第16章 人类的“量天尺”——各种仪器(3)

象限仪座，是一个已经废弃不用的星座名。在20世纪早期的星图中，可以在天龙座、武仙座、牧夫座之间找到它。1922年，它和其他一些星座一起被国际天文联合会正式从拥挤的星空中排除，从而确定了今天国际上通行的88个星座。象限仪座则通过一个著名的流星雨记录下了曾经有过这样一个星座名字的历史。

9．日晷

日晷又称“日规”，是古代人利用日影来定时刻的计时器。日晷的种类很多，根据晷面所处位置的不同可分为地平式、赤道式、子午式、卯酉式等多种，功能也不尽相同。

世界上最早的日晷，诞生于6000年前的巴比伦王国。中国最早文献记载，是《隋书·天文志》中提到的袁充于隋开皇十四年（公元574年）发明的短影平仪，即地平日晷。赤道日晷的明确记载，初见于南宋曾敏行的《独醒杂志》卷二中提到的晷影图。

赤道日晷，通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，晷针又叫“表”，石制的圆盘叫做“晷面”。安放在石台上，南高北低，使晷面平行于天赤道面这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻画出12个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面。太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。

这种利用太阳光的投影来计时的方法，是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类所用达几千年之久。然而，日晷有一个致命弱点，那就是阴雨天和夜里是无法使用的。直至1270年，在意大利和德国才出现早期的机械钟，而中国则在1601年明代万历皇帝时，才得到两架外国的自鸣钟。清代时虽有很多进口和自制的钟表，但都为王公贵族所用，一般平民百姓还是通过观察天象来推断时间。所以彻底抛却日晷，看钟表知辰光是近现代以来的事。

10．原子钟

原子钟，最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的。物理学家们从来没有想过，这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。

根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的，例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便被用作一种节拍器来记录高度精确的时间。

人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前，世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，因此原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢、铯、铷等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

其一，铯原子钟。

每一个原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象，就是当食盐被喷洒到火焰上时，食盐中的元素钠所发出的橘红色的光。一个原子具有多种振动频率，一些位于无线电波波段，一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。铯133则被普遍地用作原子钟。

将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常情况下，主要是采用锁定晶体振荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似。因此，工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。

为了制造原子钟，铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管，在更远的真空管的尽头，另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器，将打击在其上的铯原子呈比例地显示出来，并在处于正确频率的微波场处呈现峰值。

铯原子钟又被人们形象地称作“喷泉钟”，因为铯原子钟的工作过程是铯原子像喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的计算更加精确。

其二，全光学原子钟。

一项研究结果表明，美国的科学家已经将先进的激光技术和单一的汞原子相结合，从而研制出了世界上最精确的时钟。位于美国科罗拉多州博尔德城的美国国家标准与技术研究所的科学家，研制出了这种新型的以高频不可见光波和非微波辐射为基础的原子钟。由于这种时钟的研制主要是依靠激光技术，因而它被命名为“全光学原子钟”。

我们知道原子时钟的“滴答”来自于原子的转变。在当前的原子钟中，铯原子是在微波频率范围内转变的，而光学转变发生在比微波转变高得多的频率范围，因此它能够提供一个更精细的时间尺度，也就可以更精确地计时。这种新研制出来的全光学原子钟的指针在1秒钟内走动时发出的“滴答”声为1000的5次幂（在1后加15个零所得的数），是现在最高级的时钟—微波铯原子钟的10万倍。所以，用它来测量时间将精确得多。

要制造出这种原子钟，需要有能够捕捉相应离子并将捕捉到的离子足够静止来保证准确的读取数据的技术，同时要能保证在如此高的频率下来准确地计算“滴答”的次数。这种时钟的质量依赖于它的稳定性和准确性，也就是说，这个时钟要提供一个持续不变的输出频率，并使它的测量频率与原子的共振频率相一致。

这一研究的领导者—美国物理学家斯科特·迪达姆斯说：“我们首次展示了这种新一代原子钟的原理，这种时钟可能比目前的微波铯原子钟精确100～1000倍。”它可以计算有史以来最短的时间间隔。科学家们预言这种时钟可以提高航空技术、通信技术，如移动电话和光纤通信技术等的应用水平。同时，这种时钟也可用于调节卫星的精确轨道、外层空间的航空和连接太空船等。

11．水钟

水钟，在中国又叫做“刻漏”、“漏壶”。根据等时性原理，滴水记时有两种方法：一种是利用特殊容器记录把水漏完的时间（泄水型）；另一种是底部不开口的容器，记录它用多少时间把水装满（受水型）。中国的水钟，最先是泄水型，后来是泄水型与受水型同时并用或两者合一。自公元85年左右，浮子上装有漏箭的受水型漏壶逐渐流行，甚至到处使用。

水钟是整个古代世界报时的标准方式，它于公元前6世纪传入中国。水钟曾在雅典等城市成为一道常见的景观，如今在这些城市中已发现公元前35年左右建造的“城钟”的遗迹。这种钟的运行由一块浮标控制，当水从底部的一个小出口慢慢流出时，浮标也一点点地下沉。浮标大概与一根圆杆相连接。圆杆在下沉时使指示柄随之移动。通向水井的台阶的磨损程度表明，每天都要给蓄水池倒满水。

希腊世界也拥有较为精致的水钟。亚历山大城的发明家克特西比乌斯，于公元前270年左右，制造的水钟即为一例。这台水钟的水流，由多个活塞进行精确控制，能驱动从响铃和活动木偶到鸣禽等各种自动装置—这或许就是最早的布谷钟。雅典的“风之塔”是天文学家安德罗尼卡于公元前1世纪初所建，顶部有多座日身，内部有一只复杂的水钟，时间在刻度盘上显示，围绕刻度盘转动的圆盘可显示恒星运行和一年中太阳在各星座间运行的轨迹。

后来，伊斯兰世界制造了华丽的水钟。哈里发哈伦·赖世德曾派使臣由巴格达启程，将一台特别精致的水钟送往神圣罗马帝国开国皇帝查理大帝（公元742～814年）的宫廷。11世纪，阿拉伯的工程师在西班牙的托莱多建造了一对大水钟，钟上有两个容器，月满时，水慢慢注满；月缺时，水慢慢排干。这些水钟结构精巧，历经百年而无须校正。

西欧人一直宣称，时钟制造业的第二次飞跃—机械钟的发明是由他们完成的。然而，在这些早期欧洲时钟问世数百年之前，聪明的中国古人，就已经发明了机械钟。我国古人发明机械钟，是为了满足精确记录诸多皇位继承人出生时刻的需要，这样，御用占星家们就能够确定天象对他们的影响，从中挑选最佳者继承皇位。中国人在几个世纪内，开发了更为精确的水钟，其中包括一种不用水而使用水银的停表，但这些水钟仍然不能满足占星家们的特殊需要。