1、时间的测量参考资料人类计时仪器的发展史 人类的日常生活、科研、导航及测绘等等工作都离不开时间。时间的计量涉及两个量:历元和时间间隔。任何具有周期性变化的自然现象都可以用来测量时间。人类从以地球自转为基准来计量时间发展到机械钟、石英钟、乃至原子钟，经历了约3500年的发展变化进程。 在公元前1500年，出现的日暑是人类最古老的计时工具。埃及人首先开始使用这项技术，然后在整个地中海地区普及开来。日暑是以太阳投向刻度盘的阴影为基础的，通常由铜制的指针(暑针)和石制的圆盘(暑面)组成。当太阳光照在日暑上时，暑针的影子就会投向暑面，太阳由东向西移动时，投向暑面的暑针影子也会慢慢地由西向东移动。于是，移动
2、着的暑针影子好像是现代钟表的指针，暑面则是钟表的表面，以此来显示时刻。 在公元前1400年，出现的漏壶(沙漏或者滴漏)是第一个摆脱天文现象的计时仪器。它是根据流沙从一个容器滴漏到另一个容器的数量来计量时间的。古代人设计的“五轮沙漏”通过流沙从漏斗形的沙池流到初轮边上的沙斗里，以此来驱动初轮，从而带动各级机械齿轮的依次旋转。最后一级齿轮带动在水平面上旋转的中轮，中轮的轴心上有一根指针，指针则在一个有刻线的仪器圆盘上转动，以此来显示时刻，这种古老的显示方法几乎与现代时钟的表面结构完全相同。 在公元1088年，中国宋朝的机械师苏颂发明的“水运仪象台”(水钟)被认为是第一架真正的机械钟。它是集观测天象
3、的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，它实际上就是一座小型的天文台。这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。 1400年，第一批机械钟开始在欧洲流行，其始祖由意大利人乔瓦尼唐迪于1364年制成，他首次在机械钟里引人了轮式钟摆。 1511年，荷铸人彼得亨莱茵制成了第一块怀表，但它只有时针而没有分针和秒针。J环表和钟的结构其实是完全一样的，所不同的是它利用螺旋弹簧制成的发条驱动，从而摆脱了传统的钟摆，它靠小巧的“体形”，轻松进人人们的口袋。 1656年，有摆的挂钟(或座钟)产生于荷铸天文学家、物理学家克里斯蒂安惠更斯
4、的实验室内。它是以伽利略发现的摆的摆动具有规则性这个原理为基础而发明的。自此以后人类掌握了比较精确的测量时间的方法。 1969年，由瑞士人创意、日本精工企业制作的第一块石英手表一Seiko Ostron诞生，其价格在当时相当于一部汽车。石英手表的发明是基于科学家们发现处于电路之中的石英晶体能产生频率稳定的振动以及可以通过特殊的切割方式来控制石英晶体振动的频率。日暑 日暑又称旧规”，是我国古代利用日影测量时刻的一种计时仪器。通常由铜制的指针(暑针)和石制的圆盘(暑面)组成，在暑面的正反两面刻划出12个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日暑上时，暑针的影子就会投向暑面。太阳由东向西移动时，投
5、向暑面的暑针影子也会慢慢地由西向东移动。移动着的暑针影子就好像是现代钟表的指针，暑面也就好比是钟表的表面，以此来显示时刻。 日暑依暑面所放位置的不同，可分成地平日暑(暑面水平放置而暑针指向北极，其暑面和暑针夹角就是当地的地理纬度)、赤道日暑(暑针平行地球自转轴而暑面呈现北低南高状摆放，其暑面和暑针垂直)等。 水钟 水钟在我国古代又叫做“刻漏”，是根据滴水的等时性原理来计时的。滴水记时有两种方法，一种是利用特殊容器记录水漏完的时间(泄水型)，另一种是底部不开口的容器，记录它用多少时间把水接满(受水型)。我国的水钟，最先是泄水型的，后来发展成泄水型与受水型同时并用。 右图中的刻漏，主要由几个铜水壶
6、组成，所以又叫“漏壶”。除了最底下的那个，每个壶的底部都有一个小眼。水从最高的壶里，经过下面的各个壶滴到最低的壶里，滴得又细又均匀。最低的壶里有一个铜人，手里捧着一支能够浮动的木箭，壶里水多了，木箭浮起来，根据它上面的刻度，就可以知道时间了。摆钟 以摆作为振动系统的钟。通常都带有报时功能，所以又称自鸣钟。 1582-1583年，意大利物理学家和天文学家伽利略发现了摆的等时性。1656-1657年，荷铸物理学家和天文学家惠更斯利用摆的等时性原理发明了摆钟。后经不断改进，沿用至今。摆钟可根据用途和要求制成座钟、挂钟、落地钟、天文钟等型式。摆钟的报时方式通常为机械打点报时，也有用电子扩音报时的。近代
7、帝王宫廷中使用的摆钟，常附有一套机械传动机构，以精工制作的人物、山水、飞禽、走兽等活动形象进行报时。摆钟是机械钟，现在，有的石英电子钟虽然也装有摆锤或扭摆，但只起装饰作用。 摆钟的机芯结构通常包括走时和报时两大系统。走时系统包括走时原动系、传动系、擒纵调速系、上条拨针系和指针系5个部分，其中擒纵调速系由擒纵机构和摆锤振动系统组成，合称擒纵调速器;报时系统由报时原动机构、传动机构、控制机构、打点机构和调速器5个部分组成。 摆钟是利用摆锤的周期性振动(摆动)过程来计量时间的。一般来说，摆的重要是确定的，调节摆的摆长，使摆长减短，时钟变快，反之则变慢。对精密摆钟，也有用附加重物法来微调摆的振动周期。
8、摆钟放置在不同的地理位置(不同的地球纬度和海拔高度)中，摆锤的重力加速度会发生变化从而影响其振动周期。摆钟放置在不同温度和气压的环境中，也会引起振动周期的变化。温度变化会引起摆的各部分尺寸包括摆的摆长发生变化。一般是温度升高，摆胀长而使钟变慢;反之则摆缩短而钟变快。因此，精密摆钟常用不同的线胀系数的材料制成温度补偿管，以补偿温度影响。气压的变化会引起空气阻力和空气密度的变化，从而引起振动周期的变化。因此，精密的摆钟常将摆安装在恒压的壳体中，以消除气压影响。 摆的振动幅度影响到钟的等时性。振幅愈小，振幅变化所造成的日差变化愈小，即等时性愈好，因而精密摆钟常采用长摆杆小摆幅。但是，小摆幅对外界来的
9、震动和撞击很敏感，因而对安装环境要求很高。摆钟的走时日差一般可以达到20秒/天以内，精密摆钟达千分之几秒。时间基准 所谓时间基准，就是在当代被人们确认为是最精确的时间尺度，长期以来，人们一直在寻求着这样的时间尺度。 在远古时期，人类以太阳的东升西落作为时间尺度;公元前2世纪，人们发明了地平日暑，一天差15分钟;一千多年前的希腊和我国的北宋时期，能工巧匠们曾设计出水钟，精确到每日10分钟误差;六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为24小时;到了17世纪，单摆用于机械钟，使计时精度提高近一百倍;到了20世纪的30年代，石英晶体震荡器出现，对于精密的石英钟，三百年只差一秒 自17世纪以来，天文学家们以
10、地球自转和世界时作为时间尺度:当地球绕轴自转一周，地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。1820年法国科学院正式提出:一个平太阳日的1/86400为一个平太阳秒，称为世界时秒长。 由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢，所以世界时每天可精确到1X10-。但是社会的进步和科学技术(特别是航天、空间物理、军事等)的飞速发展，使人们对时间尺度的精度需求越来越高。 1953年是时频科学的一个新的里程碑。世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学由三位科学家研制成功，其中有一位科学家是我们中国人，叫王天眷(后来回国，多年从事祖国的频标事业)。原子钟的出现标志着一门崭
11、新的学科:量子电子学诞生。1963年13届国际计量大会决定:艳原子S 133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。此定义一直延用至今。所以，从1963年后，时间基准的名称应该由PR 1 MAR Y CI_CXK来代替，它指的是实验室型大艳钟。就已发表的资料来看，德联邦的“联邦技术物理研究院”的PTB-Ca T、美国国家标准局的SIBS-6及加拿大国家研究院的IRC-Cs V的准确度均已达到10-量级。我国计量院的Cs , Cs 也达到10- j量级。由此可见PR 1 MAR Y CI_CXK的准确度至少要比商品型小艳钟高出一个数量级。 对于大艳钟这样的一级
12、时间标准，世界上只有少数几个国家的时频实验室拥有，而且，有的还不能长期可靠地工作。但是，对于世界上大多数没有大艳钟的实验室也可以有自己的时间尺度。其方法是:用多台商品型艳钟(日前5071n型小艳钟的准确度为1X10- z)构成平均时间尺度。实验室的小艳钟越多，时间尺度的稳定性就越好。有了这样高稳定度的时间尺度，也可以满足国防、科研、航天等方面的急需。例如:我们国家授时中心有六台小艳钟，组成我们的地方原子时尺度，其稳定度为10 -量级。国外有的实验室有几十、乃至几百台小艳钟，那么，稳定度就更高了。 社会在进步，科技在发展，人类对新的时间基准的研究仍在继续，大艳钟作为PR I MA-RY CI_(
13、XK的地位受到严重冲击。例如:原子喷泉、光频标就是它的强力对手。喷泉钟的准确度进人10-，最好的达到1X10-(美国标准与技术研究院)。光抽运艳束基准频标的准确度也进人10-(法国巴黎时间频率实验室)。 因此，不久的将来，喷泉钟或光频标完全国家授时中,I 5071艳钟组有可能取代日前的微波频标，成为新一代的时间频率基准。苏颂 苏颂，字子容，生于宋真宗天禧四年(公元1020年)，泉州南宁(今福建省泉州一带)人，后来迁居润州丹阳(今江苏省镇江一带)。 苏颂23岁考中了进士，开始进人仕途。起初，他做过宿州(今安徽宿县)观察推官、江宁知县、南京留守推官等副职。由于他办事谨慎周密，很受当时任南京留守的欧
14、阳修的赏识。 宋仁宗皇佑五年(公元1053年)，苏颂34岁的时候，调到京城开封，担任馆阁校勘、集贤校理等官职，负责编定书籍，前后共有九年多时间。苏颂充分利用这一难得机会，发奋读书，不仅博览了秘阁中各种藏书，而且还每天背诵二千言，回家后默写下来，作为自己的藏书，多年如一日，从不间断。通过长期刻苦努力，使他积累了非常渊博的知识，对于历代的典章制度尤其熟悉。 到哲宗元佑年间(公元1086 1094年)，苏颂被耀升做刑部尚书、尚书左亚，后来又做了宰相。元佑八年(公元1093年)辞去官职，专门从事新仪象法要一书的撰写工作，绍圣三年(公元1096年)完成全书。绍圣四年(公元1097年)，朝廷又启用苏颂，封
15、官太子少师。宋徽宗建中靖国元年(公元1101年)，苏颂就去世了。 苏颂在他的一生中，致力于科学研究工作，在药物学和天文学、机械制造学方面取得了杰出的成就。 苏颂对药物学的贡献和当时的历史条件有关。宋朝对药物学比较重视。仁宗嘉佑年间，苏颂奉命负责整理校定以前的药书。于是他组织和领导了一批医官和文臣，于嘉佑二年(公元1057年)首先完成了开宝本草(开宝本草是宋太祖开宝六年(公元973年)编成的在当时是相当完整的药书)的增补工作，共收药物1 082种，称为嘉佑补注本草。稍后，苏颂又编著了我国古代有名的图经本草二十一卷。图经本草是根据当时郡县所产药材的实物绘图和具体说明汇编起来的，书中有文有图，具有比
16、较大的科学价值和实用价值。后来图经本草虽然失传了，但是它的主要内容仍保存在后人的各种本草著作中。例如李时珍在他闻名中外的本草纲日里也引用了图经本草的不少内容。 除了在本草学方面，苏颂的重要功绩是继承和发扬了汉唐以来天文学上的成果。在他的倡议和领导下，于宋元佑三年(公元1088年)创制了一座杰出的天文计时仪器一水运仪象台，设在当时的京城开封。水运仪象台的制成，体现了我国古代机械工程技术的卓越成就，堪称中古时代中国时钟的登峰造极之作。 苏颂在领导建造水运仪象台的过程中，不仅表现出是一个学识渊博的科学家，同时又是一个卓越的科学活动的组织者。苏颂首先推荐起用了有真才实学的吏部令史韩公廉，又组织当时太史
17、局的一些年轻的生员、学生共同合作。苏颂等人在设计制造新仪器过程中，认真吸收各家之长，加以创新。 水运仪象台是一座底是正方形、下宽上窄略有收分的木结构建筑，高大约12米，底宽大约7米，共分三大层。顶部有一架体积庞大的球形天文仪器，即浑仪。浑仪为铜制，靠水力驱动，用于观测星相。钟楼内放置天球仪，即浑象，其运转与上面的浑仪同步，故可随时对两者进行比较。钟楼前面是一座木阁，分5层各开一门，无论白天黑夜，每隔一段时间，便有木人出现。木人击鼓、摇铃、打钟、敲打乐器、出示时辰牌。所有木人都由巨大的报时装置操纵。这架装置则由巨大的枢轮提供动力，枢轮上有木辐挟持水斗，水从漏壶中滴人水斗，使整个仪器每个时辰前进一
18、个水斗。 水运仪象台是11世纪末我国杰出的天文仪器，也是世界上最古老的天文钟，国际上对它给予了高度的评价。它的主要贡献是:第一，为了观测上的方便，它的屋顶做成活动的，这是今天天文台圆顶的祖先;第二，浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪机械一转仪钟的祖先;第三，苏颂和韩公廉创造的擒纵器，是后世钟表的关键部件，因此，它又是钟表的祖先。 苏颂的大时钟从1090年起一直运转到1126年;随后被金朝拆开，运至北京，在那里又运转了几年。苏颂的“水运仪象台”是中古时代中国时钟制造的登峰造极之作;遗憾的是，在后来的100年里，由于战争的原因，这些技术没有能够最终保留下来。 除了创制了水运仪象台，苏颂还编写了新仪象法要一书。全书分三卷，分别详细介绍了浑仪、浑象和水运仪象台的设计和制作情况。尤其重要的是，这部书还附有这三种天文仪器的全图、分图、详图60多幅，图中绘有机械零件150多种。这是一套我国现存最早的十分珍贵的机械设计图纸。 苏颂在从事科学研究工作的过程中，能够注意发挥集体的力量和智慧，敢于提拔人才，这在八百多年前的封建时代，是非常难能可贵的。同时，苏颂虽然身为封建士大夫，晚年又位居高官，但是他热爱自然科学，把自己的主要精力投人到科学活动中去，并且以多方面的优异成绩丰富了祖国的科学文化宝库。这也是难能可贵的。4
