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【科學講堂】時計趨精密 計時更準確

2016-12-14

古代藉日照水沙 今用分子電子躍遷

時計學為以科技精準量度時間的一門技術,古代包括設計日晷(sundial)、沙漏(hourglass)、水鐘(water clock或 clepsydra),18世紀包括航海用的精密計時器(marine chronometer),而上世紀則有上班「打卡」用的時計(time recorders),到今天仍在使用的定時器(timer)、時鐘、手錶及原子鐘atomic clock),當中還包括時計學中重要的一門:鐘錶機械(clockwork)。

古埃及人將日晷分12份

早於公元前1500年,埃及人以日晷量度時間。太陽照射在晷針上,晷針的影子投射在刻度面上,而得出當地時間。埃及人把日間分成12份,而12取自一年中有12次滿月之意。

水鐘夜間可運作

古代最準確的計時工具為水鐘,以固定的水流來計算時間,其中一個水鐘於埃及法老王的陵墓找到。

相較於日晷,水鐘可以在夜間運作。因為古時人類需要觀測天體,就算於晚上亦要準確計算時間。

航海家置沙漏計環球航行時間

沙漏(右)與水鐘原理相近,以沙的流量來計算時間。

1522年,有航海家在船上放置了18個沙漏,以計算他環球航行的時間。除了水鐘、沙漏,香燭及蠟燭亦為世界各地的廟宇教堂之計時的方式。

鐘源自修道院

中世紀時,英國修道院院長設計了機械的太陽系儀器,及後伽利略及其他科學家製作了鐘擺式的時鐘,還創造了分針。英語中,鐘(clock)源自bell這個字,因為中世紀時海上航行及修道院均以鐘聲來報告時間。

手錶便攜 早期為航海用計時器

時鐘與手錶最大的分別,是手錶擁有便於攜帶的性質。早期的「手錶」為航海用的精密計時器(下),航海時可以判斷經度,計算當地時間。現代的手錶功能日新月異,包括計時,甚至計算月相。

原子鐘超準 載於衛星同步全球時計

最準確的計時工具為原子鐘(右下),準確度可以達數百萬年的誤差少於一秒。原子鐘以某些原子的分子電子躍遷(electronic transition)的頻率來量度一秒,最常被使用的是第一族的銫(caesium,Cs)原子。

1967年起,國際單位制(SI)把一秒定義為133Cs 9,192,631,770次的分子電子躍遷。今日全球定位系統(Global Positioning System,GPS)讓全球的時計同步,當中的重點就是把原子鐘放到衛星上。

小 結

上期的科學講堂討論日期的量度,今期則討論時間,下期為冬至,我們將會探討二十四節氣。從討論中,希望各位可以了解科學與生活是分不開的重要一環。 ■吳俊熙博士

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