時間是什麼 ?


「時間是什麼 ? 我知道它是什麼，但是如果有人這樣問我，我則無法明白地告訴他答案。」 這是公元四世紀時， 聖奧古斯丁對時間的評述。 你認為時間是什麼呢 ?

St. Augustine  by: Botticelli, Sandro, 1480

世界上在許多的文化裡都有著掌管生與死循環的神話故事， 上圖是中美洲阿茲特克人文化中，標示四個已過往的宇宙年齡環繞著現代第五個太陽年歲的石刻， 中央的圖像是他們文化中的太陽神。 from: 時間特展　http://aeea.nmns.edu.tw:80/aeea/time_exhibit_c.html


時間是從哪裡來的呢 ?

現今科學上許多天文學家所深信時間的起源乃是來自於一次的 「大霹靂 (Big Bang) 」 。 我們生存的宇宙是在一次大霹靂後，經過暴漲和相變的過程將超巨大的能量轉變成輻射和粒子，終於形成了目前的宇宙。此大霹靂的理論依據是「從一點爆炸」、「宇宙膨脹」和「宇宙背景輻射」等三個論點。

眼前的時間 : 「現在」

你所看到的也是「現在」才發生的事件嗎 ? 還是它們早已發生過，祇是「現在」才進入你的眼簾和腦海裡被你辨識出來而已。 舉例來說，上圖是現在所看到距離我們約 3 億光年外的 NGC 1409 和 NGC 1410 兩星系互撞的情形， 它們互撞事件的發生早在約 3 億年以前已發生了，而現在才被我們觀察到。你始終所在的時刻之意涵是「你永遠是生活在現在」。


在大霹靂學說中，示意著「現在時間」正隨著宇宙在膨帳變化中。


時間是怎樣精確地被「量測」和「標記」?       

時間是物質存在和運\動的一種形式。它與長度、質量一起構成了三大基本物理量。但是同後者相比，時間具有特殊的性質。人們不可能像計量長度和質量那樣，利用一個「原器」把時間標準恆定地保存起來，而只能選擇某些適合的物質運\動過程去進行計量。


時間的單位

時間的基本國際單位是秒。長期以來，人類普遍採用天體的宏觀運\動週期作為計量時間的標準。這就是傳統的天文時間標準。本世紀六十年代以後，天文時間標準被以物質內部原子的微觀運\動為基礎的原子標準所取代。目前，計量時間的標準是銫原子在一定條件下躍遷輻射的振蕩頻率。

1960年以前，CIPM（國際計量大會）以地球自轉為基礎，定義以平均太陽日之86400分之一作為秒定義。即1 Second = 1/86400 Mean Solar day其穩定度在10-8左右。

1960~1967年CIPM改以地球公轉為基礎，定義西元1900年為平均太陽年。秒定義更改為：一秒為平均太陽年之31556925.9747分之一。1 Sec = 1/31556925.9747 Solar Year at 1900穩定度約為10-9。

二十世世紀中葉，由於量子力學的發展，發展了諸如光譜超精細結構、鎂射及雷射、光磁共振（Optical Pumping）、分子束磁共振、分離震盪場等實驗及研究，使量子頻率標準取代以天體運\動為標準之天體時而成為計時標準。1967年，CIPM定義秒是銫 133原子（Cs133）基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9,192,631,770個週期所持續的時間。此秒定義一直維持至今。


時間是從哪裡開始數算的 ?

所謂時間基準，就是在當代被人們確認為是最精確的時間尺度。

在遠古時期，人類以太陽的東昇西落作為時間尺度；

公元前2世紀，人們發明了地平日晷，一天差15分鐘；

一千多年前的希臘和我國的北宋時期，能工巧匠們曾設計出水鐘，精確到每日10分鐘誤差；

到了17世紀，單擺用於機械鐘，使計時精度提高近一百倍；

到了20世紀的30年代，石英晶體震盪器出現，對於精密的石英鐘，三百年只差一秒。

1820年法國科學院正式提出：一個平太陽日的1/86 400為一個平太陽秒，稱為世界時秒長。


希臘掌管智慧的女神正在指導拖勒密量測月球的規律運\動， 而以日月星辰的規律運\動所形成的「周而復始」的現象來定出時間。
Ptolemy wrote the first modern Astrology textbook establishing the heart and soul of Astrology, which has not much changed in the practices of Western Astrology today. He served in dual roles as both the scientifically-minded mathematical astronomer searching out the skies, and as the metaphysically-minded astrologer divining the purposes of the heavens.

整齊劃一的時間單位

至少在5000年前，巴比倫人與埃及人就已經開始測量時間。他們制定曆法，以便組織協調居民活動與公眾事件、安排貨船的航次，更重要的是，要決定播種與收成的時間。他們的曆法奠基於三種自然循環：地球自轉所產生的日夜週期（日）；月球繞地球公轉的朔望週期（月）；地球繞日公轉的四季週期（年）。

古埃及的庶民曆法每月有30天，一年有12個月，再加上額外的五天以逼近太陽年。另外他們以每10天為一單位，用一組天空出現的星群來標記，稱為「星宿」（decan）。每年當尼羅河要開始氾濫時，天狼星就會在日出前升起，同時有12個星宿橫跨星空。由於埃及人認為12星宿的出現意義深重，這促使他們發明一種系統，將黑夜等分成12個單位（後來白晝也同樣12等分）。這個時間單位被稱為「真時」（temporal hour），因為它會依季節遞嬗所產生的晝夜長短不同而變化，夏季白天的真時較長，冬季白天的真時較短，只有在春分或秋分時，白天與夜晚的真時才會一樣長。真時後來被希臘人採用，並由羅馬人將它傳播到整個歐洲去，使用的壽命長達2500年之久。

雖然我們可以調整機械鐘去標定真時，不過最自然的做法則是採用固定長度的「均時」（uniform hour）。不過要採用均時，得先解決一天時間從何時起算的問題。最後的競爭勝利者是「小鐘時」（或稱「法國時」），我們今天所採用的就是這種均時制：將一天分成兩個12小時的週期，並由凌晨起算。


到了1580年，鐘匠開始接到在計時裝置上顯示分秒的委託，不過以當時的技術而言，還無法達到這麼精準的要求，這項挑戰一直到1660年擺鐘出現後才克服。分秒制源自巴比倫天文學家將「度」分為60單位的做法。「分」（minute）這個字是從拉丁文prima minuta而來，也就是「第一細分」的意思；而「秒」（second）則源自secunda minuta，「第二細分」之意。將一天分成24小時，每小時60分，每分鐘60秒的傳統，在西方文化裡根深柢固，所有企圖改變這種安排的努力全都失敗。最著名的一次，是1790年代法國大革命那段時期，當時的革命政府大力推行十進位制。雖然法國人的確在公尺、公升這些十進位度量衡上取得成功，不過將一天分為10小時，每小時100分鐘，每分鐘100秒的新制度，壽命只有16個月。

Using Water

水運\儀象台 The waterpowered mechanical clock built under the direction of Su Sung, AD 1088. By John Christiansen after Joseph Needham, et al.
The Su Sung clock tower, over 30 feet tall, possessed a bronze power-driven armillary sphere for observations, an automatically rotating celestial globe, and five front panels with doors that permitted the viewing of mannequins which rang bells or gongs, and held tablets indicating the hour or other special times of the day.
宋元祐年間〔西元 1088 年左右〕，吏部尚書蘇頌和韓公廉在京城開封製成一座水運\儀象台。這座大型天文儀器，集渾儀、渾象和報時裝置於一身，是一座上窄下寬、底為正方形的高台木結構建築。全台分三隔：上安渾儀，中設渾象，下置報時裝置和動力機械。通過水力驅動機械系統，可以帶動木人按時持不同時辰牌出現於樓口，並採用搖鈴、敲鐘、擊鼓方式自動報時;夜間則用擊鉦報更。
http://aeea.nmns.edu.tw:80/2001/0103/ap010326.html

擒縱裝置：「水運\儀象台」，有一套控制齒輪穩定運\轉的操作裝置，我們稱它為「擒縱器」，其功用相當於卡子。



鼓樓曾用於計時的「銅刻漏」與其它刻漏不同之處在於：它不僅具有計時功能，同時兼具報時功能，以水作為動力在完成「箭尺」顯示時刻的同時，推動機械裝置擊鐃報時為了增強壺水的穩定性，有效的控制漏水的流速，這一漏刻採用了四級漏壺，一曰天池壺、即承接存貯上天之水；二曰平水壺，以平其水面均其漏，可令水位平穩流速恆定；三曰萬分壺，即壺中之水可潺湲萬滴之意，實際上它是又一個平水壺；四曰收水壺，即收貯來自萬分壺之水，設箭尺於中，水漲箭浮，依刻顯時。兼具了計時功能、報時的功能。

漏壺計時的方法持續了幾千年，但冬天水結凍了還是很困擾。直到十二世紀，一名僧侶發明了沙漏鐘，漏壺才逐漸被沙漏鐘取代。它是根據流沙從一個容器滴漏到另一個容器的數量來計量時間的。古代人設計的“五輪沙漏”通過流沙從漏斗形的沙池流到初輪邊上的沙斗里，以此來驅動初輪，從而帶動各級機械齒輪的依次旋轉。最后一級齒輪帶動在水平面上旋轉的中輪，中輪的軸心上有一根指針，指針則在一個有刻線的儀器圓盤上轉動，以此來顯示時刻，這種古老的顯示方法几乎與現代時鐘的表面結構完全相同。再來，彼得·亨蘭發明了平衡輪，克裡斯蒂安·海根斯發明了擺錘。


全部採用機械件的非週期控制計時時期 (1300～ 1675) 　使用垂錘的滑輪，逐漸脫離自然動力

 

Mechanical Clocks

一二七O年前後在意大利北部和南德一帶出現的早期機械式時鐘，以秤錘作動力，每一小時鳴響附帶的鐘，自動報時。一三三六年，第一座公共時鐘被安裝於米蘭一教堂內，在接下來的半個世紀裡，時鐘傳至歐洲各國，法國、德國、意大利的教堂紛紛建起鍾塔。


時間的節奏

史上第一座以砝碼帶動的機械鐘，是1283年裝設在英格蘭貝德福郡的丹斯塔布修道院。羅馬天主教會在製鐘技術的發明與演進裡扮演重要的角色，並不令人意外，這是由於修道院必須嚴格遵守祈禱\時間的教規，因此很需要一種更可靠的計時裝置。

到了1300年，許多工匠在法國與義大利為大大小小的教堂製造時鐘。由於最初計時是以敲鐘（bell）來指示時間（提醒周圍的人開始上工了），因此這個新機器就用拉丁文的「鐘」——clocca—— 來命名。這種新計時裝置中最具革命性的一環，既不是提供動力來源的下垂砝碼，也不是傳動力量的齒輪（這至少在公元1300年之前就出現了），而是「擒縱器」（escapement）。經由它才能控制齒輪的轉動，將維持振盪器運\動的力量傳送出去；因為有了擒縱器，這種新的計時裝置才能調節速率準確計時（見下表「立軸與橫桿擒縱器」）。發明擒縱器的人在史上並未留名。


這座早期的機械鐘是由英國數學家暨聖阿爾本修道院院長沃林福德所訂作的，它建造於1327~1336年間，用來協助修士按時進行日常工作。

 

早期時鐘機械原理的發展  立軸與橫桿擒縱器（escapement） 第一座機械鐘（約1300年）裡所出現的創新零件稱為擒縱器，它不但可以控制冠輪的轉動，而且可以傳送動力保持振盪器的運\動，因此可以調校計時器運\作的速度。帶有鋸齒的冠輪（或稱為擒縱輪）是由一系列齒輪所驅動，動力來源則是繫在繩索上的砝碼，它纏繞在冠輪軸上。順時鐘運\動的冠輪，會被兩片從垂直桿（稱為立軸）上伸出的掣片阻擋，立軸上還附著一根橫桿。當上面的掣片卡住冠輪時，會發出「滴」一聲，咬合的輪齒慢慢迫使掣片向後轉動，直到它可以脫身。但是這時，冠輪的轉動又會被下面的掣片卡住而發出「答」一聲，並迫使立軸往反方向旋轉。由於冠輪的帶動，立軸與橫桿就這樣來回擺動，直到繩索鬆脫為止。至於整個機組運\行的快慢，可以用橫桿臂上的砝碼位置來調整，砝碼外移時，機組便會走得慢些，砝碼內移則走得快些。

約在1500年，德國鎖匠P.亨萊因發明了發條，替代重錘作為鐘的動力，時鐘的體積大為縮小，製造出人們能隨身攜帶的鐘。這是鐘錶技術上的又一次飛躍。從此以後，時鐘才逐步進入家庭用鐘的行列。一五一O年，德國的鎖匠首次製出了懷表。當年，鐘錶的製作似乎僅限於鎖匠的副業，直到後來，對鐘錶精度的要求越來越高，鐘錶技藝也日益複雜，才出現了專業的鐘錶匠。

週期控制計時時期(1675年至今) 　就計時精度的發展來說，這一時期大致可分為3個階段：

第一階段（17世紀末至18世紀中） 　這一階段的計時精度較前一時期明顯提高。

　　1582年，伽利略發現擺的等時性原理，奠定了計時學的理論基礎。1656～1657年，荷蘭物理學家C.惠更斯應用伽利略發現的原理，製成世界上第一隻擺鐘。1675年，惠更斯又首先成功地在鍾上採用了擺輪游絲。由於這兩項重大發明，即把擺和擺輪游絲振蕩系統的頻率作為時間基準而用於鐘錶，使得鐘的走時精度大大提高，鐘的外形尺寸也因此可以縮小。這時，尺寸較小的懷表開始流行起來。

 

早期時鐘機械原理的發展  擺鐘 雖然伽利略與其他16世紀的科學家都知道單擺所具有的計時潛力，但是第一個設計出擺鐘的人則是惠更斯。他很快就發現，單擺在短圓弧上擺盪比在長圓弧上來得快。為了克服這個問題，他在鐘擺的懸吊點裝了兩片彎曲的「擺線頰板」。擺線頰板在擺繩擺盪時會恰當地擋住部分擺繩，讓擺繩的有效長度隨著擺幅變大而縮短，使得鐘擺移動的軌跡是一條擺線而非圓弧。這麼一來，理論上每一次鐘擺的擺盪時間都會一樣，不會因為擺幅大小而有所改變。在惠更斯的鐘裡，由重力帶動的鐘擺取代了純粹由機械帶動的水平橫桿振盪器；此外，以鐘擺的節奏來調校立軸擒縱器的作用與齒輪的轉動，也使鐘面指針的顯示更加可靠準確。

 

　　鐘錶技術的另一個重大進展，是擒縱機構的改進。1670年，英國的W.克萊門特發明後退式擒縱機構，提高了鐘的走時精度。這種機構在今天的一些簡便的擺錘式掛鐘中仍有使用。1715年，英國G.格雷厄姆發明直進式擒縱機構。它能使鐘擺在擺動到平衡位置附近時受到一個沖量，而在擺動到其他部位時只受到很輕微的摩擦力。它彌補了後退式擒縱機構的不足之處，使鐘的走時精度得到了很大的提高。

早期時鐘機械原理的發展  錨形擒縱器 1670年左右由英國人發明的錨形擒縱器，是一種貌似船錨的槓桿裝置。鐘擺擺動時會帶動這個錨桿，卡住又鬆脫擒縱輪上的鋸齒，以此控制擒縱輪不可逆轉地一次次前進固定的時段。與早期擺鐘所使用的立軸擒縱器不同的是，錨形擒縱器可以讓鐘擺只擺盪很小的幅度，於是就沒有必要讓鐘擺保持在擺線上運\行。另外，這項發明也讓細長的秒擺實際可行，因而產生一種嶄新直立在地板的鐘殼設計，也就是後來所謂的爺爺鐘。

 

早期時鐘機械原理的發展  螺形平衡彈簧 1675年，惠更斯發明了螺形平衡彈簧。它就像擺鐘裡控制鐘擺擺盪的重力，負責在可攜式計時器裡調整平衡齒輪的旋轉振盪。所謂平衡齒輪是一個圓形的轉子，不斷地來回旋轉振盪。右圖是一個現代的螺形平衡彈簧，以可調整的螺絲來微調。

　　16世紀末，由於遠洋航海事業的發達，促使人們開始尋求一種精度高的計時儀器，以便計算船隻在海洋中的經度位置。英國的J.哈里森經過多年的努力，於1735年成功地製成了第一隻航海天文鐘，但太笨重。後經不斷改進，第四隻鐘的體積已同現在的鬧鐘大小差不多。1761年，第四隻航海鍾在一次遠航試驗中，取得了歷時156天只差54秒的成就。

  
Wall Clock from the 1870s  

http://www.britannica.com/clockworks/movie/otime00014v4.mov

第二階段（18世紀中葉至20世紀初） 　

 

這一階段的計時精度比第一階段又提高了一步。精密計時器開始朝商業性方向發展。

 

　　1765年，T.馬奇發明自由式擒縱機構，並於1840年在瑞士得到改進。1897年，C.E.紀堯姆發明了鐘錶用的鐵鎳合金等。由於這些成就，鐘錶走時精度又有提高，同時繼續向小型化方向發展。

　　這一階段，擺鐘開始迅速發展起來。天文擺鐘在18世紀中葉已經達到日差1/10秒的精度。到19世紀末，它的走時精度達到日差1/100秒的水平。
　　1840年，英國A.貝恩發明電鐘，開創了電技術在鐘錶領域的應用。此後，電鐘得到迅速發展。



第三階段（20世紀初至今）

 　

這一階段的計時精度已非常高，相應的計時儀器如天文鐘、原子鐘等的最高精度已達 10^-14。這時鍾表的含義已大大超越了早期鐘錶的含義，這個階段主要有以下3個特點：

　　①電技術的應用極大地提高擺鐘的走時精度，並使電鐘獲得大發展。1916年，美國H.E.沃倫對以往的電鐘進行改進，製成了同步電鐘。後來，這種電鐘在美國和歐洲迅速流行。電鐘的精度一般保持在日差幾秒之內。1921年，英國W.H.雪特製造出精密的天文擺鐘──雪特擺鐘(clock Shortt)。它是由兩隻擺鐘以子母鍾形式組成。子鍾由母鍾控制，並與母鍾同步，其精度達到日差0.001～0.002秒。這種擺鐘成為 1924～1942年間格林威治天文臺的標準鐘。

　　②設計適於大批量生產的手錶結構，使之獲得高精度並在全世界普及。20世紀初，瑞士開始研製手錶並大批量生產。第一次世界大戰期間，手錶因具有很高精度而開始受到人們的歡迎。大戰後，手錶開始在美國流行，隨後便在世界各地盛行起來。從1914年開始大量製造手錶，到1920年，手錶製造業已成為瑞士最重要的工業之一。到第二次世界大戰後，手錶幾乎取代了懷表。

　　③直到本世紀20年代，最精確的時鐘還是依賴于鐘擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鐘是基于石英晶體有規則振動而制造的，這種時鐘的誤差每天不大于千分之一秒。隨著科學技術的發展，微電子技術開始被引入鐘錶中。採用音叉振蕩器和石英諧振器作為計時器的時基。1922年，W.G.卡迪首先採用石英晶體作為頻率標準器。1929年，英國W.A.莫裡森將石英晶體應用於計時，製成一隻環型的石英晶體計時器。1938年，英國國家物理所的L.愛森對這種石英鐘進行了改進，使之比雪特天文擺鐘走時更為精確。1942年，格林威治天文臺用石英鐘代替雪特鐘，作為標準鐘。


Quartz Clocks  a quartz crystal chemical name: SiO2, Silicon dioxide

1934年，美國C.E.克利頓和N.A.威廉斯發明原子鐘。1955年出現了銫原子鐘。它們的出現，使時間頻率計量精度又產生一個飛躍。此後，氫原子鐘、銣原子鐘等相繼出現，發展非常迅速。1967年起，以銫原子鐘的躍遷頻率為基礎，規定了原子時的秒長，並成為目前時間計量的標準。與石英鐘相比，原子鐘具有更高的頻率。原子鐘或原子頻率標準的頻率漂移已達到 10^-13或10^-14。原子鐘的出現，是時間測量技術上一場重大的革命。

Atomic Clocks

 

今天，名為NIST F-1的原子鐘是世界上最精確的鐘表，但它并不能直接顯示鐘點，它的任務是提供“秒”這個時間單位的准確計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家標准和技朮研究所（NIST）物理實驗室的時間和頻率部內。1999年才建成的這座鐘價值約為65萬美元，可謂身價不菲。在2000萬年內，它既不會少1秒也不會多1秒，其精度之高由此可見一斑。這架昂貴的時鐘既沒有指針也沒有齒輪，只有激光束、鏡子和銫原子氣。

 

NIST F-1原子鐘，它由170個元器件組成，其中包括透鏡，反射鏡和激光器。位于中部的管子高1.70米，銫原子在其中上下移動，發出極為規則的“信號”。

 

按連結 →  MPEG Video Demonstration of How a Cesium Fountain Works

參考資料：
http://inventors.about.com/library/inventors/blcesiumfountain.htm

http://aeea.nmns.edu.tw:80/aeea/time_exhibit_c.html

http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=136&DocNo=214

http://bbs.ccit.edu.cn/kepu/100k/simple/index.php?t5870.html

http://amo.net/AtomicTimeZone/help/TimeHistory.html

http://www.arcytech.org/java/clock/clock_history.html

http://www.crystalinks.com/clocks.html

http://www.britannica.com/clockworks/sundial.html