人类为什么总想掌控时间?

淼叔开脑洞为大家讲解了宇宙各大天体的构成,它们都是由粒子构成的。天体一旦形成,它们就开始了永无停歇的运转。这样也就产生了一些周期性的变化,从而为人类带来了时间的概念,那么从古到今,人类是如何计量时间的呢?

最早在农耕时代,人们凭借日升日落、月圆月缺、季节交替等自然界的周期性变化来计时,并由此产生了一天、一个月,甚至一年的概念。之后,古人发明出了日晷、沙漏、水钟之类的原始计时工具。

日晷就是利用太阳光照射到指针上投下的日影,日影移动一个格子,就是过了一个时辰。沙漏和水钟比日晷更精密一些,水钟就是利用水滴推动内部的机械来计时,这些都是现代钟表的雏形。

大概16世纪的时候,大航海时代来到了,以当时的条件,在海上根本无法得知准确的时间,而精确地丈量时间、定义时间的需求又十分迫切。因此,政府甚至发出悬赏奖金,激励科学家制造出一个星期不超过四分钟误差的计时工具。

据说,伽利略当时也看到悬赏通告了,并且被那笔丰厚的奖金所吸引。当时,他正在教堂里工作,他看到教堂里用来计时的摆子摆来摆去,发现摆子每摆一个来回的时间间隔是一样的。于是,他想到,或许可以用钟摆来计量时间。但他只是有了这个想法,并没有实际去实践这个想法。

伽利略之后,有一名物理学家惠更斯,他发现,钟摆摆一个来回需要的时间跟摆子的长度有关系。钟摆越长,摆一个来回需要的时间也就越长。于是,他总结出一个公式,也就是我们知道的惠更斯公式。然后,他参考水钟的构造,用钟摆来调节那些机械的走动,果然让时间变得非常准确,可以做到一天的误差只有几秒。

这就是物理学家对时间的丈量,但是,一直到19世纪下半叶之前,并没有人精确地计量秒,甚至都没有秒的概念。到了19世纪下半叶,才有了秒钟这种说法,钟表上滴答一秒我们可以看到也可以听到,计时的问题就这样解决了。如今我们已经有了性能很好的机械钟,一天的误差不超过零点零几秒。

到了20世纪,物理学家又发现了更加精准地计量时间的办法,比如石英钟。

石英就是水晶,它如果按照标准的大小尺寸切割,其震动就非常固定且精确,一秒钟就可以计量到2的负15次方。在上个世纪,石英钟是非常准确的计时工具。

经过几个世纪的不断改进,现代钟表就这样诞生了。我们从此构建起了秒和分的概念,一天24小时,1小时60分,1分钟60秒。

在物理学领域还有更精准的计时方法么?当然有,就是利用原子固有的振动。原子非常小,比一个纳米还要小,电子在原子中高速运动,一秒钟可以跑很多圈。而有一些原子——比如铯原子——在低温下,振动的频率非常稳定。这样一来,我们就可以利用原子的振动来调节机械的部分,制造非常精准的原子钟

有了原子钟后,科学家又利用激光冷却的原子制造出了冷原子钟。比如说,不久前升空的天宫二号的空间实验室里面一个非常重要的实验就是空间冷原子钟这个钟精确到了一亿亿分之一的精度,也就是说,一天的误差大概不会超过100亿分之一秒。

现在我们已经知道精确的时间了。那么时间到处都是一样的么?有人说爱因斯坦的时间相对论可以给出完美的解释。而爱因斯坦的时间相对论又是如何解释这个问题的?

今天晚上,“淼叔开脑洞”要更新新的一期,这期节目中,你不仅会了解到时间的相对性还会了解到更多关于时间的秘密。如果你迫切想知道以上问题的答案,淼叔为你答疑解惑,这些问题的答案尽在“淼叔开脑洞”。

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