我們如何測量時間？相對于古代的第一批鐘如今的鐘表有多精確？秒的定義又是什么？

我們中大部分人理所當然地認為我們有權利去檢測時間的推移，有權利在任何時候都知道到下一個預約為止還剩多少時間，或者能夠與世界另一邊的人們達成時間一致。當然，情況并非總是如此。

我們如何測量時間？相對于古代的第一批鐘如今的鐘表有多精確？秒的定義又是什么？讓我們一起了解一下測量時間的進化史。

我們用來測量時間的5種工具：

1.日晷

2.水鐘

3.機械鐘表

4.石英鐘

5.原子鐘

讓我們再進一步探討每種工具。

1.日晷

史上用于記錄時間最古老的方法估計是日晷。在沒有任何資源的情況下，你外出可以根據觀察太陽在天空中的位置來粗略判斷現在是幾時，當然這得是一個晴天。追溯到公元前1500年(甚至更早的時候)，古埃及和蘇美爾的時間記錄者發明了利用太陽光影來記錄時間軌跡的第一套設備。

古羅馬人在他們城市中心建造了日晷。有錢人則會攜帶迷你版。現在所知的最古老的便攜式日晷模型是在公元79年維蘇威火山爆發時被埋在火山灰下的一座意大利別墅里發現的。日晷被形容為一塊意大利火腿形狀的金屬，正好可以裝在咖啡杯里。

盡管日晷有各種變化，但它們依舊是利用太陽來記錄時間。有許多人利用一個狹細的、有角度的被稱為指時針的物件在標記上投射光影來指示一天的時間。其他人則通過太陽光線通過一個小縫來表示時間。指時針有時候是固定的，有時會被移動因為處于不同的季節時白天的時長不同。

日晷的精確度取決于它的校準、它所使用的制作者的精確度（換句話說，日晷的投影是否又寬模糊？）、以及它自身指時針的大小。最粗糙的日晷測量精度可以達到一小時以內，但是日晷作為唯一常用的鐘僅持續到17世紀中期，而更現代的鐘表可以達到15秒到30秒的精確度。注意細節的話，你甚至可以制作自己的日晷精確到每一分鐘。

世界上最大的日晷是與Jantar Mantar紀念碑上其他18種天文儀器在印度拉賈斯坦邦的齋浦爾的發現的。這個日晷高27米（或者88英寸），在頂部有一個小圓屋頂用來預示日月食和季風的到來，并且它測量誤差只有2秒。在2010年哈利法塔建成之前，臺北101一直是世界上最高的建筑，同時也充當著一個巨大的日晷，就像是巴黎的盧克索方尖碑。

2.水鐘

當然，日晷的使用是有限制的，只有當白天無云的時候才有效。有人建造了月晷，盡管它們的精度可能會隨月亮的相位而變化，麥開特（特殊的天文儀器）則使用不同的星星來跟蹤整個晚上的時間流逝。然而，時間記錄者開始尋找非天文的方法來計時。

特殊的是，古希臘和古羅馬是水鐘的愛好者，盡管最古老的的水鐘之一是在埃及法老阿蒙霍特普一世的墓中發現的，可以追溯到公元前1500年。這個最早的水鐘是一個帶有傾斜邊的石壺，可以讓水通過底部的一個小孔以一個固定的速率流出。這個壺的內部有刻度將不同的水位和時間聯系起來。

為了提高水鐘的精確度，一些水鐘被機械化，通過控制水壓使水的流動盡可能穩定。然而，水溫的變化會導致每天時間30分鐘的誤差。

一些水鐘引發了花式展覽上雕像的移動，其他的則響起了鐘聲。第一個水基鬧鐘是在公元前427年柏拉圖建造的。在柏拉圖的鐘里，水位一旦達到一定的高度就會被抽到另一個容器里，而這個容器有一根狹窄的管子。當水通過管子時，它就會發出像茶壺里的開水一樣的鳴聲。其中一個最復雜的水鐘是由穆斯林工程師Al-Jazari在1206年設計和建造的，它是一個由重量驅動的亞洲大象形狀的水鐘。

還有一些依賴于自然介質穩定變化的計時方法包括香種、沙鐘（也稱沙漏）、油燈鐘。然而，與水鐘一樣，他們的精確度依舊有限。

3.機械鐘表

計時方面的下一個重大進步是機械鐘的誕生，它將計時精度從幾分鐘提高到幾秒。這不再是利用像水或沙這些物質的逐漸變化，而是采用了與這些物質完全脫離的機械，使用了一種可以在相同時間間隔釋放少許、可控制能量的方式。為了完成這個目標，人們發明了很多機械裝置，包括氣缸、雙工、杠桿機構和精密表機件，而它們都有不同的精度程度。

估計世界上最早在機械水鐘表運用機械裝置的人就是中國科學家和政治家蘇頌，他建造了一座30英尺高的水力機械天文鐘，不僅能告訴人們現在是何時，還能告訴人們今夕是何年何月。蘇頌這座鐘的大輪子輻條以一個穩定的速率裝滿水，但是這個裝置只有在每個輻條中水位達到一定高度才會轉動。他建造的鐘表從1092年開始運營，直到1126年被政治對手拆毀。

盡管人們贊頌是伽利略發明了擺鐘，但是第一個建造它的是荷蘭科學家克里斯蒂安·惠更斯于1656年。他的裝置實現了前所未有的精確，通過鐘擺達到了一天低于一分鐘的誤差（后來改進之后使誤差不超過一天10秒）。這個鐘擺是以穩定的速度搖擺調節齒盤使指針以常規的時間間隔轉動。鐘擺最終會因空氣中的阻力和摩擦停止擺動，所以它們通常會加上一個需要定期纏繞的彈簧，以儲存彈性勢能維持擺動。

4.石英鐘

石英鐘，發明于20世紀20年代，脫離了齒輪和棘輪裝置因此也不需要定期纏繞的彈簧。石英鐘的原理是當施加電場時，石英晶體將以固定頻率振動。

第一批石英鐘，是日本制造的，在一個月內僅僅少了5秒鐘。石英鐘的精確會受到石英晶體尺寸、形狀和溫度限制，這些因素會影響其振動頻率所以沒有哪兩個是完全相同的。盡管原子鐘的精確度已經遠超過了石英鐘，但它們仍然是最常見的個人計時設備，因為它們的價格親民。

5.原子鐘

現在的計時標準是原子鐘，它最早是在20世紀50年代提出的。而今天的原子鐘誤差僅僅是在數千萬年時光里的一秒。換句話說，他們的精確度是每天的百分之納秒。

由于原子有非常規則的間隔能級，它們會以特定的頻率共振并發射電磁波。這些發射出的光波的頻率——每單位時間有多少廣播到達——可以被測量出來，從而非常精確地測量時間的推移。一秒的定義是銫原子共振9,192,631,770次所需要的時間。

世界上最精確的時鐘是位于科羅拉多州博爾德的美國國家標準與技術研究院（National Institutes of Standards and Technology）的銫原子鐘，以及位于華盛頓特區的美國海軍天文臺（United States Naval Observatory）的銫原子鐘。盡管目前人們還在對銫以外原子的研究繼續研究，但這一研究有可能提供更高的準確度。