計時簡史（上）

引子

當人類還在刀耕火種，日出而作日落而息時，人類對於時間的記錄是以天為單位的。

當人類冶金鍛造，調配與熬製藥劑時，人類對於時間的記錄是以時辰為單位的。

當人類進入現代，忙於快節奏的工作與學習時，人類對於時間的記錄是以分鐘為單位的。

當人類構建強子對撞機，試圖探究宇宙最深最本源的秘密時，人類對於時間的記錄是以飛秒為單位的。

古代篇

人類對於時間最初的概念，來源於太陽。太陽每天東升西落,是很容易引起人類注意的時間周期現象，人類首先出現的計時工具，自然也是由太陽而生。

立竿見影的思考

日晷

把一根木杆放在陽光明媚的場地中央，木杆底部就會出現影子。隨著時間的變化，太陽的位置移動，影子的位置也會相應的改變，這就是日晷的原理。大家在中國科技館「科技與生活」展廳的「立竿見影」展品處可以看到地平式日晷、赤道式日晷、半球式日晷等不同種類的日晷實例。

展品「赤道式日晷」

日晷作為人類最早的計時工具，具有一個所有計時器都缺少的獨特優點，那就是誤差的不累積性，日晷在前一天的計時偏差完全不會影響到它對於第二天時間的測量。這一點使得最遠古的日晷也可以在今天正常使用。

然而日晷也具有很多缺點。首先對陽光的依賴使其受制於天氣、戶外等因素，影響了使用。其次，除赤道式日晷外，其他日晷的刻度都是不均勻的，這使得日晷無法測量最小的兩個刻度以內的時間,例如，如果兩個刻度線分別是兩個時辰，那麼這兩個時辰中間的時間完全無法用日晷的投影來進行判斷。最後，季節的變化使太陽在天空中的相對位置會發生改變，導致日晷的投影長度產生變化，從而引起較大的誤差。

上述的局限性使得日晷無法充分滿足古人對於計時的更加精細的需求，於是，以非天文的物理過程為依據的計時工具「漏刻」就應運而生。

漏刻計時

「漏刻」是指古代的一種計時工具。一種很古老也很簡單的漏刻計時方法是「沉漏」。它讓水流出一個容器，容器下放有流管，容器裡面有一個直立的浮在水面的箭桿，上有刻度，稱為箭尺。使用時，容器中的水通過流管不斷流出，箭尺逐漸下沉，以示時間。

在中科館「科技與生活」展廳「漏刻計時」展品中展示了一個以沙子為媒質的漏刻計時器：沙漏。沙子比起水的優越性在於便於攜帶，由於沙子在滲漏的過程中，下部的空氣可以透過沙子的縫隙移動到沙漏的上半部分，不會因氣壓問題阻礙漏刻的進行，因此沙漏是可以做成完全密封的形式，這也使得沙漏成了最早的移動計時器。由於其古樸而優美的造型，時至今日在一些古典的競技項目中，比如國際象棋，依然在使用沙漏作為計時器。

展品「漏刻計時」

沙漏

雖然沙漏便於攜帶，但是它仍然存在一定的問題：隨著上半部的沙子逐漸下落到下半部，沙子的下落速度不斷變化。同樣，前面提到的「沉漏」也存在這樣的問題，容器中的水位隨著水流滴出而不斷下降，因此出水口處的壓力不斷減小，會導致滴水的速度越來越慢。這種漏沙或流水速度的不均勻，會導致計時的精確性大大下降。

針對以上缺陷，我國古代勞動人民發揮他們的智慧，想到了很多辦法來保持水位在同一個高度，於是發明了「浮漏」。浮漏由兩個容器構成，一隻是泄水壺，一隻是受水壺。受水壺內裝有指示時刻的箭尺，故通常稱為「箭壺」。箭壺承接由泄水壺流下的水，隨著箭壺水位上升，箭壺內的箭尺也隨著上升，從而顯示時間。由於箭尺不再放在泄水壺中，所以人們可以想辦法採取措施來保持泄水壺內的水面高度穩定，從而保證滴入到箭壺的水流量穩定，提高計時精度。最容易想到的辦法就是每隔一段時間人工往泄水壺內加水，由於加水前後的水位有一定變化，因此也會導致泄水壺的水流速度有一定不同，實驗表明日誤差約為6分鐘左右。[1]

多壺式滴漏

沿著穩定水位來提高精度的思路，古人又逐漸發展出了使用多隻泄水壺的「多級漏壺」。所謂多級漏壺就是使用兩個以上的漏壺，自上而下放置，使最上面壺中的水流入第二壺，第二壺的水流入第三壺，以此類推，逐一補給直至最後一個泄水壺流入箭壺。由於得到上面幾個泄水壺的不斷補給，最後一級泄水壺的水位大體上可以保持不變，從而大大提高了計時精度。[2]

在中科館「華夏之光」展廳大家可以看到「多壺式滴漏」這件展品，它就是用了四個盛水的容器，一級一級地向下滴漏。真正用於計時的是最下面的容器，而上方兩個容器漏下的水可以很好的維持倒數第三個容器的水位高度保持基本不變，從而保持水流的流速穩定，從而保證了計時的相對精確。

展品「多壺式滴漏」

古代篇結語

古人利用他們的智慧和大自然的奧妙構建了巧妙的計時工具，為生產、生活帶來了極大的便利，推動了社會的發展。但是古代計時工具或多或少都存在一定的局限性，精度也難以令人滿意。

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