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【科學講堂】社會愈進步 計時愈精確

2019-09-19
■日晷依賴太陽在天空中的位置來告訴我們現在是什麼時間,世界各個古舊文明好像都有製作過。 資料圖片■日晷依賴太陽在天空中的位置來告訴我們現在是什麼時間,世界各個古舊文明好像都有製作過。 資料圖片

日夜更替、四季換轉,是人類在文明啟蒙時期就已開始留意的現象。我們本身看來就很喜歡將重複的規律記錄、歸納,縱使我們在最初這樣做的時候,可能還沒有什麼很特別的原因。及後隨茠懋|、文明的發展,能夠準確地記錄時間變得愈來愈有用、重要:有效的農業活動,要求我們能夠精準地記下並預視季節、天氣的變換,以求確定何時進行合適的農業活動,例如播種、收割等。

人與人之間在社會裡緊密的社交活動,更是互為因果地提高了大家對準確時間的要求:火車、飛機等交通工具,需要精準的時刻表,才不會讓乘客的交通安排發生大亂;演唱會、課堂等集體活動,需要利用大家贊同的時間去確保所有相關人士能夠適時到場。其後近世紀科學的高度發展,更加推使我們對時間的量度愈發精良,設法準確地量度愈來愈短的時間間隔。今天就和各位談一談人類計時工具的發展歷史。

早期用自然規律 伽利略帶來創新

我們的計時工具發展史,其實也可以看成是一部人類科技史。最早的時候我們祖先掌握的科技不多,因此需得仰賴大自然中的固定規律來用作時間的計算。這其中最早的例子應該要算是世界各個古舊文明好像都有過的日晷:依賴太陽在天空中的位置來告訴我們現在是什麼時間。其後人類發明的沙漏、銅壺滴漏,也都在運用沙粒、水滴流動的速度是相對固定的這個特質來計算時間。利用太陽、沙粒、水滴等等,自然是因為它們隨處可見。

著名的意大利科學家伽利略為時計的設計打開了新的一章:他發現了鐘擺的運作原理,讓人們知道固定重量及長度的鐘擺,每一次擺動所需的時間大致上也是固定的,因此可以用來造成另一類的計時器。一方面來看,這種時鐘自然較以前的準確:鐘擺設計相對簡單,容易控制;反過來說太陽在天空中的行動不一定是絕對固定的,而且一大問題是我們根本無法改變它的移動方式,只能被動地絞盡腦汁,思考如何可以令日晷更加精準。另一方面,鐘擺這種「機械性」的計時器反映出我們在科技上的進步,展示我們如何應用學術上的知識去解決問題。伽利略的這個發現,其後更開始了各種各樣愈來愈複雜的機械鐘錶製作:當中的佼佼者,包括了世界著名的瑞士布穀鳥大鐘。

進入原子世代 輻射計算準確

隨茪W世紀我們對原子的了解愈來愈深入,計時器的設計也進入了「原子的世代」。

我們知道了在特定的狀況下,某些原子會釋出固定頻率的輻射。固定的頻率就是說輻射光波與光波之間分隔的時間是固定的,因此也可以用來作計時之用(也就是我們常說的原子鐘)。

這些光波相隔的時間極短,因而所造出來的原子鐘也就極其準確。

總的來說,藉由我們對大自然更深入的理解和科技的進步,我們在努力去更準確地量度時間,也在努力讓我們的計時器變得愈來愈小。

一些科學家們現在正研究如何利用原子核去計算時間。他們成功的時候,我們的計時器又要再進一步了。

■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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