探索時間奧秘：時間的腳步如何計算？

一千五百多年前，古希臘的西羅馬主教奧古斯丁說：「什麼是時間？如果有人問我，我知道；如果要求我解釋，我就不知道。」

時間，一種看似十分簡單的事物，人人都能理解。然而，它又是那麼的複雜和神秘，甚至直到今天也很難說被人認清了本質，物理學家和哲學家們仍為它頭疼不已。

而僅僅是計時問題，人類也走過了幾千年並不平坦的道路。

古觀象台里的圭表

「日」是最自然的原始時間單位

《尚書·堯典》有記載，羲和專管「曆象日月星辰，敬授人時」，是個負責觀象授時的官員。他大約生活在公元前二十二世紀。直到今天，我們仍把確定、保持並提供時間的工作稱為授時。

人類最早認識的時間單位不是年，也不是月，而是日。太陽東升西落，周而復始，給人以最直觀最深刻的印象，也是時間最自然的原始單位。

在現代社會中，時、分、秒是調節人們日常活動的重要工具，它們都是從自然的時間單位——「日」，經過人為劃分得到的。

古埃及人最初把白天劃分為十小時，日出前和日落後的黎明黃昏各計一小時，夜間計為十二小時，總共得到二十四小時。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。

由這種方法建立的二十四小時系統，與我們現代應用的二十四小時制有很大不同。前者的小時是不等長的，它隨節令而變化，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，夏季白天的一小時要比冬季白天的一小時長得多，夜間和晨昏每小時長度的變化則更為複雜。而古埃及人對此卻有一個十分有趣的解釋，他們說，太陽神在冬季里騎著馬在天空行走，而夏季里騎的是豬。馬比豬跑得快，所以夏季里白天的時間長，冬季里白天的時間短。

我國古代很早就把一天分為十時。後來，在我國又有百刻制和十二時辰之分。所謂百刻制，就是把一天劃分為一百個等分。而十二時辰則是把一天劃分為子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二個小段，每小段又劃分為初、正兩部分，如子初、子正等。

一天包含十二個時辰，又是一百刻，兩者之間就有一個除不盡的關係。為了把時辰與刻協調起來，歷史上曾有多次改動，直到清朝初年改為九十六刻制，這樣一個時辰就有八刻。

「立桿測影」劃分一日

早在一天分為十二個時辰之前，人們就已經用太陽在天空中的視位置來表示時間了。但是，由於太陽是一個光芒耀眼的天體，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，可以追溯到十分遙遠的年代。最初，人們用的是地面的自然物體，例如樹木、房屋、土堆等的影子。直到現在，農村裡有些老太太，還常常根據門口射進來的陽光的角度，決定生火做飯的時間。

把一根有固定長度的杆子，立在開闊平坦的地方，用它的影子來測量時間，這就叫「立桿測影」。

大約在公元前十五世紀，古埃及人在卡納克建造了一座二十九米高塔。高塔在太陽神殿前的影子，可以給到這裡來參拜的人們指示出正午的時間。

到公元前八世紀，古埃及人改進了立桿測影的方法，創造了人類歷史上最早的「日影鍾」。這種日影鍾，是把一根橫杆安在一根縱桿上。縱桿上刻有指示小時的刻度；橫杆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。

立桿測影在我國也有悠久的歷史。我國古代稱直立的杆子為「表」，測量表影的尺子平放在地面，叫做「圭」或「晷」，合起來稱做「圭表」。根據史料，我國的日晷在殷周時代就已有了，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，被太陽照射到的物體投下的影子在不斷地改變著，第一是影子的長短在改變，早晨的影子最長，隨著時間的推移，影子逐漸變短，一過中午它又重新變長；第二是影子的方向在改變，因為我們在北半球，早晨的影子在西方，中午的影子在北方，傍晚的影子在東方。從原理上來說，根據影子的長度或方向都可以計時，但根據影子的方向來計時更方便一些。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。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，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，在赤道兩邊，早晨和傍晚日影移動較快，中午移動較慢。為了克服這一缺陷，人們把底盤放在觀測者的赤道平面里，標杆方向與地軸平行，做成了赤道式日晷。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，就會看到太和殿前面漢白玉底座上立著一個日晷，它就是赤道式日晷。

西漢中陽漏壺

多級漏壺

「滴漏」計時擺脫日光依賴

日晷不僅能測量一天中的時刻，還能測定四季，在古代應用很廣。但它有一個明顯的缺陷，就是只能在出太陽的白天使用。可是，夜間和陰雨天怎麼辦呢？

利用滴漏或刻漏計量時間，是古代人類想出的共同辦法。我國遠在春秋以前就創造了刻漏，古書記載：「漏刻之作，肇於黃帝之日，宣乎夏商之代。」在古巴比倫和古埃及，大約兩千多年以前也出現單式漏壺。他們是在每天日落時把水注入容器，水流完了，看守者就向附近居民報告時辰，然後重新灌水。

沉箭漏十分古老，也較為簡單。它只有單壺，壺的下部有流管，壺中有一直立的浮在水面的箭桿，上有刻度，此即刻箭，又稱箭尺。使用時，壺中水通過流管不斷泄到壺外，箭尺便逐漸下沉，以指示時間。由於是單壺，壺中水位在滴泄過程中會逐漸下降，從而導致流速不均，故應不等距地劃分箭尺的刻度：越接近下端，刻度越疏；越接近上端，刻度越密，這樣才能夠表示相等的時間間隔。

浮箭漏的出現晚於沉箭漏，而性能優於前者。它由供水的漏壺、受水並放置箭尺的箭壺兩部分組成。使用時，漏壺的水通過流管不斷泄入箭壺，箭尺便隨箭壺水位的升高而逐漸上浮。由於箭尺不放在漏壺中，故可以採取措施來保持漏壺水位的穩定，從而導致流量的穩定。而箭尺的刻度也因此可以均勻劃分，並實現無間斷的長時段計時。

多級補償式浮箭漏的出現更遲，結構也略複雜。它的漏壺有上下兩級，當下級漏壺向箭壺供水時，上級漏壺則為下級漏壺補水，從而提高了漏壺水位的穩定度和計時的準確度。較高級的浮箭漏可以有數個補償壺，多級供水，進一步保證流量的穩定。

漏刻計時必須經常與天文測時比對，以確定計時的起點和時間單位。漏刻計時，同天文日晷測影和恆星位置觀測相結合組成我國古代一套完整的計時系統。漏刻在中國使用了很長時期，一直到清乾隆時期西方鐘錶傳入中國。

滴漏解決了夜間計時問題，也可以從一個地方搬到另一個地方，應用很普遍。但它也有很多明顯的缺點：壺的容量有限，需要不斷加水；水的流速與壓力有關，「滿則速，淺則遲」，增加了計時誤差。另外，水的清潔程度也影響流速，而且在冬天可能還會凍結。

惠更斯的擺鐘

「擺」的等時性原理造就了機械鐘

歐洲人大約在13世紀發明了機械鐘。從原理上說，水鍾是通過水從孔眼中漏出來計時，而機械鐘是由一個不斷重複的機械運動來計時。早期機械鐘的鐘速取決於驅動輪，而驅動輪又受到動力機構中摩擦力變化的影響，因此精度很低，每天要差一刻鐘以上。

對改進早期機械鐘做出重大貢獻的，是義大利科學家伽利略。他發現了擺的等時性原理。關於這一點，有一則廣泛流傳的傳說。

據說，伽利略在上中學的時候，有一天去比薩教堂做禮拜。微風吹來，使掛在天花板上的大吊燈來回擺動。伽利略注意到，鏈條一般長的兩盞青銅吊燈，來回擺動的時間好像一樣長。他發現，擺的快慢與擺錘大小和重量無關，而取決於擺的長短。擺長相同時，擺動一周的時間相等。

這則傳說來自伽利略的一個學生，也是他的傳記作者。但事實上，伽利略想到用擺控制時鐘時，他已是一位老人，而且近乎雙目失明。

伽利略直到1642年去世之前並沒有去製造一個擺鐘。倒是荷蘭科學家惠更斯利用了這個原理，在1656年製成了第一台擺鐘。這台擺鐘一天的準確度是10秒。這是對機械鐘的一個巨大改進。

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動，而主要靠重力驅動，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，有沒有可能利用擺的原理，製造出便於攜帶的鐘錶？到了l902年，經過人們的不斷努力，第一隻機械手錶問世了，人類的計時工具向小型化邁出了決定性的一步。打開手錶的後蓋，我們一下就能看到裡面有一個帶有像頭髮絲一樣細的盤狀小彈簧的輪子，它不停地有節律地擺動著，這正是手錶的心臟——遊絲擺輪系統。我們稱它為手錶的心臟，是因為手錶的走時精度主要由它來決定，它也是一種具有等時性的機械擺。

石英鐘、原子鐘——利用物質內部振蕩計時

直到上世紀20年代，最精確的時鐘還是依賴於鐘擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鐘是基於石英晶體有規則振動而製造的。

石英鐘的主要部件是一個很穩定的石英振蕩器。將石英振蕩器所產生的振蕩頻率取出來，使它帶動時鐘指示時間這就是石英鐘。目前，最好的石英鐘，每天的計時能准到十萬分之一秒，也就是經過差不多270年才差1秒。但在科學發達的今天，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。

根據愛因斯坦的理論，在引力場內，空間和時間都會彎曲。因此，在珠穆朗瑪峰頂部的一個時鐘，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。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。

上世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的拉比和他的學生，發明了一種被稱為磁共振的技術。依靠這項技術，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。拉比很自然地想到，這些共振頻率的準確性是如此之高，完全可以用來製作高精度的時鐘。

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，但這個鐘需要一個房間的設備，所以實用性不強。另一名科學家扎卡來亞斯推出了一種小型的原子鐘，可以從一個實驗室方便地轉移到另一個實驗室。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的攜帶型儀器為基礎的商用原子鐘。兩年後該公司生產出了第一個原子鐘，並在四年內售出50個，如今用於GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的後代。

原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時的。由於這種電磁波非常穩定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了。現在用在原子鐘里的元素有氫、銫(sè)、銣(rú)等。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。

「秒」的年紀其實很年輕

利用生物鐘製作「報時花鐘」

自然界中，各種生物的功能都有自己獨特的活動周期。某些藻類的發光，植物花瓣的啟閉，雄雞的啼鳴，候鳥的遷徙，動物的冬眠等等，都會定時出現，這就是生物的節律。

生物節律是法國天文學家梅朗於十八世紀初發現的。達爾文也曾關注過這一現象。現在生物學家已經證實，不論是植物還是動物，其功能的周期性變化並非局部現象，它是一切有機體生命活動的基本規律的反映。

按鐘點開閉的花朵，曾為人類早期守時提供過方便。例如在十八世紀的歐洲，一般的公園裡大都有一個自然的帶有裝飾性趣味的「報時花鐘」。園丁們把一組花盆排列成「鐘面」，每盆花的開或閉都對應於一個鐘點。遊客利用這種花時鐘，就能知道大概時間

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！