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时间测量的发展历史

作者|吴霞辉

审核|黄    坚

编辑|席宇博

时间测量的发展历史

本文约1500字,阅读约需4分钟

时间测量的发展历史

古代,人们仰望天空来判断时间,“年”的概念来自四季轮回,“月”的概念来自月相的盈亏,“日”的概念来自昼夜的交替,这就产生了粗略的时间计量。今天小星给大家介绍几种更精确的时间测量方法。

时间测量的发展历史

日月交替表示时间(图片来源于网络)

 

日晷是我国古代利用日影变化来测量时间计时仪器。通常由铜制的指针和石制的圆盘组成,铜制的指针叫做“晷针”, 石制的圆盘叫做“晷面”,晷面上刻有时间。当太阳移动时,影子的方向会发生变化,在圆盘上所指示的时间也随之变化。

时间测量的发展历史

赤道式日晷(图片来源于网络)

 

由于日影的变化与地点和季节有关,阴天和夜晚也不能显示时间,所以人们又发明了其他测量时间方法。漏壶的历史可以追溯到夏商时期,即用一个壶装满水,壶底开一个小孔,利用孔口流水使铜壶的水位变化来计算时间。我国发明的铜壶滴漏比外国制作的滴水计时器要早的多,应用也更普遍,成为历代计时的重要工具。

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组合漏壶(图片来源于网络)

 

后人在漏壶的基础上发明了沙漏,通过流沙来指示时间。在宋代,人们一度采用香烛燃烧的时间来计时,也就是常说的“一柱香”的时间概念。圭表是一种既简单又重要的测天仪器,它由表(一般高八尺)和圭组成,表是一根垂直立于地面的杆或柱;圭是地面一根垂直于立杆或立柱的水平标尺,指向正北。利用立竿见影的原理来测量日影长度。圭表主要功能是测定冬至日,从而确定回归年长度。此外,通过观测表影的变化可确定方向和节气。

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圭表(图片来源于网络)

 

漏壶,沙漏,日影这些测量方法都存在着很大的误差,所以人们一直试图找到更精确的计时方法。十六世纪末,天文学家伽利略发现了摆的等时性,十七世纪中期,惠更斯受到启发,利用摆的等时性发明了摆钟。惠更斯在后续的研究中发现摆的等时性并不严格,虽然摆钟的问世为时间测量史带来了空前的繁荣,但是摆钟的精确度依旧不够高。

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摆钟(图片来源于网络)

 

石英钟是基于放置在电子振荡器中的石英晶体的压电效应这一特殊性质发明的,利用这种性质,人们可以让适当频率的电场与适当形状的石英晶体发生共振,然后用共振的频率来度量时间。石英钟消除了摆钟复杂的齿轮系统,减少了摩擦,精度远远高于摆钟。目前,最好的石英钟每天的计时可以准确到十万分之一秒,也就是说大概经过270万年才差一秒。我们现在所用的钟表大部分都是石英钟。

 

石英钟的误差对日常生活几乎没有影响,但在要求很高的生产、科研中需要更为精确的计时工具。目前世界上最精确的计时工具就是原子钟,它以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确。原子钟是世界上已知最准确的时间测量和频率标准,也是国际时间和频率转换的基准,用来控制电视广播和全球定位系统卫星的讯号,原子钟于二十世纪五十年代问世,利用原子吸收或释放能量时发射出的电磁波来计时,最好的原子钟是以原子喷泉中冷原子的吸收光谱法作为基础的。这种电磁波十分稳定,所以原子钟的计时非常准确。原子钟常用的有氢原子钟,铯原子钟,铷原子钟等。

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铯原子钟NIST-F1(图片来源于网络)

 

 

参考资料:

1.计时工具的历史,维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A8%88%E6%99%82%E5%B7%A5%E5%85%B7%E7%9A%84%E6%AD%B7%E5%8F%B2

2.卢昌海.从日晷到原子钟——时间计量发展史.百科知识,2011(24):12-15.

3.圭表,维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%AD%E8%A1%A8

4.原子钟,维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E5%AD%90%E9%90%98#/media/File:Atomic_clocks.jpg

 

 

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原文始发于微信公众号(星明天文台):时间测量的发展历史

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