日晷的工作原理图解(从最早的日晷到原子钟，人类关于时间计时的发展史)

Posted 2023-05-28

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日晷的工作原理图解(从最早的日晷到原子钟，人类关于时间计时的发展史)

格林尼治标准时间（GMT）作为一种通用时间参考标准，已经使用了120多年。

现在，由于地球自转速度的减慢，格林尼治标准时间可能有一些误差。因此，科学家们正在讨论用基于原子振荡周期的“原子时”取代基于地球自转的“世界时”。从古人最初尝试用日晷测量时间，到原子钟精度记录达到“17亿年仅1秒”（2009年记录）的先进设备，人类一直在为精确测量时间而奋斗。然而，一个人的生活中几乎没有任何活动需要精确到少于几秒的时间。那么，这样精确的时钟能工作吗？我们来谈谈时间测量之类的话题。

日晷、水钟与沙漏

作为时间测量这个话题的先行者，我们首先应该谈谈时间概念本身的起源，虽然这不是一件容易验证的事情。人们普遍认为，自然界中的周期现象是启发人们产生时间概念的原因之一。例如，“年”的概念来源于四季循环，“月”的概念来源于月相盈亏，“日”的概念来源于昼夜交替，构成了一个粗略的时间尺度。

然而，根据日常经验，要找到一个比“天”短、足够可靠的周期运动并不容易，因此需要人工方法来测量较短的时间。我们聪明的祖先发明了钟。最早的钟出现在五六千年前。它利用太阳阴影的变化来标记时间。这叫日晷。

但是，日影的变化与地点和季节有关，在多云的白天和夜晚将不再存在。我们该怎么办？所以古人又发明了水钟。它用稳定的水流来标记时间，出现在三四千年前。但是水钟也有缺点，就是不能在太冷的气候下使用，那我该怎么办呢？人们又发明了沙漏。

在中国宋代，人们也用烧香的蜡烛来祭祀。武侠小说中经常提到的“一炷香”概念，估计就是由此而来的。

此外，人们的脉搏也曾被用作粗略的计时依据，但脉搏的频率不仅因人而异，而且受情绪、运动、健康等因素的影响甚至对同一个人来说也是如此，所以效用相当有限。

摆钟的辉煌时代

水钟、沙漏和香烛的燃烧都试图使用统一的物理过程来计时。不幸的是，那些被认为是统一的过程实际上并不统一，每天至少有10分钟的误差。这些粗糙的时钟伴随着人类社会走过漫长的中世纪，进入了文艺复兴时期。此后，随着海上贸易的兴起，时钟成为船舶定位的工具。在船舶定位中，纬度可以通过观测太阳或北极星的角度来确定，而经纬度则需要时钟的帮助。

航海时代，荷兰科学家惠更斯于1656年发明了一种新的钟——钟摆钟。

半个多世纪前，伽利略发现了摆的等时性，即摆的周期与其振幅无关，这实际上是摆钟的原理。伽利略自己就利用这一原理设计了一个钟摆钟，但未能付诸实践。惠更斯在研究中注意到伽利略发现的摆的等时性并不严格，严格的等时性需要摆线。

钟摆钟的出现给钟族带来了前所未有的繁荣，但钟的精度仍然不高。此后，半个世纪后，一场严重的沉船事故终于把钟的精度推到了最前线。这是1707年10月的一个晚上，英国肖恩海军上将率领的舰队由于定位错误，在英格兰西南部的西里岛附近触礁。英国皇家海军最好的四艘军舰沉没，大约2000名官兵被埋在海底。

这消息震惊了英国。在军方和商界的再三催促下，英国议会于1714年悬赏一个时钟，可以将船只的定位精度提高到20海里。在靠近英国的纬度，相当于整个航程的时间误差不超过2分钟。最终，英国钟表制造商哈里森（Harrison）赢得了这项奖励，他在1761年冬天的一次海试中设计了一款81天5秒的钟表。1773年，哈里森80岁时，这个奖励终于实现了。以今天的货币计算，这个奖项的价值约为200万美元，超过了诺贝尔奖的奖金。

此后，人们不断提高摆的精度。1921年，英国铁路工程师肖特制作的钟摆钟创下了每年只有一秒的新纪录，被一些天文站视为标准钟。但这是摆钟最后的荣耀，因为仅仅六年后，新一代的石英钟在美国贝尔实验室问世。

石英钟的横空出世

石英钟利用石英晶体的一种特殊特性，称为压电效应。利用这一特性，人们可以使适当频率的电场与适当形状的石英晶体发生共振，然后利用共振频率测量时间。石英钟的出现，消除了过于复杂的齿轮系统给摆钟带来的磨损和阻尼，其精度很快就超过了摆钟。

除了高精度外，石英钟还有一个很大的优点，那就是它可以测量非常小的时间间隔。如前所述，人们发明钟表的原因是不容易发现比“月”短的自然周期运动，因此不可能测量比“日”短的时间。摆钟也存在这个问题，但程度不同，因为摆钟的周期通常在秒的量级上，所以不可能测量到比秒短的时间。但是石英钟的振动周期只有几万甚至几千万秒，所以它可以测量很小的时间间隔。1932年，科学家利用石英钟研究地球自转，发现我们居住的巨型太空陀螺仪有轻微的“震动”——地球自转周期有非常小的短期变化。

石英钟虽然具有突出的优点，但也有一个致命的缺点，即其精度会随着石英晶体的老化而下降。即使是最好的石英钟，误差也是千年一秒，使用时间越长，误差就越大。幸运的是，就在石英钟问世20多年后，一种新的时钟出现在了历史的舞台上，那就是原子钟，它是1955年由英国科学家首次研制出来的。

原子钟的霸主地位

顾名思义，原子钟依赖于微观世界中的周期现象（特别是跃迁辐射中的周期现象），这是自然界中最完美、最纯粹的周期现象。它不损耗，不老化，振动周期比石英晶体短，所以原子钟的精度远高于以往任何一种钟，而且还可以测量更精细的时间间隔。

英国科学家最早研制的原子钟是转原子钟。铯在早期原子钟的生产中发挥了重要作用，由于其超精细能距大，在微波波段的跃迁辐射相对容易测定，而且它只有一种稳定的同位素，避免了提纯的麻烦。此外，应该提到的是，美国和国家标准计量研究所于1949年研制的氨分子钟有时被称为第一原子钟。

原子钟的出现不仅改变了时间测量，也改变了空间测量。1967年，人们将“秒”的定义从最初的天文定义改为原子钟的定义，即1秒等于“铯-133原子基态两个超精细能级跃迁对应的9192631770个辐射周期的持续时间”；1983年，人们进一步联系起来“米”与“秒”的定义，即一米等于“真空中的光1/299792458秒”。在人类计量史上，这是一个引人注目的结果，因为传统上人们用空间距离（如日晷和时钟的刻度）来标记时间，但现在空间计量依赖于时间计量。

原子钟在诞生之初，其精度仅为每300年一秒。经过半个多世纪的发展，其精度提高了几百万倍，而且还在不断提高。同时，原子钟的种类也增加了。工作物质已从镉和梗原子扩展到钙、U甚至汞。2009年，美国国家标准与计量研究所（NIST）的科学家研制出一种原子钟，其精度记录仅比每17亿年减少1秒。原子钟是以汞离子为基础的。它的工作波段在光学波段（传统的椭原子钟在微波波段），所以又称光学钟。光学钟的振动周期比带原子钟短，所以除了精度更高外，可以测量的时间间隔也更精细。

精确计量时间的意义

虽然时钟越精确越好，但世界上很多东西都有度，一旦过了，就会变成浪费，所以有一个问题我们在本文开头问过：这样精确的时钟有用吗？

答案是肯定的，答案首先来自科学研究。我们可以举很多例子，比如爱因斯坦的相对论告诉我们，在运动的参照系和引力场中，时间的流逝都会减慢。

这是一个很好的结论，但是我们如何测试它呢？最直接的方法之一是把时钟带到飞机上，让它移动，改变它在地球引力场中的位置，看看它的行走速度是否改变。这个想法很简单，但并不容易做到，因为对于相对论来说，飞机太慢，地球的引力场太弱，相对论效应只有1万亿左右。我该怎么办？科学家们想到了原子钟。1971年，几颗原子钟被带上飞机，在世界各地旅行。通过实验验证了相对论的时滞效应。

当然，当时原子钟的精度没有现在高。如果用比每17亿年少1秒的时钟来验证同样的效果，不仅可以大大提高实验的精度，而且可以检测出普通住宅楼上下两层之间的时差。我们会发现，如果其他条件相同，一个人在楼下比在楼上多活一百万分之一秒，在平原比在高地多活一百万分之一秒，尽管这一次与一个人的生活相比是非常小的。

不同于一般情况下的相对论效应，自然界中仍然存在一些现象。它们不仅不微妙，而且规模惊人。例如，一种叫做类星体的天体，在20世纪50年代末被发现，它所释放的能量比整个星系要多得多。它们离地球非常遥远，通常距离地球数十亿光年，因此当它到达我们这里时，那里的信息变得非常微弱。

对于这样一个遥远的物体，普通的望远镜已经无能为力，于是天文学家们建造了一个巨大的射电干涉仪，它包含了一个长达数百公里的巨大天线阵列，正是原子钟使这些天线在时间上保持同步。从某种意义上说，通过研究细微的物理效应或遥远的星光来探索自然奥秘的科学家就像福尔摩斯，他们从留下的线索中推断出真相。对他们来说，原子钟和放大镜一样不可或缺。

原子钟不仅是象牙塔中的瑰宝，而且渗透到我们的日常生活中。其中一个最好的例子是全球定位系统（GPS），它为人们提供汽车、船只、飞机甚至个人（如登山者）的定位支持。这个系统的原理很简单。它是通过定位仪器与空间中的几个定位卫星之间的无线电波来确定它们之间的距离，然后确定它们在地球表面的位置。最重要的一点是准确测量接收和发射电波的时间，因为只有准确测量时间，才能计算出准确的距离和位置，但由于无线电波的速度高达每秒30万公里，即使测量的传输时间只有百万分之一秒的误差，也会导致数百米甚至更大的定位误差。因此，GPS的关键是精确定时，而能够胜任这一任务的是原子钟。

除了全球定位系统，我们日常生活中使用的其他技术，如全球电信网络，都离不开原子钟的帮助。而且，历史上的许多技术发展都是由科学研究成果转化而来的，所以归根结底，原子钟在科学研究中的应用也是一种技术潜力，今天的科学可能就是明天的技术。正因为如此，尽管原子钟已经达到了惊人的精度，但科学家对此并不满意。他们仍在开发更精确的时钟。即使时钟从大爆炸开始运行，今天的误差也不会超过一秒钟。科学家们希望精密度将有助于一系列更为复杂的科学研究，例如测试自然常数是否随时间而变化。人们对科学技术的追求是无穷无尽的。它是人类社会不断发展的重要动力。