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时间于你而言是什么?

作者:李孝辉 发布时间:2021-02-16 11:09:14 来源:光明网 字体:   |    |  

  上下四方曰宇,古往今来曰宙。请随我们进入“时间”的故事。

  时间对每个人而言,并不单单仅用来说明我们的生命是由一分一秒的时间构成。时间在很多场合起着至关重要的作用!从农民到航海家,从原始人到现在的科学家,人们的工作、生活,处处都与时间密切相关。可以说,时间左右着一切事物,攸关成败。

  原始人:时间是关乎生命安危的大事

  在远古时代,人们过着原始群居的渔猎游牧生活,使用最简陋的工具,靠采集和渔猎获取食物以维持生计。为了避风遮雨,他们往往把森林、洞穴等天然场所作为固定的住地。

  清晨,太阳从地平线上升起,给大地带来光明和温暖,整个森林都活了过来,这时,原始人开始走出洞穴,在森林里采集果实和猎物,为生存做准备。

  在这一天的活动中,原始人时刻注意着太阳,他们要在太阳落山前回到居住的洞穴。因为只有洞穴里,才能躲避夜行猛兽的袭击,躲过寒气雾水的侵蚀,让他们能够安全的渡过整个夜晚。

  出于这个目的,原始人很快就意识到“时间”这个问题。根据太阳的位置判断时间的流逝,掌握他们返回洞穴的时间,以保夜晚的安全,增加生存的希望。

图1. 原始人根据太阳判断时间(图源:作者)

  古代农民:时间承载着丰收的希望

  在农牧业生产中,作物的播种、耕耘、收获、储藏,都需要与季节密切配合。安排得当才能得到好的收成,稍有差错就会造成歉收。于是,人们开始考虑如何准确地辨别季节以确定农时,也就是推算日期和时间,然后慢慢就演变出了最原始的日历。

  如果说原始的群居社会离不开“日”这个概念的话,那么对农业民族来说,就不能没有月份、季节和年的确定。

  最初,人们根据草木枯荣、鸟兽出没等物候现象来确定月份和季节,并以此指导农业生产。随着物候变化与自然变迁一次又一次重复印入脑海,天象的循环变化同样也留给人们以深刻的印象。于是,人们通过观察日月星辰的运动变化来确定年月季节这些时间,组成日历,指导农业生产活动。

图2. 春种夏长秋收冬藏(图源:作者)

  皇权:时间是维持统治的手段

  在古代,封建社会的皇帝宣称其统治是顺天意,是真命天子,作为“真命天子”的一个表现就是持有更加准确的时间。时间最主要的体现就是日历。所以在封建王朝,日历上升到法律的层面,称为历法,并设置专门的部门及官员来制定日历。如宋元有司天监,明清有钦天监。

图3. 故宫日晷(图源:网络)

  历史上我国许多著名科学家,如汉代张衡、南北朝的祖冲之、唐代的一行、宋代的沈括、元代的郭守敬、明代的徐光启等,都对日历的确定作出了突出的贡献。

  每一任新皇帝都希望自己给出的历法比前朝更准,并且会重新颁布历法,纪年等也都要重新开始。这样,历法的主要功能开始发生转移,除了客观上仍为农业提供时间安排外,更多的是偏向非农业的目的:为占星服务、为政治服务、为王权统治的建立和稳定服务。

  古代,由钦天监等专职天象观测的官员,通过观测确定日历,但这并不能发布,需要等到皇帝认可后,才能以法律的形式颁布,皇帝的钦定即赋予了历法的国家属性,而诏令颁行则将历法直接赋予了国家法律的属性。

  与一般法律的颁布不同,历法颁布的仪式非常讲究,这也说明了朝廷对历法的重视。比如明代颁历,洪武时在九月初一日,永乐时改在十一月初一日,万历后又改为十月初一日,地点先在南京,迁都北京后在奉天门(后改称皇极门,即今太和门)。虽然时间和地点不同,但对日历的重视却是相同的,有记载这样说:“是日御殿,比于大朝会,一切士民虎拜于廷者,例俱得赐”。

图4. 清朝颁布历法的太和殿(图源:作者)

  到了清代,颁历典礼更为隆重。在每年的十月初一日,都要在午门举行仪式。乾隆后为避其“弘历”名讳,将“颁历”改称“颁朔”。由于清代的颁朔典礼十分隆重,故在乾隆五年颁朔时,乾隆一时兴起,作了一首诗《十月朔日颁时宪书》,以表其一统天下之得意心态。历法越来越隆重的颁布仪式,说明历法本身有着非同寻常的意义。

  航海家:时间是海上航行的指明灯

  对于中世纪的航海家来说,航海是非常辛苦的,狂风巨浪的威胁已经不值一提,在海上迷路才是要命的大事。大海无边无际,没有高山大河的标记,迷路是经常发生的事。

  一旦迷路,船员无法在途中找到岛屿或陆地,无法补充淡水和食物。而且那时还有一种比渴死饿死更令人头疼的病:坏血病。过去几百年间,这是在海员、探险家及军队中广为流行一种病,有“水手的恐惧”之称。在大海中航行,即使不触礁,不遇到大风浪,迷路几个月后,船上水手会死掉大半。因此,海上准确定时定位是关乎生命的大事。

  那个时候,在海上导航和定位被欧洲各国视为第一大事,很多国家都开出巨额大奖支持导航工作。西班牙的菲利普三世于1598年颁布诏书,宣布设立经度奖金,任何人只要找出海上测量经度的方法,就可以得到2000金杜卡托的奖励。后来,其他国家相继跟进,荷兰悬赏一万佛罗林,法国出价十万里弗,英国出价2万英镑(购买力相当于现在的一千万人民币)。

  海上导航的关键是“经度”的测量。在英国的哈里森用航海钟获得了大奖以后,远航的轮船上带着几十块航海钟已经是非常正常的事情了,可见航海家对精确时间的迫切需要。

图5. 航行的水手需要精确时间来进行导航(图源:作者)

      科学家:时间是科学研究的基础

  在现代,时间通常和频率联系在一起,统称时间频率。时间频率目前是实现测量精度最高的物理量。时间频率信号可以通过电磁波传播,直接应用于科学研究和工程技术。基于此,高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量,关系着国家和社会的安全稳定。时间频率技术作为科学技术发展的技术基础,对科技发展具有不可忽略的作用。

  2011年9月,欧洲核子研究中心一度宣布他们发现了超光速现象,震惊了整个科学界。如果实验结果被证实,现代物理学的基石——狭义相对论的正确性将受到颠覆性的冲击,现代物理理论大厦将会动摇。这一消息引起了学术界的强烈反应。然后,通过进一步的计算分析,英国科学家与荷兰物理学家认为,实验过程中应用卫星导航系统进行时间同步,对星载原子钟随卫星运动的相关效应考虑不周,出现了时间测量误差,超光速现象并不属实。如果没有时间上的错误,这将给科技界带来一场地震。

  作者简介:

  李孝辉,中国科学院国家授时中心研究员,博士生导师,国家卫星导航重大专项专家组成员,主要研究时间频率测量、时间同步、卫星导航。

  何雷,中国科学院国家授时中心时间频率测量与控制研究室工程师,硕士。主要从事时间频率测量技术,原子钟性能分析技术等方面的研究。

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