從日晷到原子鐘看時(shí)間是如何改變世界的

日晷

最初，人類通過觀察大自然來實(shí)現(xiàn)對時(shí)間的把握，通過太陽升落區(qū)分白天和黑夜。后來，人們對時(shí)間的準(zhǔn)確性提出了一定的要求，開始制作簡單的計(jì)時(shí)儀器。由于地球自轉(zhuǎn)，太陽每天東升西落，一天內(nèi)物體的影子長度和方向也隨之變化。人們根據(jù)這一現(xiàn)象，發(fā)明了日晷。

日晷通常由銅制的指針和石制的圓盤組成，銅制的指針叫作“晷針”，垂直穿過圓盤中心，石制的圓盤叫作“晷面”，晷面有刻度，分為子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二時(shí)辰。日晷不但能顯示一天之內(nèi)的時(shí)刻，還能顯示節(jié)氣變化和月份輪轉(zhuǎn)，這是由于地球傾斜著身子繞太陽公轉(zhuǎn)，引起了影子的變化。

火鐘

然而，日晷只能在陽光充足的地方使用，并不適用于陰天和晚上。聰明的祖先又想出了新的計(jì)時(shí)方法。跳動(dòng)的火苗給了他們啟示：一定數(shù)量的同一種燃料，燃燒的時(shí)間大致相同。據(jù)此，人們發(fā)明了火鐘。古人常說的“一炷香”的時(shí)間，就是利用燃料的燃燒速度來計(jì)時(shí)的。

水鐘

燃燒的火能計(jì)時(shí)，那流動(dòng)的水呢？也能！水鐘就是。水鐘在中國又叫作“刻漏”，最初分兩種：一種是利用特殊容器記錄水漏完的時(shí)間（泄水型）；另一種是底部不開口的容器，記錄它用多少時(shí)間把水裝滿（受水型）。單層滴漏會(huì)因?yàn)樗鞒龊髩簭?qiáng)變小，導(dǎo)致流速不均勻，所以古人常采用多層滴漏，讓水一層層滴下，保證滴水壺的水位處于滿盈狀態(tài)，從而提高計(jì)時(shí)的精度。

水鐘的發(fā)明使人類計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確度大大提高，但天氣寒冷時(shí)，水的黏度易發(fā)生改變，甚至凝結(jié)成冰，從而影響計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。

機(jī)械鐘

火鐘、水鐘等除了計(jì)時(shí)不夠精準(zhǔn)，還不宜用于長時(shí)間的連續(xù)計(jì)時(shí)。為了真正擺脫自然現(xiàn)象的限制，精確地掌握時(shí)間，人們在鐘表中引入機(jī)械結(jié)構(gòu)。

機(jī)械鐘最早出現(xiàn)在13世紀(jì)的歐洲，機(jī)械鐘表一般由原動(dòng)系、傳動(dòng)系、擒縱調(diào)速系（擒縱機(jī)構(gòu)和調(diào)速系統(tǒng)）、上條撥針系和指針系組成。常見的機(jī)械鐘有擺鐘，它的原理是通過單擺的擺動(dòng)周期計(jì)時(shí)。擺長相同時(shí)，鐘擺擺動(dòng)一次的時(shí)間是相同的，與擺的質(zhì)量和擺幅無關(guān)，受外界干擾較小。擺鐘利用一個(gè)重錘提供驅(qū)動(dòng)力，重錘擺動(dòng)時(shí)，通過擒縱機(jī)構(gòu)控制齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過齒輪帶動(dòng)指針運(yùn)動(dòng)。

擺鐘不利于攜帶，后來人們進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明了懷表、手表等。這些機(jī)械計(jì)時(shí)工具的出現(xiàn)，使人類的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度達(dá)到了“秒”。

石英鐘

最早的石英鐘出現(xiàn)在1929年，在1970年前后進(jìn)入市場，現(xiàn)在石英鐘已經(jīng)走進(jìn)了千家萬戶。石英鐘的內(nèi)部有一個(gè)銀白色的圓柱體，這就是石英鐘的主要部件——石英晶體振蕩器。石英晶體具有壓電效應(yīng)，給石英晶體施加電壓就能使它產(chǎn)生振動(dòng)和形變，而這個(gè)形變又能反過來產(chǎn)生交變電場。將石英晶體振蕩器的振蕩頻率提取出來，就能使它帶動(dòng)鐘表指示時(shí)間。最好的石英鐘每天的計(jì)時(shí)能準(zhǔn)確到十萬分之一秒，即工作差不多270年才誤差1秒，已能完全滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰５诳蒲蓄I(lǐng)域，這種石英鐘已被更加精確的原子鐘替代。

原子鐘

量子力學(xué)的發(fā)展，為更精確的時(shí)間測量提供了條件。根據(jù)原子躍遷時(shí)釋放的電磁波共振頻率的一致性，可以定義小得多的時(shí)間間隔。這種利用了原子穩(wěn)定能級(jí)之間躍遷的計(jì)時(shí)工具就被稱為“原子鐘”。

1952年，美國制成了第一臺(tái)銫原子鐘。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“心臟”就是我國自主研發(fā)的星載銣原子鐘，直接決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。此外，我國空間站的“夢天”實(shí)驗(yàn)艙搭載了世界上第一套空間冷原子鐘組，這也是太空中最精準(zhǔn)的時(shí)間頻率系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)十億年只誤差1秒。

時(shí)鐘，是人類為了測量時(shí)間而發(fā)明的一種工具，是人類智慧的結(jié)晶，也是人類進(jìn)步的動(dòng)力，更是人類文明的一個(gè)縮影。時(shí)鐘的進(jìn)化簡史，就是人類和時(shí)間的不斷博弈與和解的故事。