? ? ? 一千五百多年前，古希臘的西羅馬主教奧古斯丁說(shuō)：“什么是時(shí)間？如果有人問(wèn)我，我知道；如果要求我解釋，我就不知道。”
? ? 時(shí)間，一種看似十分簡(jiǎn)單的事物，人人都能理解。然而，它又是那么的復(fù)雜和神秘，甚至直到今天也很難說(shuō)被人認(rèn)清了本質(zhì)，物理學(xué)家和哲學(xué)家們?nèi)詾樗^疼不已。
? ? ? 而僅僅是計(jì)時(shí)問(wèn)題，人類也走過(guò)了幾千年并不平坦的道路。
? ? ? ? ? ? ? “日”是最自然的原始時(shí)間單位
? ? 《尚書(shū)·堯典》有記載，羲和專管“歷象日月星辰，敬授人時(shí)”，是個(gè)負(fù)責(zé)觀象授時(shí)的官員。他大約生活在公元前二十二世紀(jì)。直到今天，我們?nèi)园汛_定、保持并提供時(shí)間的工作稱為授時(shí)。
? ? 人類最早認(rèn)識(shí)的時(shí)間單位不是年，也不是月，而是日。太陽(yáng)東升西落，周而復(fù)始，給人以最直觀最深刻的印象，也是時(shí)間最自然的原始單位。
? ? 在現(xiàn)代社會(huì)中，時(shí)、分、秒是調(diào)節(jié)人們?nèi)粘；顒?dòng)的重要工具，它們都是從自然的時(shí)間單位——“日”，經(jīng)過(guò)人為劃分得到的。
? ? 古埃及人最初把白天劃分為十小時(shí)，日出前和日落后的黎明黃昏各計(jì)一小時(shí)，夜間計(jì)為十二小時(shí)，總共得到二十四小時(shí)。夜間的每個(gè)小時(shí)各用一個(gè)星辰的出沒(méi)來(lái)表示，白天的十小時(shí)則按太陽(yáng)在天空中的位置來(lái)劃分。
? ? 由這種方法建立的二十四小時(shí)系統(tǒng)，與我們現(xiàn)代應(yīng)用的二十四小時(shí)制有很大不同。前者的小時(shí)是不等長(zhǎng)的，它隨節(jié)令而變化，而且除春分和秋分外，白天的一小時(shí)和夜晚的一小時(shí)也不相等，夏季白天的一小時(shí)要比冬季白天的一小時(shí)長(zhǎng)得多，夜間和晨昏每小時(shí)長(zhǎng)度的變化則更為復(fù)雜。而古埃及人對(duì)此卻有一個(gè)十分有趣的解釋，他們說(shuō)，太陽(yáng)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(shí)間長(zhǎng)，冬季里白天的時(shí)間短。
? ? 我國(guó)古代很早就把一天分為十時(shí)。后來(lái)，在我國(guó)又有百刻制和十二時(shí)辰之分。所謂百刻制，就是把一天劃分為一百個(gè)等分。而十二時(shí)辰則是把一天劃分為子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二個(gè)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(gè)時(shí)辰，又是一百刻，兩者之間就有一個(gè)除不盡的關(guān)系。為了把時(shí)辰與刻協(xié)調(diào)起來(lái)，歷史上曾有多次改動(dòng)，直到清朝初年改為九十六刻制，這樣一個(gè)時(shí)辰就有八刻。
? ? “立桿測(cè)影”劃分一日
? ? 早在一天分為十二個(gè)時(shí)辰之前，人們就已經(jīng)用太陽(yáng)在天空中的視位置來(lái)表示時(shí)間了。但是，由于太陽(yáng)是一個(gè)光芒耀眼的天體，直接觀察它是不很方便的。
? ? 利用太陽(yáng)照射地面物體留下的影子來(lái)測(cè)量白天的時(shí)間，可以追溯到十分遙遠(yuǎn)的年代。最初，人們用的是地面的自然物體，例如樹(shù)木、房屋、土堆等的影子。直到現(xiàn)在，農(nóng)村里有些老太太，還常常根據(jù)門(mén)口射進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光的角度，決定生火做飯的時(shí)間。
? ? 把一根有固定長(zhǎng)度的桿子，立在開(kāi)闊平坦的地方，用它的影子來(lái)測(cè)量時(shí)間，這就叫“立桿測(cè)影”。
? ? 大約在公元前十五世紀(jì)，古埃及人在卡納克建造了一座二十九米高塔。高塔在太陽(yáng)神殿前的影子，可以給到這里來(lái)參拜的人們指示出正午的時(shí)間。
? ? 到公元前八世紀(jì)，古埃及人改進(jìn)了立桿測(cè)影的方法，創(chuàng)造了人類歷史上最早的“日影鐘”。這種日影鐘，是把一根橫桿安在一根縱桿上?？v桿上刻有指示小時(shí)的刻度；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(shí)辰。
? ? 立桿測(cè)影在我國(guó)也有悠久的歷史。我國(guó)古代稱直立的桿子為“表”，測(cè)量表影的尺子平放在地面，叫做“圭”或“晷”，合起來(lái)稱做“圭表”。根據(jù)史料，我國(guó)的日晷在殷周時(shí)代就已有了，至今至少已有三四千年的歷史。
? ? 日晷計(jì)時(shí)的原理是這樣：在一天中，被太陽(yáng)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(zhǎng)短在改變，早晨的影子最長(zhǎng)，隨著時(shí)間的推移，影子逐漸變短，一過(guò)中午它又重新變長(zhǎng)；第二是影子的方向在改變，因?yàn)槲覀冊(cè)诒卑肭颍绯康挠白釉谖鞣?，中午的影子在北方，傍晚的影子在東方。從原理上來(lái)說(shuō)，根據(jù)影子的長(zhǎng)度或方向都可以計(jì)時(shí)，但根據(jù)影子的方向來(lái)計(jì)時(shí)更方便一些。故通常都是以影子的方位計(jì)時(shí)。
? ? 我國(guó)日晷主要有“地平式”和“赤道式”兩種。地平式日晷底盤(pán)上的均勻刻度不能精確反映一天中的時(shí)刻，因?yàn)樘?yáng)周日視運(yùn)動(dòng)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(dòng)較快，中午移動(dòng)較慢。為了克服這一缺陷，人們把底盤(pán)放在觀測(cè)者的赤道平面里，標(biāo)桿方向與地軸平行，做成了赤道式日晷。赤道式日晷底盤(pán)的均勻刻度能夠代表一天中的精確時(shí)刻。如果你到北京故宮博物院參觀，就會(huì)看到太和殿前面漢白玉底座上立著一個(gè)日晷，它就是赤道式日晷。
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? ? ? ? ? ? ? “滴漏”計(jì)時(shí)擺脫日光依賴
? ? 日晷不僅能測(cè)量一天中的時(shí)刻，還能測(cè)定四季，在古代應(yīng)用很廣。但它有一個(gè)明顯的缺陷，就是只能在出太陽(yáng)的白天使用?？墒?，夜間和陰雨天怎么辦呢？
? ? 利用滴漏或刻漏計(jì)量時(shí)間，是古代人類想出的共同辦法。我國(guó)遠(yuǎn)在春秋以前就創(chuàng)造了刻漏，古書(shū)記載：“漏刻之作，肇于黃帝之日，宣乎夏商之代?！痹诠虐捅葌惡凸虐＜?，大約兩千多年以前也出現(xiàn)單式漏壺。他們是在每天日落時(shí)把水注入容器，水流完了，看守者就向附近居民報(bào)告時(shí)辰，然后重新灌水。
? ? 沉箭漏十分古老，也較為簡(jiǎn)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(shí)，壺中水通過(guò)流管不斷泄到壺外，箭尺便逐漸下沉，以指示時(shí)間。由于是單壺，壺中水位在滴泄過(guò)程中會(huì)逐漸下降，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，刻度越疏；越接近上端，刻度越密，這樣才能夠表示相等的時(shí)間間隔。
? ? 浮箭漏的出現(xiàn)晚于沉箭漏，而性能優(yōu)于前者。它由供水的漏壺、受水并放置箭尺的箭壺兩部分組成。使用時(shí)，漏壺的水通過(guò)流管不斷泄入箭壺，箭尺便隨箭壺水位的升高而逐漸上浮。由于箭尺不放在漏壺中，故可以采取措施來(lái)保持漏壺水位的穩(wěn)定，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，并實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷的長(zhǎng)時(shí)段計(jì)時(shí)。
? ? 多級(jí)補(bǔ)償式浮箭漏的出現(xiàn)更遲，結(jié)構(gòu)也略復(fù)雜。它的漏壺有上下兩級(jí)，當(dāng)下級(jí)漏壺向箭壺供水時(shí)，上級(jí)漏壺則為下級(jí)漏壺補(bǔ)水，從而提高了漏壺水位的穩(wěn)定度和計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確度。較高級(jí)的浮箭漏可以有數(shù)個(gè)補(bǔ)償壺，多級(jí)供水，進(jìn)一步保證流量的穩(wěn)定。
? ? 漏刻計(jì)時(shí)必須經(jīng)常與天文測(cè)時(shí)比對(duì)，以確定計(jì)時(shí)的起點(diǎn)和時(shí)間單位。漏刻計(jì)時(shí)，同天文日晷測(cè)影和恒星位置觀測(cè)相結(jié)合組成我國(guó)古代一套完整的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。漏刻在中國(guó)使用了很長(zhǎng)時(shí)期，一直到清乾隆時(shí)期西方鐘表傳入中國(guó)。
? ? 滴漏解決了夜間計(jì)時(shí)問(wèn)題，也可以從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方，應(yīng)用很普遍。但它也有很多明顯的缺點(diǎn)：壺的容量有限，需要不斷加水；水的流速與壓力有關(guān)，“滿則速，淺則遲”，增加了計(jì)時(shí)誤差。另外，水的清潔程度也影響流速，而且在冬天可能還會(huì)凍結(jié)。
? ? ? ? ? “擺”的等時(shí)性原理造就了機(jī)械鐘
? ? 歐洲人大約在13世紀(jì)發(fā)明了機(jī)械鐘。從原理上說(shuō)，水鐘是通過(guò)水從孔眼中漏出來(lái)計(jì)時(shí)，而機(jī)械鐘是由一個(gè)不斷重復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)時(shí)。早期機(jī)械鐘的鐘速取決于驅(qū)動(dòng)輪，而驅(qū)動(dòng)輪又受到動(dòng)力機(jī)構(gòu)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(duì)改進(jìn)早期機(jī)械鐘做出重大貢獻(xiàn)的，是意大利科學(xué)家伽利略。他發(fā)現(xiàn)了擺的等時(shí)性原理。關(guān)于這一點(diǎn)，有一則廣泛流傳的傳說(shuō)。
? ? 據(jù)說(shuō)，伽利略在上中學(xué)的時(shí)候，有一天去比薩教堂做禮拜。微風(fēng)吹來(lái)，使掛在天花板上的大吊燈來(lái)回?cái)[動(dòng)。伽利略注意到，鏈條一般長(zhǎng)的兩盞青銅吊燈，來(lái)回?cái)[動(dòng)的時(shí)間好像一樣長(zhǎng)。他發(fā)現(xiàn)，擺的快慢與擺錘大小和重量無(wú)關(guān)，而取決于擺的長(zhǎng)短。擺長(zhǎng)相同時(shí)，擺動(dòng)一周的時(shí)間相等。
? ? 這則傳說(shuō)來(lái)自伽利略的一個(gè)學(xué)生，也是他的傳記作者。但事實(shí)上，伽利略想到用擺控制時(shí)鐘時(shí)，他已是一位老人，而且近乎雙目失明。
? ? 伽利略直到1642年去世之前并沒(méi)有去制造一個(gè)擺鐘。倒是荷蘭科學(xué)家惠更斯利用了這個(gè)原理，在1656年制成了第一臺(tái)擺鐘。這臺(tái)擺鐘一天的準(zhǔn)確度是10秒。這是對(duì)機(jī)械鐘的一個(gè)巨大改進(jìn)。
? ? 擺的引入是計(jì)時(shí)歷史上的一個(gè)巨大進(jìn)步。單擺的擺動(dòng)不需要其它裝置驅(qū)動(dòng)，而主要靠重力驅(qū)動(dòng)，這樣就可以大大提高時(shí)鐘的精確度。
? ? 早期的擺鐘往往體型很大，有沒(méi)有可能利用擺的原理，制造出便于攜帶的鐘表？到了l902年，經(jīng)過(guò)人們的不斷努力，第一只機(jī)械手表問(wèn)世了，人類的計(jì)時(shí)工具向小型化邁出了決定性的一步。打開(kāi)手表的后蓋，我們一下就能看到里面有一個(gè)帶有像頭發(fā)絲一樣細(xì)的盤(pán)狀小彈簧的輪子，它不停地有節(jié)律地?cái)[動(dòng)著，這正是手表的心臟——游絲擺輪系統(tǒng)。我們稱它為手表的心臟，是因?yàn)槭直淼淖邥r(shí)精度主要由它來(lái)決定，它也是一種具有等時(shí)性的機(jī)械擺。
? ? ? 石英鐘、原子鐘——利用物質(zhì)內(nèi)部振蕩計(jì)時(shí)
? ? ? 直到上世紀(jì)20年代，最精確的時(shí)鐘還是依賴于鐘擺的有規(guī)則擺動(dòng)。取代它們的更為精確的時(shí)鐘是基于石英晶體有規(guī)則振動(dòng)而制造的。
? ? 石英鐘的主要部件是一個(gè)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(lái)，使它帶動(dòng)時(shí)鐘指示時(shí)間這就是石英鐘。目前，最好的石英鐘，每天的計(jì)時(shí)能準(zhǔn)到十萬(wàn)分之一秒，也就是經(jīng)過(guò)差不多270年才差1秒。但在科學(xué)發(fā)達(dá)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(shí)鐘所替代。
? ? 根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，在引力場(chǎng)內(nèi)，空間和時(shí)間都會(huì)彎曲。因此，在珠穆朗瑪峰頂部的一個(gè)時(shí)鐘，比海平面處完全相同的一個(gè)時(shí)鐘平均每天快三千萬(wàn)分之一秒。要想精確測(cè)定這樣的時(shí)間差異，唯一辦法只能是通過(guò)原子本身的微小振動(dòng)來(lái)控制計(jì)時(shí)鐘。
? ? ? 根據(jù)量子物理學(xué)的基本原理，原子是按照不同電子排列順序的能量差，來(lái)吸收或釋放電磁能量的。當(dāng)原子從一個(gè)“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時(shí)，它便會(huì)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。
? ? ? 上世紀(jì)30年代，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)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)。依靠這項(xiàng)技術(shù)，他便能夠測(cè)量出原子的自然共振頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾獎(jiǎng)。拉比很自然地想到，這些共振頻率的準(zhǔn)確性是如此之高，完全可以用來(lái)制作高精度的時(shí)鐘。
? ? 世界上第一個(gè)原子鐘是由美國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的埃森和帕里合作建造完成的，但這個(gè)鐘需要一個(gè)房間的設(shè)備，所以實(shí)用性不強(qiáng)。另一名科學(xué)家扎卡來(lái)亞斯推出了一種小型的原子鐘，可以從一個(gè)實(shí)驗(yàn)室方便地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。1954年，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。兩年后該公司生產(chǎn)出了第一個(gè)原子鐘，并在四年內(nèi)售出50個(gè)，如今用于GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的后代。
? ? 原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)的。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(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了?，F(xiàn)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(dá)到每100萬(wàn)年才誤差1秒。
? ? ? ? ? ? ? ? ? “秒”的年紀(jì)其實(shí)很年輕
? ? ? 時(shí)間是看不見(jiàn)，摸不著的。在19世紀(jì)末，天文學(xué)家只能從年的長(zhǎng)度中細(xì)分來(lái)確定秒的長(zhǎng)度。他們把秒定義為一個(gè)回歸年長(zhǎng)度的31556925.9747分之一的時(shí)間長(zhǎng)度。起始?xì)v元從1900年1月0日12時(shí)正。這是人類歷史上第一次對(duì)時(shí)間基本計(jì)量單位——秒的定義。但是，這里的秒是以一個(gè)回歸年為參照的，是把地球自轉(zhuǎn)作為一臺(tái)鐘來(lái)計(jì)量的，一個(gè)回歸年長(zhǎng)度能保證精確到什么程度呢？地球自轉(zhuǎn)的世界時(shí)是不均勻的，那么，“秒”的長(zhǎng)度是否也要變呢？可見(jiàn)用細(xì)分年的長(zhǎng)度來(lái)確定秒的標(biāo)準(zhǔn)是天文學(xué)家的無(wú)奈之舉。還有一個(gè)原因是當(dāng)時(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)是不均勻的。
? ? ? ? 20世紀(jì)中期，科技進(jìn)步使人類有了計(jì)時(shí)精確的原子鐘，于是，秒的基準(zhǔn)定義有了第二次改革。1967年的第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上確定以銫原子鐘為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。確定“秒”為時(shí)間的基本計(jì)量單位，并定義“秒”的物理標(biāo)準(zhǔn)為：在海平面零磁場(chǎng)的條件下“銫133原子兩個(gè)基態(tài)能級(jí)的轉(zhuǎn)換所經(jīng)過(guò)的9192631770個(gè)電磁波輻射周期”所需要的時(shí)間。這樣，秒的基準(zhǔn)定義就建筑在電磁波頻率的基礎(chǔ)上了。時(shí)間的長(zhǎng)河盡管悠久，但科學(xué)的時(shí)間計(jì)量的基本單位——“秒”的定義還很年輕，至今還只有40多年的歷史。
? ? ? ? ? ? ? 利用生物鐘制作“報(bào)時(shí)花鐘”
? ? 自然界中，各種生物的功能都有自己獨(dú)特的活動(dòng)周期。某些藻類的發(fā)光，植物花瓣的啟閉，雄雞的啼鳴，候鳥(niǎo)的遷徙，動(dòng)物的冬眠等等，都會(huì)定時(shí)出現(xiàn)，這就是生物的節(jié)律。
? ? ? 生物節(jié)律是法國(guó)天文學(xué)家梅朗于十八世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的。達(dá)爾文也曾關(guān)注過(guò)這一現(xiàn)象?，F(xiàn)在生物學(xué)家已經(jīng)證實(shí)，不論是植物還是動(dòng)物，其功能的周期性變化并非局部現(xiàn)象，它是一切有機(jī)體生命活動(dòng)的基本規(guī)律的反映。
? ? 按鐘點(diǎn)開(kāi)閉的花朵，曾為人類早期守時(shí)提供過(guò)方便。例如在十八世紀(jì)的歐洲，一般的公園里大都有一個(gè)自然的帶有裝飾性趣味的“報(bào)時(shí)花鐘”。園丁們把一組花盆排列成“鐘面”，每盆花的開(kāi)或閉都對(duì)應(yīng)于一個(gè)鐘點(diǎn)。游客利用這種花時(shí)鐘，就能知道大概時(shí)間。
