn)為：在海平面零磁場的條件下“銫133原子兩個基態(tài)能級的轉(zhuǎn)換所經(jīng)過的9192631770個電磁波輻射周期”所需要的時間。這樣仰冠，秒的基準(zhǔn)定義就建筑在電磁波頻率的基礎(chǔ)上了乏冀。時間的長河盡管悠久，但科學(xué)的時間計量的基本單位——“秒”的定義還很年輕洋只，至今還只有40多年的歷史辆沦。
? ? ? ? ? ? ? 利用生物鐘制作“報時花鐘”
? ? 自然界中昼捍，各種生物的功能都有自己獨特的活動周期。某些藻類的發(fā)光肢扯，植物花瓣的啟閉妒茬，雄雞的啼鳴，候鳥的遷徙蔚晨，動物的冬眠等等乍钻，都會定時出現(xiàn)，這就是生物的節(jié)律蛛株。
? ? ? 生物節(jié)律是法國天文學(xué)家梅朗于十八世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的团赁。達爾文也曾關(guān)注過這一現(xiàn)象。現(xiàn)在生物學(xué)家已經(jīng)證實谨履，不論是植物還是動物欢摄，其功能的周期性變化并非局部現(xiàn)象，它是一切有機體生命活動的基本規(guī)律的反映笋粟。
? ? 按鐘點開閉的花朵怀挠，曾為人類早期守時提供過方便。例如在十八世紀(jì)的歐洲害捕，一般的公園里大都有一個自然的帶有裝飾性趣味的“報時花鐘”绿淋。園丁們把一組花盆排列成“鐘面”，每盆花的開或閉都對應(yīng)于一個鐘點尝盼。游客利用這種花時鐘吞滞，就能知道大概時間。
