探索时间奥秘：怎样数出时间的脚步？

张璐璐

古观象台里的圭表

一千五百多年前，古希腊的西罗马主教奥古斯丁说：“什么是时间？如果有人问我，我知道；如果要求我解释，我

来源：凤凰资讯  

张璐璐

时间，一种看似十分简单的事物，人人都能理解。然而，它又是那么的复杂和神秘，甚至直到今天也很难说被人认清了本质，物理学家和哲学家们仍为它头疼不已。

而仅仅是计时问题，人类也走过了几千年并不平坦的道路。

“日”是最自然的原始时间单位

《尚书·尧典》有记载，羲和专管“历象日月星辰，敬授人时”，是个负责观象授时的官员。他大约生活在公元前二十二世纪。直到今天，我们仍把确定、保持并提供时间的工作称为授时。

人类最早认识的时间单位不是年，也不是月，而是日。太阳东升西落，周而复始，给人以最直观最深刻的印象，也是时间最自然的原始单位。

在现代社会中，时、分、秒是调节人们日常活动的重要工具，它们都是从自然的时间单位——“日”，经过人为划分得到的。

古埃及人最初把白天划分为十小时，日出前和日落后的黎明黄昏各计一小时，夜间计为十二小时，总共得到二十四小时。夜间的每个小时各用一个星辰的出没来表示，白天的十小时则按太阳在天空中的位置来划分。

由这种方法建立的二十四小时系统，与我们现代应用的二十四小时制有很大不同。前者的小时是不等长的，它随节令而变化，而且除春分和秋分外，白天的一小时和夜晚的一小时也不相等，夏季白天的一小时要比冬季白天的一小时长得多，夜间和晨昏每小时长度的变化则更为复杂。而古埃及人对此却有一个十分有趣的解释，他们说，太阳神在冬季里骑着马在天空行走，而夏季里骑的是猪。马比猪跑得快，所以夏季里白天的时间长，冬季里白天的时间短。

我国古代很早就把一天分为十时。后来，在我国又有百刻制和十二时辰之分。所谓百刻制，就是把一天划分为一百个等分。而十二时辰则是把一天划分为子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二个小段，每小段又划分为初、正两部分，如子初、子正等。

一天包含十二个时辰，又是一百刻，两者之间就有一个除不尽的关系。为了把时辰与刻协调起来，历史上曾有多次改动，直到清朝初年改为九十六刻制，这样一个时辰就有八刻。

“立杆测影”划分一日

早在一天分为十二个时辰之前，人们就已经用太阳在天空中的视位置来表示时间了。但是，由于太阳是一个光芒耀眼的天体，直接观察它是不很方便的。

利用太阳照射地面物体留下的影子来测量白天的时间，可以追溯到十分遥远的年代。最初，人们用的是地面的自然物体，例如树木、房屋、土堆等的影子。直到现在，农村里有些老太太，还常常根据门口射进来的阳光的角度，决定生火做饭的时间。

把一根有固定长度的杆子，立在开阔平坦的地方，用它的影子来测量时间，这就叫“立杆测影”。

大约在公元前十五世纪，古埃及人在卡纳克建造了一座二十九米高塔。高塔在太阳神殿前的影子，可以给到这里来参拜的人们指示出正午的时间。

到公元前八世纪，古埃及人改进了立杆测影的方法，创造了人类历史上最早的“日影钟”。这种日影钟，是把一根横杆安在一根纵杆上。纵杆上刻有指示小时的刻度；横杆影子投在纵杆的不同刻度上，可以指示出一天中不同的时辰。

立杆测影在我国也有悠久的历史。我国古代称直立的杆子为“表”，测量表影的尺子平放在地面，叫做“圭”或“晷”，合起来称做“圭表”。根据史料，我国的日晷在殷周时代就已有了，至今至少已有三四千年的历史。

日晷计时的原理是这样：在一天中，被太阳照射到的物体投下的影子在不断地改变着，第一是影子的长短在改变，早晨的影子最长，随着时间的推移，影子逐渐变短，一过中午它又重新变长；第二是影子的方向在改变，因为我们在北半球，早晨的影子在西方，中午的影子在北方，傍晚的影子在东方。从原理上来说，根据影子的长度或方向都可以计时，但根据影子的方向来计时更方便一些。故通常都是以影子的方位计时。

我国日晷主要有“地平式”和“赤道式”两种。地平式日晷底盘上的均匀刻度不能精确反映一天中的时刻，因为太阳周日视运动轨道与赤道面平行，同地平面有一交角，在赤道两边，早晨和傍晚日影移动较快，中午移动较慢。为了克服这一缺陷，人们把底盘放在观测者的赤道平面里，标杆方向与地轴平行，做成了赤道式日晷。赤道式日晷底盘的均匀刻度能够代表一天中的精确时刻。如果你到北京故宫博物院参观，就会看到太和殿前面汉白玉底座上立着一个日晷，它就是赤道式日晷。

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西汉中阳漏壶

多级漏壶

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“滴漏”计时摆脱日光依赖

日晷不仅能测量一天中的时刻，还能测定四季，在古代应用很广。但它有一个明显的缺陷，就是只能在出太阳的白天使用。可是，夜间和阴雨天怎么办呢？

利用滴漏或刻漏计量时间，是古代人类想出的共同办法。我国远在春秋以前就创造了刻漏，古书记载：“漏刻之作，肇于黄帝之日，宣乎夏商之代。”在古巴比伦和古埃及，大约两千多年以前也出现单式漏壶。他们是在每天日落时把水注入容器，水流完了，看守者就向附近居民报告时辰，然后重新灌水。

沉箭漏十分古老，也较为简单。它只有单壶，壶的下部有流管，壶中有一直立的浮在水面的箭杆，上有刻度，此即刻箭，又称箭尺。使用时，壶中水通过流管不断泄到壶外，箭尺便逐渐下沉，以指示时间。由于是单壶，壶中水位在滴泄过程中会逐渐下降，从而导致流速不均，故应不等距地划分箭尺的刻度：越接近下端，刻度越疏；越接近上端，刻度越密，这样才能够表示相等的时间间隔。

浮箭漏的出现晚于沉箭漏，而性能优于前者。它由供水的漏壶、受水并放置箭尺的箭壶两部分组成。使用时，漏壶的水通过流管不断泄入箭壶，箭尺便随箭壶水位的升高而逐渐上浮。由于箭尺不放在漏壶中，故可以采取措施来保持漏壶水位的稳定，从而导致流量的稳定。而箭尺的刻度也因此可以均匀划分，并实现无间断的长时段计时。

多级补偿式浮箭漏的出现更迟，结构也略复杂。它的漏壶有上下两级，当下级漏壶向箭壶供水时，上级漏壶则为下级漏壶补水，从而提高了漏壶水位的稳定度和计时的准确度。较高级的浮箭漏可以有数个补偿壶，多级供水，进一步保证流量的稳定。

漏刻计时必须经常与天文测时比对，以确定计时的起点和时间单位。漏刻计时，同天文日晷测影和恒星位置观测相结合组成我国古代一套完整的计时系统。漏刻在中国使用了很长时期，一直到清乾隆时期西方钟表传入中国。

滴漏解决了夜间计时问题，也可以从一个地方搬到另一个地方，应用很普遍。但它也有很多明显的缺点：壶的容量有限，需要不断加水；水的流速与压力有关，“满则速，浅则迟”，增加了计时误差。另外，水的清洁程度也影响流速，而且在冬天可能还会冻结。

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惠更斯的摆钟

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“摆”的等时性原理造就了机械钟

欧洲人大约在13世纪发明了机械钟。从原理上说，水钟是通过水从孔眼中漏出来计时，而机械钟是由一个不断重复的机械运动来计时。早期机械钟的钟速取决于驱动轮，而驱动轮又受到动力机构中摩擦力变化的影响，因此精度很低，每天要差一刻钟以上。

对改进早期机械钟做出重大贡献的，是意大利科学家伽利略。他发现了摆的等时性原理。关于这一点，有一则广泛流传的传说。

据说，伽利略在上中学的时候，有一天去比萨教堂做礼拜。微风吹来，使挂在天花板上的大吊灯来回摆动。伽利略注意到，链条一般长的两盏青铜吊灯，来回摆动的时间好像一样长。他发现，摆的快慢与摆锤大小和重量无关，而取决于摆的长短。摆长相同时，摆动一周的时间相等。

这则传说来自伽利略的一个学生，也是他的传记作者。但事实上，伽利略想到用摆控制时钟时，他已是一位老人，而且近乎双目失明。

伽利略直到1642年去世之前并没有去制造一个摆钟。倒是荷兰科学家惠更斯利用了这个原理，在1656年制成了第一台摆钟。这台摆钟一天的准确度是10秒。这是对机械钟的一个巨大改进。

摆的引入是计时历史上的一个巨大进步。单摆的摆动不需要其它装置驱动，而主要靠重力驱动，这样就可以大大提高时钟的精确度。

早期的摆钟往往体型很大，有没有可能利用摆的原理，制造出便于携带的钟表？到了l902年，经过人们的不断努力，第一只机械手表问世了，人类的计时工具向小型化迈出了决定性的一步。打开手表的后盖，我们一下就能看到里面有一个带有像头发丝一样细的盘状小弹簧的轮子，它不停地有节律地摆动着，这正是手表的心脏——游丝摆轮系统。我们称它为手表的心脏，是因为手表的走时精度主要由它来决定，它也是一种具有等时性的机械摆。

石英钟、原子钟——利用物质内部振荡计时

直到上世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的时钟是基于石英晶体有规则振动而制造的。

石英钟的主要部件是一个很稳定的石英振荡器。将石英振荡器所产生的振荡频率取出来，使它带动时钟指示时间这就是石英钟。目前，最好的石英钟，每天的计时能准到十万分之一秒，也就是经过差不多270年才差1秒。但在科学发达的今天，这种石英钟已被比它还要精确得多的其他类型的时钟所替代。

根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒。要想精确测定这样的时间差异，唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。

根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，来吸收或释放电磁能量的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。同一种原子的共振频率是一定的——例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。

上世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生，发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。拉比很自然地想到，这些共振频率的准确性是如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。

世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的，但这个钟需要一个房间的设备，所以实用性不强。另一名科学家扎卡来亚斯推出了一种小型的原子钟，可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室。1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在四年内售出50个，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。

原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢、铯(sè)、铷(rú)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。

延伸阅读

“秒”的年纪其实很年轻

时间是看不见，摸不着的。在19世纪末，天文学家只能从年的长度中细分来确定秒的长度。他们把秒定义为一个回归年长度的31556925.9747分之一的时间长度。起始历元从1900年1月0日12时正。这是人类历史上第一次对时间基本计量单位——秒的定义。但是，这里的秒是以一个回归年为参照的，是把地球自转作为一台钟来计量的，一个回归年长度能保证精确到什么程度呢？地球自转的世界时是不均匀的，那么，“秒”的长度是否也要变呢？可见用细分年的长度来确定秒的标准是天文学家的无奈之举。还有一个原因是当时还没有发现地球自转是不均匀的。

20世纪中期，科技进步使人类有了计时精确的原子钟，于是，秒的基准定义有了第二次改革。1967年的第13届国际计量大会上确定以铯原子钟为计时标准。确定“秒”为时间的基本计量单位，并定义“秒”的物理标准为：在海平面零磁场的条件下“铯133原子两个基态能级的转换所经过的9192631770个电磁波辐射周期”所需要的时间。这样，秒的基准定义就建筑在电磁波频率的基础上了。时间的长河尽管悠久，但科学的时间计量的基本单位——“秒”的定义还很年轻，至今还只有40多年的历史。

利用生物钟制作“报时花钟”

自然界中，各种生物的功能都有自己独特的活动周期。某些藻类的发光，植物花瓣的启闭，雄鸡的啼鸣，候鸟的迁徙，动物的冬眠等等，都会定时出现，这就是生物的节律。

生物节律是法国天文学家梅朗于十八世纪初发现的。达尔文也曾关注过这一现象。现在生物学家已经证实，不论是植物还是动物，其功能的周期性变化并非局部现象，它是一切有机体生命活动的基本规律的反映。

按钟点开闭的花朵，曾为人类早期守时提供过方便。例如在十八世纪的欧洲，一般的公园里大都有一个自然的带有装饰性趣味的“报时花钟”。园丁们把一组花盆排列成“钟面”，每盆花的开或闭都对应于一个钟点。游客利用这种花时钟，就能知道大概时间。

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