时间是如何测量的？科学家给出了5种方法，看完后恍然大悟

我们如何测量时间？相对于古代的第一批钟如今的钟表有多精确？秒的定义又是什么？

我们中大部分人理所当然地认为我们有权利去检测时间的推移，有权利在任何时候都知道到下一个预约为止还剩多少时间，或者能够与世界另一边的人们达成时间一致。当然，情况并非总是如此。

我们如何测量时间？相对于古代的第一批钟如今的钟表有多精确？秒的定义又是什么？让我们一起了解一下测量时间的进化史。

我们用来测量时间的5种工具：

1.日晷

2.水钟

3.机械钟表

4.石英钟

5.原子钟

让我们再进一步探讨每种工具。

1.日晷

史上用于记录时间最古老的方法估计是日晷。在没有任何资源的情况下，你外出可以根据观察太阳在天空中的位置来粗略判断现在是几时，当然这得是一个晴天。追溯到公元前1500年(甚至更早的时候)，古埃及和苏美尔的时间记录者发明了利用太阳光影来记录时间轨迹的第一套设备。

古罗马人在他们城市中心建造了日晷。有钱人则会携带迷你版。现在所知的最古老的便携式日晷模型是在公元79年维苏威火山爆发时被埋在火山灰下的一座意大利别墅里发现的。日晷被形容为一块意大利火腿形状的金属，正好可以装在咖啡杯里。

尽管日晷有各种变化，但它们依旧是利用太阳来记录时间。有许多人利用一个狭细的、有角度的被称为指时针的物件在标记上投射光影来指示一天的时间。其他人则通过太阳光线通过一个小缝来表示时间。指时针有时候是固定的，有时会被移动因为处于不同的季节时白天的时长不同。

日晷的精确度取决于它的校准、它所使用的制作者的精确度（换句话说，日晷的投影是否又宽模糊？）、以及它自身指时针的大小。最粗糙的日晷测量精度可以达到一小时以内，但是日晷作为唯一常用的钟仅持续到17世纪中期，而更现代的钟表可以达到15秒到30秒的精确度。注意细节的话，你甚至可以制作自己的日晷精确到每一分钟。

世界上最大的日晷是与Jantar Mantar纪念碑上其他18种天文仪器在印度拉贾斯坦邦的斋浦尔的发现的。这个日晷高27米（或者88英寸），在顶部有一个小圆屋顶用来预示日月食和季风的到来，并且它测量误差只有2秒。在2010年哈利法塔建成之前，台北101一直是世界上最高的建筑，同时也充当着一个巨大的日晷，就像是巴黎的卢克索方尖碑。

2.水钟

当然，日晷的使用是有限制的，只有当白天无云的时候才有效。有人建造了月晷，尽管它们的精度可能会随月亮的相位而变化，麦开特（特殊的天文仪器）则使用不同的星星来跟踪整个晚上的时间流逝。然而，时间记录者开始寻找非天文的方法来计时。

特殊的是，古希腊和古罗马是水钟的爱好者，尽管最古老的的水钟之一是在埃及法老阿蒙霍特普一世的墓中发现的，可以追溯到公元前1500年。这个最早的水钟是一个带有倾斜边的石壶，可以让水通过底部的一个小孔以一个固定的速率流出。这个壶的内部有刻度将不同的水位和时间联系起来。

为了提高水钟的精确度，一些水钟被机械化，通过控制水压使水的流动尽可能稳定。然而，水温的变化会导致每天时间30分钟的误差。

一些水钟引发了花式展览上雕像的移动，其他的则响起了钟声。第一个水基闹钟是在公元前427年柏拉图建造的。在柏拉图的钟里，水位一旦达到一定的高度就会被抽到另一个容器里，而这个容器有一根狭窄的管子。当水通过管子时，它就会发出像茶壶里的开水一样的鸣声。其中一个最复杂的水钟是由穆斯林工程师Al-Jazari在1206年设计和建造的，它是一个由重量驱动的亚洲大象形状的水钟。

还有一些依赖于自然介质稳定变化的计时方法包括香种、沙钟（也称沙漏）、油灯钟。然而，与水钟一样，他们的精确度依旧有限。

3.机械钟表

计时方面的下一个重大进步是机械钟的诞生，它将计时精度从几分钟提高到几秒。这不再是利用像水或沙这些物质的逐渐变化，而是采用了与这些物质完全脱离的机械，使用了一种可以在相同时间间隔释放少许、可控制能量的方式。为了完成这个目标，人们发明了很多机械装置，包括气缸、双工、杠杆机构和精密表机件，而它们都有不同的精度程度。

估计世界上最早在机械水钟表运用机械装置的人就是中国科学家和政治家苏颂，他建造了一座30英尺高的水力机械天文钟，不仅能告诉人们现在是何时，还能告诉人们今夕是何年何月。苏颂这座钟的大轮子辐条以一个稳定的速率装满水，但是这个装置只有在每个辐条中水位达到一定高度才会转动。他建造的钟表从1092年开始运营，直到1126年被政治对手拆毁。

尽管人们赞颂是伽利略发明了摆钟，但是第一个建造它的是荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯于1656年。他的装置实现了前所未有的精确，通过钟摆达到了一天低于一分钟的误差（后来改进之后使误差不超过一天10秒）。这个钟摆是以稳定的速度摇摆调节齿盘使指针以常规的时间间隔转动。钟摆最终会因空气中的阻力和摩擦停止摆动，所以它们通常会加上一个需要定期缠绕的弹簧，以储存弹性势能维持摆动。

4.石英钟

石英钟，发明于20世纪20年代，脱离了齿轮和棘轮装置因此也不需要定期缠绕的弹簧。石英钟的原理是当施加电场时，石英晶体将以固定频率振动。

第一批石英钟，是日本制造的，在一个月内仅仅少了5秒钟。石英钟的精确会受到石英晶体尺寸、形状和温度限制，这些因素会影响其振动频率所以没有哪两个是完全相同的。尽管原子钟的精确度已经远超过了石英钟，但它们仍然是最常见的个人计时设备，因为它们的价格亲民。

5.原子钟

现在的计时标准是原子钟，它最早是在20世纪50年代提出的。而今天的原子钟误差仅仅是在数千万年时光里的一秒。换句话说，他们的精确度是每天的百分之纳秒。

由于原子有非常规则的间隔能级，它们会以特定的频率共振并发射电磁波。这些发射出的光波的频率——每单位时间有多少广播到达——可以被测量出来，从而非常精确地测量时间的推移。一秒的定义是铯原子共振9,192,631,770次所需要的时间。

世界上最精确的时钟是位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究院（National Institutes of Standards and Technology）的铯原子钟，以及位于华盛顿特区的美国海军天文台（United States Naval Observatory）的铯原子钟。尽管目前人们还在对铯以外原子的研究继续研究，但这一研究有可能提供更高的准确度。