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論日晷和脈沖星的共同點:看鐘表的前世今生

2018-4-2 13:38:00 新聞來源:重慶新聞網

   時間是目前測量精度最高的一個基本單位,每一個時代的計時儀器,都代表著當時最高的科技水平。今天,讓我們一起坐上時光機器,穿越歷史,看鐘表的前世今生!

 

  日晷:看影子,知時間

 

  遠古時期,人們對計時精度并沒有多大需求,日出而作,日落而息,太陽的位置便是他們評判時間的唯一依據。

 

  但隨著人類的發展,人們對“標準時間”的需求逐漸顯現。充滿智慧的古人在“日出而作,日落而息”的計時方法上加以改進,依據“不同的時刻,太陽所處的位置不同,物體投射在地面上的影子方向和長短也不同”的這一原理,發明了初具現代鐘表雛形的日晷。

 

  日晷的功能十分強大,不僅可以判斷時間,還可以判斷月份和節氣。

 

  不過日晷的缺點也顯而易見,只能在看得見太陽的時候使用,在陰天或者夜晚的時候,就無法通過日晷來判定時間。

 

  然而,古人的智慧總是無窮的~~~火鐘和流體鐘應運而生。

 

  火鐘和流體鐘只能測量時間間隔,但可以通過天文測時的方法確定開始計時的起點,結合火鐘和流體鐘的測量結果,則可以得知當時的具體時間。

 

  忽略風速等環境影響,同一種燃料燃燒的速度是均勻的。火鐘正是根據這一原理發明的。

 

  古時官方使用的火鐘通常為“定時蠟”:在蠟燭上刻上均勻的刻度,隨著蠟燭的燃燒,就可以測定時間的長短。

 

  在這里要為大家介紹一下很有趣的古代鬧鐘——龍盤香鐘。在一個類似“龍舟”的物品上放置著一炷香,香上懸掛著幾根帶著鈴鐺的細線,隨著香的燃燒,到細線的位置時,會把線燒斷,使鈴鐺掉落在龍舟下方放置著的銅盤上,從而發出清脆的響聲,告訴大家時間。可以挪動細線的位置從而改變“叫醒”人們的時間,這大概是人類歷史上最簡單的鬧鐘了。

 

  我國古代主要使用的流體鐘是“漏刻”。漏刻由“漏”和“刻”組成,漏是指在盛水的壺上有一個小孔,水會一滴一滴的從水中流出;刻就是指浮在水面上的刻度尺,隨著水面的下降,刻度尺逐漸下降,可以指示時間。最常使用的漏刻是“一刻之漏”,我國古代很早就將一晝夜分為一百刻,其中一刻就是指滴完一壺水的時間。

 

  但是漏刻有一個很明顯的缺點:隨著水的流失,水位下降,水壓就會減小,水滴下去的速度就會隨著減小,這樣“刻”指示的時間就不準確了。于是就有了多級漏刻。多級漏刻,只要保持最后一級水壺的水面基本不變,這樣水就可以均勻的滴入到裝著刻度尺的壺里,刻度尺緩慢上升,就可以準確的指示時間了。

 

  漏刻應用最多的場合就是古代軍事活動,但如果作戰時天寒地凍,水易結冰,漏刻就無法使用,沙漏鐘便應運而生。

 

  沙漏的制造原理與漏刻類似,它是根據流沙從一個容器漏到另一個容器的周期現象來計量時間,由于擺脫了水壓的限制,沙漏比漏刻要精確很多。最著名的沙漏當屬元朝詹希元發明的“五輪沙漏”,其在漏斗中裝滿沙子,沙子流出推動輪子旋轉,最后一個輪子有指針,可以指示時辰。該沙漏脫離了輔助的天文儀器,已經獨立成為一種機械性的時鐘結構。

 

  機械鐘:與古代中國失之交臂

 

  在機械鐘的發展史上,讓人最扼腕嘆息的應該是中國。早在北宋時期,蘇頌發明的水運儀象臺中就用到了機械鐘的核心——擒縱機構。然而,當時并沒有引起朝廷的重視,其發明者蘇頌也沒有傳下詳細資料,這使得我國白白喪失了一次機械鐘發展的機會。

 

  歐洲的機械鐘誕生于13世紀,比我國的水運儀象臺晚了整整三個世紀,依據的是“單擺的等時性(單擺擺動的擺角小于5度時,擺長固定,則其擺動周期一定)”原理。最早傳入我國是在明朝萬歷年間,獻給萬歷皇帝后,他極為欣賞,幾乎日日觀賞,夜夜撫摸。于是,馬上發布召令,成立專門制作機械鐘的宮廷造辦作坊,專供他和皇親國戚及心腹大臣使用。

 

  擺鐘的工作原理擺鐘的工作原理

 

  現代鐘表:你用過幾個

 

  電子表

 

  20世紀,人們發現了電磁振蕩現象,并以此為基礎發明了電子表!

 

  第一代電子表利用磁場推動機械鐘走時,電池給振蕩器提供能量使其發生并維持振蕩,振蕩器磁場的周期性變化作用于擺輪上的永久磁鐵,推動擺輪來回擺動,帶動指針轉動,以此指示時間。每天的誤差約為15s;

 

  第二代電子表增加了音叉進行穩頻,使整個振蕩系統的振蕩頻率取決于音叉的振蕩頻率,將誤差降為了每天在5s以內;

 

  第三代電子表使用石英晶體進行穩頻,產生非常穩定的32768Hz頻率信號,通過集成電路變換成每秒振蕩一次的信號,進一步提高了計時精度;

 

  第四代電子表,機械結構已經減少到最小程度,用集成電路代替齒輪,代替指針的是發光二極管或者其它顯示元件,每天的誤差不到0.1s!

 

  電波鐘

 

  電波鐘被稱為新一代智能鐘表,其工作原理是:在石英鐘表內部放置了一臺接收機,可以接收由中國科學院國家授時中心位于河南商丘發射臺發出的標準時間信號,從而進行自動校準,精度可以達到亞毫秒量級。

 

  原子鐘

 

  原子鐘應該算是目前計時精度最高的測量儀器了,其工作原理就是利用原子的振蕩頻率來計時。各個國家標準時間的維持依靠的就是原子鐘組(多臺原子鐘),常用的原子鐘有氫鐘、銣鐘、銫鐘、鍶光鐘等。原子鐘的精度很高,推算每2000萬年可能才慢一秒。頻率穩定度最高的是鍶光鐘,它的準確度相當于1.38億年都不差一秒,目前科學家們還在繼續研究進一步提升其準確度的方法。

 

  脈沖星計時是近兩年比較熱門的研究話題。脈沖星,誕生于超新星爆作,是處于快速自轉狀態的中子星。現在己知約2600顆脈沖星,幾乎全部位于我們的銀河系里面。它們像燈塔一樣,發射出的光束周期性地掃過地球,而且周期相當穩定,利用脈沖星的這一特性,可以建立高精度的時空參考架,有可能會比原子鐘的長期穩定度還要好!

 

  脈沖星脈沖星

 

  期待脈沖星計時早日從研究走向應用,將時間的測量提升又一個臺階!

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