论日晷和脉冲星的共同点

作者：刘琼瑶（中国科学院国家授时中心）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

时间是目前测量精度最高的一个基本单位，每一个时代的计时仪器，都代表着当时最高的科技水平。今天，让我们一起坐上时光机器，穿越历史，看钟表的前世今生！

日晷：看影子，知时间

远古时期，人们对计时精度并没有多大需求，日出而作，日落而息，太阳的位置便是他们评判时间的唯一依据。

但随着人类的发展，人们对“标准时间”的需求逐渐显现。充满智慧的古人在“日出而作，日落而息”的计时方法上加以改进，依据“不同的时刻，太阳所处的位置不同，物体投射在地面上的影子方向和长短也不同”的这一原理，发明了初具现代钟表雏形的日晷。

日晷的功能十分强大，不仅可以判断时间，还可以判断月份和节气。

环式日晷

不过日晷的缺点也显而易见，只能在看得见太阳的时候使用，在阴天或者夜晚的时候，就无法通过日晷来判定时间。

然而，古人的智慧总是无穷的~~~火钟和流体钟应运而生。

火钟&流体钟：古老的定时器

火钟和流体钟只能测量时间间隔，但可以通过天文测时的方法确定开始计时的起点，结合火钟和流体钟的测量结果，则可以得知当时的具体时间。

火钟

忽略风速等环境影响，同一种燃料燃烧的速度是均匀的。火钟正是根据这一原理发明的。

古时官方使用的火钟通常为“定时蜡”：在蜡烛上刻上均匀的刻度，随着蜡烛的燃烧，就可以测定时间的长短。

定时蜡

影视作品中出现的“一炷香”、“一袋烟”的时间实质上就是火钟。

影视作品中出现的火钟

在这里要为大家介绍一下很有趣的古代闹钟——龙盘香钟。在一个类似“龙舟”的物品上放置着一炷香，香上悬挂着几根带着铃铛的细线，随着香的燃烧，到细线的位置时，会把线烧断，使铃铛掉落在龙舟下方放置着的铜盘上，从而发出清脆的响声，告诉大家时间。可以挪动细线的位置从而改变“叫醒”人们的时间，这大概是人类历史上最简单的闹钟了。

龙盘香钟

流体钟

我国古代主要使用的流体钟是“漏刻”。漏刻由“漏”和“刻”组成，漏是指在盛水的壶上有一个小孔，水会一滴一滴的从水中流出；刻就是指浮在水面上的刻度尺，随着水面的下降，刻度尺逐渐下降，可以指示时间。最常使用的漏刻是“一刻之漏”，我国古代很早就将一昼夜分为一百刻，其中一刻就是指滴完一壶水的时间。

多级漏刻

但是漏刻有一个很明显的缺点：随着水的流失，水位下降，水压就会减小，水滴下去的速度就会随着减小，这样“刻”指示的时间就不准确了。于是就有了多级漏刻。多级漏刻，只要保持最后一级水壶的水面基本不变，这样水就可以均匀的滴入到装着刻度尺的壶里，刻度尺缓慢上升，就可以准确的指示时间了。

漏刻应用最多的场合就是古代军事活动，但如果作战时天寒地冻，水易结冰，漏刻就无法使用，沙漏钟便应运而生。

沙漏的制造原理与漏刻类似，它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的周期现象来计量时间，由于摆脱了水压的限制，沙漏比漏刻要精确很多。最著名的沙漏当属元朝詹希元发明的“五轮沙漏”，其在漏斗中装满沙子，沙子流出推动轮子旋转，最后一个轮子有指针，可以指示时辰。该沙漏脱离了辅助的天文仪器，已经独立成为一种机械性的时钟结构。

五轮沙漏

机械钟：与古代中国失之交臂

在机械钟的发展史上，让人最扼腕叹息的应该是中国。早在北宋时期，苏颂发明的水运仪象台中就用到了机械钟的核心——擒纵机构。然而，当时并没有引起朝廷的重视，其发明者苏颂也没有传下详细资料，这使得我国白白丧失了一次机械钟发展的机会。

欧洲的机械钟诞生于13世纪，比我国的水运仪象台晚了整整三个世纪，依据的是“单摆的等时性（单摆摆动的摆角小于5度时，摆长固定，则其摆动周期一定）”原理。最早传入我国是在明朝万历年间，献给万历皇帝后，他极为欣赏，几乎日日观赏，夜夜抚摸。于是，马上发布召令，成立专门制作机械钟的宫廷造办作坊，专供他和皇亲国戚及心腹大臣使用。

摆钟的工作原理

现代钟表：你用过几个

电子表

20世纪，人们发现了电磁振荡现象，并以此为基础发明了电子表！

第一代电子表利用磁场推动机械钟走时，电池给振荡器提供能量使其发生并维持振荡，振荡器磁场的周期性变化作用于摆轮上的永久磁铁，推动摆轮来回摆动，带动指针转动，以此指示时间。每天的误差约为15s；

第二代电子表增加了音叉进行稳频，使整个振荡系统的振荡频率取决于音叉的振荡频率，将误差降为了每天在5s以内；

第三代电子表使用石英晶体进行稳频，产生非常稳定的32768Hz频率信号，通过集成电路变换成每秒振荡一次的信号，进一步提高了计时精度；

第四代电子表，机械结构已经减少到最小程度，用集成电路代替齿轮，代替指针的是发光二极管或者其它显示元件，每天的误差不到0.1s！

第四代电子表结构

电波钟

电波钟被称为新一代智能钟表，其工作原理是：在石英钟表内部放置了一台接收机，可以接收由中国科学院国家授时中心位于河南商丘发射台发出的标准时间信号，从而进行自动校准，精度可以达到亚毫秒量级。

各式各样的电波钟

原子钟

原子钟应该算是目前计时精度最高的测量仪器了，其工作原理就是利用原子的振荡频率来计时。各个国家标准时间的维持依靠的就是原子钟组（多台原子钟），常用的原子钟有氢钟、銣钟、铯钟、锶光钟等。原子钟的精度很高，推算每2000万年可能才慢一秒。频率稳定度最高的是锶光钟，它的准确度相当于1.38亿年都不差一秒，目前科学家们还在继续研究进一步提升其准确度的方法。

守时铯原子钟

脉冲星计时！

脉冲星计时是近两年比较热门的研究话题。脉冲星，诞生于超新星爆作，是处于快速自转状态的中子星。现在己知约2600颗脉冲星，几乎全部位于我们的银河系里面。它们像灯塔一样，发射出的光束周期性地扫过地球，而且周期相当稳定，利用脉冲星的这一特性，可以建立高精度的时空参考架，有可能会比原子钟的长期稳定度还要好！

脉冲星

期待脉冲星计时早日从研究走向应用，将时间的测量提升又一个台阶！