我國地域遼闊,東西相跨5個時區
人們常在新聞裡聽到的北京時間播報
實際上並不是北京的地方時
而是從國家授時中心發播的標準時間
那今天我們就來聊聊「時間」
首先,我們先從最基本的一個問題入手
這是電影《大話西遊》裡的一個鏡頭
當你看完這一幕經典的眨眼動圖之後
時間過去了四秒
這四秒是怎麼算出來的,其中每一秒有多長?
01
一 秒 到 底 有 多 長 ?
人類最早對時間概念的認知不是年,不是月
而是日
遠古時代,沒有任何東西能像
日出黎明降於大地帶來光明和溫暖
以及日落帶來黑暗與寒冷一樣
能夠深刻地影響人類的生存
在如此天然、強烈的變化周期的影響下
人們逐漸產生了日的概念
因此在人類的歷史中,「秒」在很長一段時間裡
被定義為一個平太陽日的1/86400(60x60x24)
平太陽日
天空中的太陽連續兩次出現最大仰角(90°)所經歷的時間為一個太陽日。
由於每個太陽日長短不一,
故取一年中各太陽日的平均值,為平太陽日。
但由於地球在自轉軸上的自轉不穩定
導致按照這種方法計算得出的一秒的時長
會出現長短不一的情況
隨著近代天文學、測量學以及空間科學的發展
意味著我們需要更加精準的時間
因此,就要有超級精密的儀器來提供
原子鐘就是這樣一種利用
原子超精細結構躍遷能級具有穩定的頻率的特點
而發展出的高精度的計時裝置
原子鐘的概念最早由開爾文勳爵於1879年提出
利用的原子不同,原子鐘也各不相同
這其中以銫鐘精度最高
1955年,第一個精確的原子鐘由路易斯·埃森
根據銫-133的躍遷製成於英國國家物理實驗室
▲第一臺原子鐘及其原理圖
1967年,隨著原子鐘的發展
國際計量委員會在第13屆國際計量大會上
將時間「秒」進行了重新定義:
銫-133原子基態的兩個超精細能級間躍遷輻射振蕩 9192631770周所持續的時間
至此,時間的計量完成了
從天文到物理,從宏觀到微觀的轉化
這個轉化也標誌著
我們在時間軸上的雕刻越來越精細了
如果覺得上面的概念理解起來有些困難
那地理君來舉幾個例子
具體到一秒鐘之內可以發生多少事情呢?
蜂鳥能夠振翅55次
「飛人」博爾特在百米跑道上前進了10.438米
地球從太陽接收了486億千瓦小時的能量
當然,還有更為標準、具體的
就是每天新聞聯播之前的五秒北京時間倒數計時
倒計時.mp3來自中國國家地理00:0000:06
說到這裡有一個冷知識
不知道大家有沒有注意過,那就是
02
北 京 時 間 不 是 北 京 的 地 方 時 間
我們常在新聞中聽到的「北京時間」
是我國行政管理、生產、交通運輸等工作的
時間計量標準
但這個時間並不是北京的地方時
在我們普遍的認知中,中午12點時
太陽光下物體的影子最短
而當收音機裡播出「北京時間12點整」時
在北京地方所看到的物體影子還有點偏西
要再過約14分鐘後,才見到最短的物體影子
而我國地域遼闊,東西相跨5個時區
授時中心的選擇要儘量選在
靠近中國大地原點附近且地勢開闊的地方
所以我國授時中心授時部的位置
最終確定在位於陝西渭南市的蒲城縣
這裡距離中國大地原點只有100公裡
從這裡發出標準時間信號,可以更好的覆蓋全國
所以真正的北京時間其實是從陝西省發出的
在這裡國家授時中心利用一組原子鐘
建立並保持高精度時間標準
通過一定手段把標準時間信息發播出去供用戶使用
稱為「授時」
我國標準時間的傳送方法包括
短波授時、長波授時、衛星授時、電話授時等方式
▲圖為北鬥星座示意圖,圖源北鬥衛星導航系統官網
衛星導航系統出現後,
作為強大的授時工具,
將授時應用推向了各行各業
其中衛星授時屬於天基授時系統
我國目前的衛星授時由北鬥衛星導航定位系統承擔
該試驗系統的時間由國家授時中心標校
與國家授時中心的協調世界時保持一致
電話授時即利用電話網絡傳送標準時間
撥打國家授時中心語音報時服務服務專線
可以聽到音頻脈衝「嘟」聲作為「秒信號」提示音
以及「 xx時xx分xx秒」的語音提示
電話授時.m4a來自中國國家地理00:0000:14
今天,我們可以藉助各種計時工具、軟體
來精確地知曉時間,但你有沒有想過
在沒有以上明確關於時間定義的中國古代
人們是如何知曉時間的?
03
中 國 古 代 有 哪 些 計 時 工 具 ?
圭 表
圭表是一種古老而簡單的天文儀器
由表和圭兩個部分組成
表是垂直立於圭南端的標杆或石柱
圭是正南正北平放置的尺
最初圭表用於測定方向,後來人們發現
還可通過測出圭表正午時影子的長短以確定節氣
▲圖源《如果國寶會說話》
上圖為圭表在夏冬至和春秋分的影長示意圖
我國早在周代時就已經使用圭表
來確定冬至和夏至
連續兩次日影最長(冬至)或最短(夏至)
之間的時間間隔就是一個回歸年的長度
1279年,元代天文學家郭守敬在河南登封
設計並建造了一座測影臺——河南登封觀星臺
它是中國現存最早的古代天文臺
整個觀星臺相當於一個測量日影的圭表
高聳的城樓式建築相當於豎在地面的杆子,為「表」
臺下南北方向類似長堤的構造相當於尺子,為「圭」
後來人們發現還可以通過觀察一天之中
表的影子角度的變化來判斷日出、日中到日落
以定出一天之內的時間
這種「表」加上一個刻有放射狀時刻線的圓形石盤
就演變發展成後來的日晷
日 晷
《說文解字》中對於日晷這樣解釋:
晷,日景也
日景,也就是日影,意思是太陽的影子
早期人們以竹竿的影子為錶針,大地為錶盤
這實際上就是日晷最早的雛形
——地平式日晷
即晷面與大地平面平行,晷針與晷盤垂直指向天頂
但這種日晷有一個弊端
影子的長度會隨著四季寒暑變化
不利於準確讀取時間
於是,人們發明了最常用的赤道式日晷
▲故宮裡的赤道式日晷
這種日晷的晷面與赤道平面平行
晷針一端指向北天極,也就是北極星附近的位置
另一端指向南天極
這樣就避免了晷針的影子長度隨季節而改變
太陽光照在日晷上時,指針的影子會投到晷面
晷面刻度均勻,當太陽由東向西移動
指針影子也慢慢地由西向東移動
漏 刻
漏,是指盛水漏壺,用於洩水或盛水
刻,是指劃分一天的時間單位
所以,通過名字我們便可知道他的工作原理
即通過漏壺的浮箭來計量一晝夜的時刻
漏刻使用時,把水注入漏壺內
水便會從壺孔中流到水壺下放置的容器中
容器內有一根刻有時刻的標竿,稱為箭
箭下以一隻船相託,浮於水面
當水流出或流入壺中時,箭杆相應下沉或上升
從蓋孔處看箭杆上的標記,就能知道具體的時刻
▲圖源故宮博物院
現藏於北京故宮博物院的獸耳八卦銅壺滴漏
就是利用活塞抽水的功能
將受水壺內的水重新抽到播水壺中
從而往復使用壺中的水,進而改進了傳統多級漏刻
這件銅壺滴漏具有近代半機械性能
也是清宮製作漏刻的一次革新
實際上除了圭表、日晷、漏刻這類計時工具
中國古代還有許多有意思的計時工具,像:
沙漏、一盞茶、一炷香等間接的時間衡量工具
試想,在一炷香燃盡的過程中靜靜體驗時間的流逝
一定別有一番韻味
在歷史長河的中
計時工具的發展始終伴隨著社會的進步
從原始的間接計時工具
到現在計時精度達到幾億年不差一秒的原子鐘
人類還在為更高的精度孜孜追求
縱覽計時工具發展的歷程
也是一部社會科技進步的歷史