人类的计时工具：从太阳钟到脉冲星钟

伤我心太深

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(出处: UFO中文网)

人类自诞生以来，就一直在寻找各种方法来计量时间，从大自然取材到人类制造各种计时工具，充分显示了人类的智慧。
最早的太阳钟和光钟以及脉冲星钟，你喜欢哪种呢？

用于时间计量的工具叫时计；总的看来，我国古代的计时工作经历了漫长的发展过程。虽然在其发展过程中不可避免地要吸收其他民族的一些优秀的东西，受到世界上计时工作发展成就的影响，但就总体而言，我国古代的计时工作主要还是独立向前发展的，具有显著的民族特点。由此可见，独创、科学、实用是我国古代计时工作的三大特点。这些成就不但在计时科学的发展上具有重要的意义，对天文学的发展也有一定推动作用。
　　从我国古代在计时科学上的这些重大贡献我们可以看到，我们中华民族并不比其他民族笨，而是具有卓越的创造能力的。只是由于各种原因这种创造能力没有充分发挥。


太阳钟：


　　地球的自转和绕太阳的公转就组成了太阳钟，它普遍存在---地球上的每一个人都可以在任一地方观测到它和应用它；它是可靠的---预见不到它会停止或“损失”时间；它的稳定度很高---科学家们依据它的时标能预见到地球上任何地方日出或日落的时、分、秒等；还能早几百年或几千年预见到日蚀或月蚀以及别的与时间有关的事件。此外，它不涉及人们的运算---在国际上不存在争论“谁的太阳最权威”的可能性，人们不必对它的运转或调节负任何责任。然而，这个古老而光荣的“钟”也有严重的缺陷。其中一个事实是：太阳钟与更精密的标准钟相比，并不是一个很稳定的钟。

火钟

　　火，使人类开始吃上熟食，火给人类带来光明，火也被人们用来计时，这就是古代的火钟。可以想象，在古代，人们白天从事游牧和耕种，可以靠观察太阳的“移动”来计量时间，但夜里漆黑一团，用什么来计时昵？闪动的篝火给人以启示，人们发现，一定数量的同一种燃料，燃烧的时间大致相同，于是想到用火的燃烧来计时，就发明了火钟。
　　火钟是利用燃烧预定的燃料的速度来计时的，预定的燃料一样多，燃烧的速度一样快，所用的时间就一样长。
　　有一种火钟叫“定时蜡”，蜡烛本身的“燃料”数量已经确定，在燃烧时，只要周围环境变化不大，蜡烛燃烧的速度也就基本相同，那么烧完一支蜡烛的时间也就大体一样。如在蜡烛上刻上相应的记号，就可以用它来计量时间间隔了。
　　我国是火钟的故乡，这种火钟是由我们平时所熟知的盘香构成自，用一些特殊树本磨成粉末，并加入一些香料，合成“面团”，就可以制成盘香了。大的盘香几公尺长，可以燃烧几个月。如在盘香的特定位置上再装上几个金属球，盘香下面放一个金属盘，当燃烧到某一特定的部位时，金属球就会落在金属盘里，发出清脆的响声??这就构成了“火闹钟”。
　　火钟，和我们现代的钟表一样，是一种计量时间间隔的工具。但火钟计时的精度不可能做得很高。因为火钟的燃烧速度总是取决于燃烧条件，至于制造成完全相同的蜡烛、盘香更是不可能的事，燃料和燃烧条件两个因素都不确定，燃烧速度也在变化，计时精度就低了。火钟还需要人们定期看管，所以用火钟来计时，仍然有一定的局限性，这就促使人们继续探索更精确的计时器。

流体钟

　　流体钟包括水钟和沙钟。水钟和沙钟都是使用一定数量的流体(水或沙)，测量流体在特定方式下特定数量的流动所需的时间来表示固定的时间间隔。这类不依糊于天文现象的“漏刻”计时仪器亦至少有4000年的历史。
　　中国古代的“铜壶滴漏”就是一种水钟。中国现存较早的一件漏壶制造于西汉时期。漏壶呈圆筒形，三蹄足，近底部伸出一细管，壶盖和提梁上开有长方形孔，便于布置刻箭。刻箭立于浮标上，能随漏壶内水面的升降而上下移动，以此来指示时间。在更早的周代，已设有专职管理漏壶的官员，且已注意到外界温度对计时精度的影响。为了保证精度，避免温度过高或过低的影响，甚至采取了“温度控制”措施。如《周礼》一书记载， “挈壶氏以水火守之，分以日夜。”

机械钟

　　机械钟表有多种结构形式，但其工作原理基本相同。插图为机械钟表工作原理图。钟表主要由原动部分、传动部分、擒纵调速器、指针部分和上条拨针部分等部分组成。机械钟表用发条作为动力的原动部分，经过一组齿轮组成的传动部分来推动擒纵调速器工作，再由擒纵调速器反过来控制传动部分的转速。传动部分在推动擒纵调速器的同时还带动指针机构。传动部分的转速受控于擒纵调速器，所以指针能按一定的规律在表盘上指示时刻。上条拨针部分是上紧发条或拨动指针的机件。此外，还有一些附加机构可增加钟表的功能，如自动上条机构、日历（双历）机构、闹时装置、月相指示和测量时段机构等。

电钟

　　电精密计时可以分为两个时期：
　　第一个时期(1840?1930年)， 为了完善时间测量技术，开始是在古典振动精密计时领域里所取得的电磁学成就。
　　第二个时期(1930年??)，电精密计时的发展导致应用新型振荡器(原子、分子、石英晶体、音叉以及其他)的计时仪器的产生。这与那时在无线电光谱学、无线电电子学、半导体(和微电子)技术，以及其它科学和技术领域所取得的成就相联系着的。

石英钟

　　第三代电子手表是指针式石英手表。音叉式电子手表的走时精度是提高了，但是它仍不能满足人们对精确时间的要求，人们开始采用更为理想的稳频元件??石英晶体。石英晶体具有十分稳定的物理和化学性能，它的稳频效果极佳。第三代电子手表主要是由微型电池、石英晶体、集成电路、微型马达和齿轮、指示系统构成的，石英晶体作为振荡电路中的一个稳频元件，接通电源以后和集成电路一起形成振荡，产生一个非常稳定的32，768赫兹的信号，也是通过集成电路将它变换成每秒振荡一次(1赫兹)的信号，并放大到足够强度，推动微型马达，带动齿轮、指针转动。
　　第四代电子手表仍然用石荚晶体作为稳频元件，但它的机械结构已经减到了最少程度，连传统的齿轮、指针都不见了。代替齿轮的是集成电路，代替指针的是发光二极管或其它显示元件。人们称第四代电子手表为“数字显示石英手表”。
　　石英手表是当前世界上走时精度较高的手表。

原子钟

　　所谓原子频标就是以稳定的原子物理组成为核心，将晶体振荡器的频率准确地跟踪锁定在原子标准的准确度和稳定性上，从而获得高精度输出频率。
　　根据量子理论，原子和分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，而只能跃迁。当由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波的形式辐射或吸收能量，其频率严格地取决于两个能级的能量差，如果从高能级向低能级跃迁，便辐射能量；反之，则吸收能量。由于该现象是微观原子和分子所固有的，因而非常稳定。如果能够设法使原子或分子受到激励，便可得到相应的稳定而又准确的频率，这就是原子频标的基本原理。
　　始终保持连续、稳定运行的原子频标就是原子钟。

光钟

　　目前运行的原子钟都工作在微波区，采用光波频标，频率将从10GHz增至100THz，即提高四个量级。
　　光钟的主要组成是通过冷原子或离子提供频率基准，特色是将单一频率的光学振荡利用飞秒激光光梳技术传递到其它光学波段和微波波段进行计数。如此有可能将频率标准的精度再提高到E-18量级。目前已经有多种原子用于光钟研究：锶、钙、汞、铝、镱。
　　叶军---美国科罗拉多大学物理学教授、美国国家标准和技术局（NIST）与科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室（JILA）研究员。在2006-2007年，他的研究小组做成一台世界上最准确??每7000万年仅误差1秒??的锶原子光钟 (optical atomic clock) ，精度超过了目前存放于美国国家标准和技术局的铯原子钟，据《科学快迅》2008年2月14日报道，锶光钟准确度已提高到两亿年误差不到1秒，并有望将来取代铯原子钟成为世界新的计时标准。

脉冲星钟

　　脉冲星是一种高速旋转的致密中子星，其自转周期非常稳定。自转周期小于20 ms的脉冲星又被称为毫秒脉冲星，其自转周期的变化率一般小于1E-20，被誉为自然界中最稳定的时钟。至今，已经发现射电脉冲星约近2000颗，其中，毫秒脉冲星约占10%。对自转非常稳定的毫秒脉冲星其脉冲到达时间的长期测量表明，其长期相对频率稳定度达到1E-15，略优于当前原子时基准，有的普通脉冲星的频率稳定度也达到1E-13水平，因此脉冲星可以用作时间标准。通过对脉冲星的计时观测，可以建立高精度的时、空参考架。由于脉冲星钟长期稳定度优于目前的原子钟，利用脉冲星钟建立和保持的综合脉冲星时系统，有可能比目前的原子时系统具有更高的长期稳定度，并能独立地检测原子时的系统误差。并有可能通过脉冲星计时观测来建立并长期保持我国自己的脉冲星钟。
　　基于脉冲星时空参考架的导航系统可以实现飞行器自主导航，适用于各类深空探测航天器和地球轨道人造卫星。 脉冲星自主导航更具有安全性，因此也具有良好的军事应用前景。
　　应当看到：较多的毫秒脉冲星被发现以后，有些人认为，通过观测毫秒脉冲星可以使时间测量重新回到天文学范畴，就是说可以用毫秒脉冲星时间取代原子时作为时间测量标准。另有一些学者认为，持这种观点的人疏忽了这样的事实：脉冲星时间测量受到脉冲星自转缓慢减慢的限制。加之遥远的脉冲信号经过复杂的电离层介质传播，介质的时空变化必然影响信号传播的到达时间．因此，在较短的时期内。脉冲星自转不可能像地球自转那样作为建立测量标准的基础，还不可能构成脉冲星时钟去实现理论上的时间尺度。