记时工具的演变(之一)

参加全国物理特级教师学术研讨会期间，聆听了华东师范大学物理系终身教授马
龙生所做的专题报告《光场的精密控制》。

作为2021年诺贝尔物理奖获奖项目——美国科学家格拉布尔(Roy J. Glauber)和哈尔(John L. Hall) 领衔的光学相干的量子
理论领域研究成果的参与者之一，马龙生先生做出了自己的很有价值的一部分工作，于2021年应邀参加了在瑞典斯德哥尔摩举行的诺贝尔物理奖颁奖典礼活动，并亲
自聆听了诺贝尔奖获得者在演讲中对自己的研究成果的评价和肯定。

马先生的主要工作用通俗的语言来表达，就是研究计时工具的。

他们在不断改进“光钟”的过程中，获得了关于时间计量方面的新突破。

在物理学7个基本物理量中，基本单位——秒的精度是最高的。

从1944年以来，在改进时间计量方面，就先后
有9项成果获得诺贝尔物理奖，说明了改进“光钟”对我们科学技术、生产生活的重
要性。

秒的精度的提高，直接关系到其他几个基本物理量的精度的提升，因此，制造精度很高的“光钟”很有必要。

“光钟”是一种最为先进的计时工具。

那么，千百年来，我们的计时工具经历了怎样的发展历程呢？
在古代，人们没有计量时间的工具，只是以太阳升降来判断时间的早晚，因此有“日出而作，日落而息”之语。

最早关于时间的记载要追溯到公元前20000年的史
前人，他们以在木棍和骨头上刻标记的方法来计时。

那时侯，没有什么计时工具，人们通过直接用眼睛观察太阳的运动（实际上是地球的运动）来测量、记录时间。

这样的方法持续了很长的一段时间，直到公元前2000年左右，人们才发明了第一
种计时工具。

一、日晷
公元前2000年左右，美索不达米亚的巴比伦人发明了用日影测量时间的方法，制造出世界上第一个计时工具——太阳钟。

太阳钟很简单，就是在地上竖一根木棒，根据地面上的棒影的长度测定时间。

这是一种最原始的使用计时工具测量时间的方法。

中国人最早创制出计时工具是——圭表（见图1），这是利用阳光下影子移动的
规律，测定二十四节气和回归年长度的天文仪器。

所谓“表”，就是一根直立在平地
上的标竿或者石柱，汉代后，改用铜制；“圭”是一根与表垂直的正南北方向平放的尺，汉以后，改用石制或铜制，它们共同组成“圭表”。

用圭表测出表影随着太阳的
视运动在一日之内的长短变化。

中午，表影最短，落在“圭”面上，指向正北方。

从
正午表影长短变化的周期，可以确定一个回归年的长度，并能推算出“24节气”。

后来几经改进，为了使表影不落到圭外，人们又在圭的另一端立了一个相对较短的“小表”，相当于圭的延伸，叫“立圭”，冬季时长的表影可以在立圭上反映出来。

图1:圭表图2:“T”型太阳钟
公元前1500年前后，埃及人发明了“T”型太阳钟（见图2）。

他们用直木和横木
钉成九十度折角的“T”型棒，放在露天中，横木那端与地面垂直，直木与地面平行。

上午将横木对着东方，阳光照到横木上，就会在直木上形成影子。

在直木上刻上刻度，表示不同的时辰，根据影子所在的位置即可知道时间。

下午将该装置朝向颠倒，利用同样的方法可以得到下午的不同时间。

埃及地处赤道，阳光终年自其正上方通过，因而横木所成的影子总成在直木之上，用这种太阳钟测时间非常方便。

公元前600年左右，希腊人设计出一种更具有推广价值的太阳钟，其形状象半个
钵形碗，相当于埃及太阳钟中的直木，碗中间有一根投影棒。

当阳光照射到投影棒上时，将在碗上留下影子。

由于季节、时辰不同，影子的位置、长度也不同。

在碗中按不同的季节划分区域并标上刻度，根据棒的影子所在的区域即可得知较准确的时间了。

（见图3）这种太阳钟考虑到了不同地理位置的阳光偏南或偏北的实际情况。

图3:钵型太阳钟图4:日晷
日晷是在圭表（太阳钟）的基础上发展起来的一种计时器，能够更准确地测定不同时刻的时间。

日晷有一根固定的臂或针，还有一个刻有数字和分度的盘，将盘分成许多份，观察日影投在盘上的位置，就能分辨出不同的时间，其计时精度能准确到刻（15分钟）。

在一千多年的时间里，日晷在世界各地作为计时工具都得到了足够的重视，并有了很大的发展，日晷的式样也有了不同的形状，但总的结构没有变，总是由投影棒——晷针和一个标有时刻线的盘面——晷盘或晷面组成。

根据日晷放置方位的不同，日晷又可分为地平日晷、赤道日晷、立晷、斜晷等，最常见的是赤道日晷和地平日晷。

赤道日晷的晷面平行于赤道平面，晷针与地球的自转轴平行，晷盘是一个圆盘，它的上下两面都有时刻刻度。

由于太阳周日升落路线与晷面平行，晷针日影在晷面上均匀移动，所以这些刻度是均匀划分的。

在我国，每年春分以后，太阳在天赤道以北周日升落，秋分以后到天赤道以南，因而要选择盘上面或盘下面的影子来记录时间。

图4是北京故宫的日晷示意图，它就是一个赤道日晷。

中国的日晷有文字记载的可以追溯到隋朝年间（公元581--618年），现在发现的年代最早的日晷是秦汉之际（公元前206年左右）的赤道日晷，存于中国历史博物馆。