从日晷到原子钟：时间计量的奥秘

对时间的讨论和研究是永无止境的。在展望时间的未来之前，我们先从“日晷”了解一下时间的前世，再从“原子钟”来了解一下他的今生。

本书是美国国家标准技术研究所詹姆斯·杰斯帕森与简·菲茨-伦道夫所创作的时间科普作品。本书从历史发展的角度，深入浅出地介绍了时间的产生原理和保持方法。首先，从日常时间的应用出发，描述了时间的定义、特性和计时技术的历史。接着，逐渐展开介绍了时间的度量原理和发展历史，并且介绍了与钟表相关的技术指标和现代守时钟-原子钟，包括原子钟的种类和与其相关物理学工作原理。然后，介绍了计时的方法和时间传输技术。同时，从电力导航等行业出发，本书介绍了时间在人们生活中的应用。作者还通过描述时间与数学、物理、天文学的关系，深入介绍了计时技术的困境，时间与其他物理量（如秒）的关系。后，展望了未来时间的相关技术。

詹姆斯·杰斯帕森，美国国家标准技术研究所研究员，多年从事时间科学、授时测量等工作，发表众多权威学术论文。简·菲茨-伦道夫，美国国家标准技术研究所研究员，从事授时测量等前沿研究，在时间科普领域颇有建树。任烨，中国科学院国家授时中心（西安天文台）研究员，博士，主要从事时间科学、授时测量等研究，在国内外权威期刊发表多篇学术论文。

Ⅰ 时间难题 / 001
1 神秘的时间 / 003
2 物体的振动 / 012

Ⅱ 手工时钟和手表 / 027
3 早期的钟表 / 029
4 钟表的品质因子 / 035
5 制造更好的钟表 / 043
6 原子简史 / 055
7 冷却原子钟 / 063
8 每个人的时间 / 073

Ⅲ 寻找并保存时间 / 081
9 时间尺度 / 083
10 钟表背后的钟表 / 097
11 时间的传递 / 108

Ⅳ 时间的应用 / 117
12 标准时间 / 119
13 伟大的组织者 / 126
14 嘀嗒声和比特数 / 138

Ⅴ 时间、科学和技术 / 149
15 时间和数学 / 151
16 时间和物理 / 162
17 时间和天文 / 176
18 时间的终结 / 187
19 时间的方向，自由到哪种程度 / 196
20 时间和伺服系统 / 210
21 时间信息 / 219
22 米和秒的关系 / 227
23 未来的时间 / 238

译后记 / 251

距这本书版出版已有二十余年。在过去的这些年中，人造卫星已经司空见惯；电脑进入了寻常百姓家；每天有千万条数字信息在城市与国家之间通过通信卫星和光纤传输；天文学家们已经确定了黑洞的存在；研究人员可以控制单个或者一小组原子。这些变化深刻地影响着计时和时间传递技术，以及人类对时间和空间本质的理解。
新的一版中，我增加了六章新内容，同时还对版的一些章节做了修订。我会介绍以上出现的这些事情，当然，还有更多。
初，我希望本书适用于普通读者。因此，本书选取了折中的方式，介绍了在科学和技术领域的时间概念、计时和时间的应用技术。但随后我发现，我的很多同事也会通过阅读本书的某些章节来温习相关的知识。当然，这也不奇怪。时间和频率技术的产生、存在和应用其实已经成为一门很大的学科，具有一定的独立性。虽然第二版没有试图给出深度的、教科书式的呈现，但我希望在便于读者理解的基础上，仍旧保持科学的整体性。
在1988 年，美国国家标准局（NBS）改名为美国国家标准与技术研究院（NIST）。虽然我仍对NBS 这个名字保有感情，但终还是在本书中使用了NIST 这个新称呼。
詹姆斯•杰斯帕森（James Jespersen）

评论

●古代钟表
在古代灿烂的文明遗迹中，有许多复杂的时间测量装置。例如，南英格兰的巨石阵、爱尔兰都柏林附近4000年前的纽格莱奇墓等。几个世纪以来，不断地有人类学家和建筑学家在探索这些遗迹的奥秘。目前已经被证实的是，它们都是极好的观测天体运动的装置。在有文字记录之前，这些都是人类发明的原始钟表和日历。
在美洲的玛雅、印加和阿兹特克文明中，都有时间计数装置。几千年后，当殖民者们发现新大陆时，曾惊讶于那些城市中先进的遗址和神庙，其中许多遗址的规模比他们从前在故土所见过的类似遗迹更大。这些装置通常被用来计算宗教节日、农种日期和其他重要农业事件。所有著名的古代文明中，人们对时间的测量都反映在社会活动中。
古印加的都城库斯科，本身就是一个巨大的日历。太阳从城市的每条街道升起或者落下的日子，都标志着一个重要的祭祀日。研究表明，以太阳神庙为中心，向四周辐射出41条这样的街道。
从2世纪到10世纪的玛雅文明，将一次日出到日落记为一天，这是他们的基本时间单位。玛雅人的一天是从日出到日落的时间周期的更替。现代墨西哥城建立在古阿兹特克的都城——特诺奇提特兰城的废墟上。特诺奇提特兰城于1325年建造于特斯科科湖的一个岛上。古城的废墟和其他阿兹特克的城市表明阿兹特克人使用两种历法：一种以260天为基础；另一种以365天为基础。把两个历法合起来会形成一个52年的周期，这也是当时人们的平均寿命。阿兹特克人用昴星团在夜晚经过天空中的某个特定位置这一天文事件作为一个循环周期结束和下一个循环周期开始的标志。
今天，科学家找到了更多的证据证明，即使是在北美洲草原上几乎不远征的土著人，也使用过时间记录工具，如怀俄明州北部的毕葛红医药轮，原来被认为是供宗教使用的，但它实际是个大钟表。当然，它们也有重要的宗教意义，象征着诸如潮起潮落和季节更替的生命周期。与现在一样，这些自然现象也影响着远古人的生活。由于这些自然现象带有某种神秘色彩，因此它们引起了人们的敬畏和崇拜。天文学和时间已超过人类的认知，它们比地球上任何一个有记载的古老部落更久远，并且几乎是永恒的。因此，这两门学科自古以来是人类关注的。

●自然界的钟表
太阳、月亮和星星的周期运动很容易观察，我们也无法忽视它们。但在我们自身和周围，也有无数的周期更迭现象。生物学家、植物学家和其他科学家的研究仍未能完全了解这些基本的周期过程。从动物妊娠、麦子播种，到鸟类迁徙，从心跳的节奏到雌性动物的生理周期，对生物钟的科学探讨可以写出好几本书。
地理学家关心大周期，它们以千或百万年为单位，被称为“地质年代”。另一些科学家关心不同放射性元素的原子衰变速率，比如碳-14，以便推断任何含有碳-14物质的年龄。任何曾经在地球上生活过的生物都含有碳-14，包括远古时代的化石、埃及木乃伊等。
在随后的章节中，你将会看到这些新的技术怎样改变了我们对地球和太阳系的认识。

●追踪太阳和月亮
早期钟表是石头结构。它是古人用来记录特定日期的装置，如夏至日，这是一年中日升日落间隔长的一天，通常在6月21日或者22日，这取决于本年与下一年地球与太阳的接近程度。几千年来，地球和太阳所组成的钟表，已足够满足人们对于日常生活的记录要求，远古先辈们日出而作，日落而息，他们不需要更准确的时间。
但是在许多文明中，出于对一些特殊的日子和纪念日的辨识需要，人们又根据太阳、月亮和季节的运行周期制定了历法。
如果把时间当作是周期现象的循环，那么计时就是对这些周期现象进行计数的系统。简单和明显的周期现象就是天，它可以是从太阳的东升到西落，也可以是太阳两次经过天空点的时间间隔（即两个正午的间隔）。前者随季节变化而改变，而后者似乎是不变的。
可以用非常简单的仪器来对两个相邻的正午进行测量：在地面上竖一根棍子，如果在北半球，指向北的影子短的时刻便是一天的正午。这时太阳在当地天空中位于点，每当这个现象出现一次，就用一个永久或者半永久的物体来标记，如石头，从而记录天数。用更专业的仪器，还可通过观察月相去记录一个月；也可以记录地球绕太阳公转的周期，即为年。
埃及人可能是个把一天分为更小单位的人。人类学家研究了细高形状的纪念碑或者方尖塔，这些建筑可以追溯到公元前3500年。对它们的影子的测量无疑提供了一个简单确定“天”的方法。每天在方尖塔周围放上石头作为标记，这可以更准确地记录一天。
公元前1500年，埃及人已经开始使用影子钟表——日晷。他们把一天按影子的位置分成10份。
到现在，依然有很多人用日晷来装饰花园和建筑，但日晷的计时功能早已被现代时钟和手表取代。标有刻度的日晷能帮助人们更方便地读出时间。但是即使用的日晷，仍有计算方面的问题。其中之一就是一天、一月和一年的周期不成整数倍关系。地球绕太阳运动一圈需要365.25天，但是月亮绕地球的运动在364天内就有13次变化。这给早期的天文学家、数学家和日历制作者带来了计算方面的麻烦。