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时间,你从哪里来

2016-05-14

发明与创新·中学生 2016年7期
关键词:原子钟计时圆盘

如果没有计时,我们也就没有时间观念。早在文明诞生之初,人类便开始通过对时间的计量来描述万事万物的变化,并由此诞生了一系列精度越来越高的计时器具。

时间的计量

细数计时器具的发展,最古老的要属太阳钟(圭表、日晷等)。有据可查的太阳钟始于公元前两千多年的尧帝时期。《周礼·地官·大司徒》中有“以土圭之法测土深,正日景(影),以求地中”的描述,《春官·典瑞》中也提到了“土圭以致四时日月,封国则以土地”。

圭表是一种结构最简单的测量日影长度的古老仪器,由一根直立在平地上的标竿(表)和一把正南北方向的尺(圭)两部分相互垂直组成。根据正午时测量的表影长度可以推定二十四节气,从表影长短的周期性变化可以确定一年的天数。每当太阳转到正南方向时,表影就落在圭面上。量出表影的长度,就可以推算出冬至、夏至等各节气的时刻(如表影最长时为冬至,最短时为夏至)。

日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。指针又叫晷针,垂直穿过圆盘中心,起着圭表中标竿的作用,因此晷针又叫表。石制的圆盘叫晷面,安放在石台上,南高北低。晷面两面都有刻度,分子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二个时辰,每个时辰又等分为“时初”、“时正”,这便是一日24小时。

之后出现的水钟和沙钟都属于流体钟,通过测量流体在特定方式下流动所需的时间来表示固定的时间间隔,这类不依赖于天文现象的“漏刻”计时仪器至少有4000年的历史了。

为更准确地记录时刻,十三世纪的欧洲修道院中出现了机械钟。明朝万历年间,机械钟传入中国,万历皇帝极为喜爱,还成立了制作机械钟的宫廷造办作坊,专供自己、皇亲国戚及心腹大臣使用。

提高时间计量精度的意义

随着社会的不断发展,对时钟精度的要求越来越高,于是石英钟、原子钟等应运而生。原子钟利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波计时,由于这种辐射电磁波的周期极其稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,以致原子钟的计时非常准确(每100万年才误差1秒)。

最初且最常用于原子钟研制的元素有铯、铷等碱金属,1967年,铯原子钟被用来进行“秒”定义,即我们通常所说的国际原子时。直到现在,“秒”定义仍由铯原子喷泉钟保持。

上世纪五十年代,美、日等国家开始陆续建立本国的标准时间及授时系统。

我国的标准时间是“北京时间”。由于地域辽阔,东西相跨五个时区(首都北京处于国际时区划分中的东八区),而授时台又必须建在我国中心地带,于是“北京时间”的发布不在北京,而是由位于陕西的中国科学院国家授时中心发播。

日常生活中,1秒的时间非常短暂,时间精确到1秒好像已经足够了。可在某些领域,用秒计量时间仍不够准确。例如,在体育赛事中,运动员的比赛成绩需要精确到0.01秒,汽车、飞机的发动机每分钟转动数千周,为改变发动机的频率,提高其运行的速度,时间测量也要精确到0.01秒。

对于科研活动,随着时间计量精度的提高,人们可以更深入地探索自然规律,推动基础科学研究的进步。如里德堡常数的测量、引力波探测等,都是检验物理学基本理论的重要方法。

此外,人们还能通过将其他物理量的测量转换为时间频率的测量,间接实现对其他物理量测量精度的提高,目前已经完成了长度、电流、电压、发光强度和温度等物理量单位的定义或测量的转换。

对于普通人来说,时间计量精度的提高最明显的意义或许是能让大家更好地了解“一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴”的含义。(据搜狐网、科通社)

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