时间简史

作者: Cloudiiink

来源: 中科院物理所

发布日期: 2018-12-16 13:10:48

本文探讨了时间的概念及其在日常生活中的重要性,详细介绍了日晷、机械表、电子表和原子钟等计时工具的工作原理和历史发展,展示了人类在追求精确计时方面的努力和成就。

今天,我想跟你聊聊时间。如果要在我们生活中找出个最为重要的物理量的话,很多人会选择「时间」。当然这个选择并不会觉得意外,比如中国人互相打招呼最百试不爽的一句话,「你饭吃了吗」不管上一句的回答是啥,下一句都可以是「啥时候吃」。而且这从七大基本单位就可见一斑,时间,长度,质量,温度,电流,物质的量和发光强度,怎么说排在第一个总要厉害一点是吧,大概。不过确实,准确地记录时间,是一件非常重要的事情。

如果要说最方便的记录时间的工具,那肯定是天上的星星啦。所谓脚踏实地,仰望星空,这句话并不是一句空话。白天时抬头看太阳的高度和方位,就可以确认当地的时间;入夜时分月亮升起,通过月相的阴晴圆缺的变化,人们可以得到更大的时间单位进行计量,安排农耕。每天白天都抬头看太阳的位置,虽然很方便,但其实并不准确。勤劳勇敢而又充满智慧的劳动人民就发明了日晷。它是一种由视太阳位置告知每天时间的装置。

这里要划一下重点,你每天看到的太阳位置,也就是视太阳位置的变化不仅仅来自于地球的自转,还有地球公转的影响。

回到日晷的问题上,狭义而言,它包含一个平面(盘面)和将影子投影在平面上以指示时间的晷影器组成。在太阳移动的整个过程中,晷针,也就是在晷影器上指示时间的边缘线,阴影边缘会与不同的时间线对齐,显示出当时的时刻。实际上,经由晷针上的节点,还可以提示日期。

晷影器可以是一根棒子,也可以是一根金属线,甚至是任何可以产生影子的物体。晷针必须平行于地球的自转轴,才能整年都提供正确的时间。通过简单的几何学计算我们可以知道,晷针与地平面的夹角就是其所在位置的地理纬度。

当然,并没有人规定盘面一定要是水平的。假如根据上面对晷针与地平面夹角的要求,在赤道附近的日晷的晷针都快要和地面平行了,这时候再选择平面作为盘面就不太合适,圆筒形的才更符合实际使用。其实这东西也能做成小型化,被用来当做日常生活中的计时工具随身携带。比如下面这个银质日晷。或许在哪个人类科技树点歪了的平行宇宙里,人们出门要看时间的时候,就掏出口袋里的迷你日晷,对准方位看影子在哪里。

关于机械计时的历史,应该要从伽利略学医时发现的单摆的等时性开始说起。当时他注意到了摇摆的吊灯在风的推动下尽管划出大小不一的轨迹,但与自己脉搏做出对比后,发现它们的周期都是相同的。而这一发现也给人们提供了新的计时的工具。利用单摆的等时性制成了摆钟,用于计时。第一个利用单摆的等时性制造钟表的是惠更斯。因为单摆的原理简单,制作的装置稳定性高,在很长一段时间里,单摆被认为是世界上最精确的计时装置之一。

人们甚至利用单摆来测量重力加速度的大小——已知了单摆的运动周期和摆长,我们就可以反推当地的重力加速度。

不得不承认,在电子时代带来之前,机械表确实是当时人类掌握的最为精密的计时工具了。不过在晶体振荡器发明之后,时钟的机械时代悄然落下帷幕,而电子时代则正式登上舞台。给石英晶体加额定的电压后,经过压电效应即可输出某一固定频率,通过分频电路产生周期为秒的信号,经过人为设定当前时刻后,以时、分、秒组合指针或数码管、液晶显示在屏幕上。

要说最强的时钟?那肯定要数定义1s的时钟。自1967年以来,国际单位制(SI)中秒的定义为铯-133原子的基态的两个能级之间的跃迁辐射出电磁波周期的9192631770倍。不过很多人不知道,1997年,国际度量衡委员会(CIPM)在这前面加了一条限定条件,「前面的定义是指在绝对零度的温度下静止的铯原子铯-133」。经过这样的修改,秒的定义就变得更为严谨。使用铯原子钟计时,其误差约为一亿年偏离一秒。

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