第2章 形形色色的钟(2)

机械钟的走时往往因温度等的变化而有快慢。一般来说，温度偏高走时偏慢，温度偏低，走时就偏快。现在，在机关、工厂和学校，机械钟已经被电钟所代替，因为用电流推动的电钟，结构更加简单，走时更加准确。

用电做动力的钟叫电钟。最简单的用交流电驱动电钟是一部结构简单的电动机。它带动一系列的齿轮变速装置，驱动表针指示时间。

北京火车站有只钟叫“子母钟”，有一只母钟，还有一只子钟。母钟的摆不停地来回摆动，每隔一分钟就向外转送电流。当子钟接受到一次脉冲电流，机械装置就驱使分针跳上一格。它不用安装巨大的摆和发条，它的动力换成了电。

1952年，美国发明了电动表，用化学电池作动力，代替机械手表中的发条。化学电池提供的能量比较稳定，所以走时精度有了提高。

但是，由于电池的电能是经由机械接点传给摆轮的，而机械接点开关次数多了，很容易损坏。这种表没能推广。可是，它为手表指出了方向，手表以电池作动力，不久电子手表应时而生，得到飞速发展。

半导体发明后，电子手表已经历了4代的演变。

1963年，瑞士研制成了“摆轮游丝式电子手表”，这是第一代。

这同电动手表不同的地方，是用晶体管、电阻等元件构成无接点开关电路，来代替易损坏的机械接点。它不需用发条，齿轮系统受力小，磨损较少，因此使用寿命长，走时精度比电动手表略高，它在60年代，曾风行了世界市场。

另一种音叉式电子手表，也是用电池作动力的。它用一个小音叉和晶体三级管无接点开关电路构成的音叉振荡系统来代替摆轮游丝振动系统。原来，只要把音叉轻轻一敲，音叉就会发出振动而发出一定频率的声音。这种会唱歌的“摆”，在能干的电子线路的伴奏下，唱出了优美的时间之歌。音叉的振动频率为每秒300赫兹，它走动时发出轻微的嗡嗡声。它产生的时间信号，推动了秒针、分针、时针转动，指示出时间来。这种表误差小，每天在2秒钟以内。这是第二代。

这两种电子手表比起机械表来，最大的差异是动力的不同，而主要影响走时精度的振动系统，依然是机械振动。而第三、第四代电子手表，都是对振荡系统进行改革后的产物。

60年代，出现了半导体集成电路，使电子元件微型化，人们才制成了石英电子手表。这是第三代，比机械手表走时精度高几十倍，每年误差60～180秒钟。

70年代，出现了液晶显示式石英电子手表，这是第四代，它每年误差不到30秒钟，走时精度就更高了。

石英钟

石英钟是一种用电流推动的钟，但不同于一般的电钟。它里面有一片石英晶体，当电流通过时，石英晶体由于电压而发生振荡。它的振荡频率十分稳定，控制的电子振荡器使走时很精确。最好的石英钟，每1000年才差1秒钟，天文台不但用它来守时，也用它来测定地球自转速度的变化。

天然石英的单晶是水晶，化学家叫它硅石，是一种二氧化硅的化合物。水晶不仅可以作观赏用的工艺美术品，更重要的它是电子工业的“要角”。

1880年，法国科学家皮埃尔·居里和日阿克·居里兄弟俩发现了水晶在物理学上的重要现象。他们把水晶晶体切成平行的薄片，放在两块金属板之间，在外来重力作用下压紧或者拉长这种薄片，出现了一种奇怪的现象：在晶片的两端就聚积了相反符号的电荷。

水晶的这种特性，可以使水晶薄片在交流电作用下以高频率振动而产生超声波振荡。

第一次世界大战期间，德国利用潜水艇突然袭击英法联军，舰船沉没，使英国海军顿失优势。后来，法国物理学家朗之利用居里兄弟发现的水晶薄片能产生超声波的原理，制造出了世界上第一架超声波探测仪，军舰上放置了这种仪器，发出声波，遇到障碍物反射回来，仪器接收到了回声波后，就可探测到敌潜艇的位置，于是有效地防止了敌潜艇的突然袭击，掌握了战争主动权。

把水晶切成单晶片后制成的水晶谐振器，是制造石英静电计、石英电子手表不可缺少的。人造卫星、导弹、飞机、舰艇、电子显微镜、电视、电报、电传、广播等等都要用上它。

石英晶体的振动频率是非常稳定的。石英电子表里一般的频率为32768赫兹，而高频率石英手表里的振荡频率达4194304赫兹，因此走时非常准确。

石英电子手表是由石英晶体振荡器、振荡电路、分频电路、整形放大电路、微型电机组成，依靠集成电路集成在一块小小的硅片上。它每隔1秒钟就可以输出一个脉冲电信号。

振动频率快，走时很准确，每月误差为5～15秒。用放大电路把电信号变成强电流去推动电动机，这就是指针式石英手表。

自60年代后，石英钟有了更大的改进，一天的误差量一般不超过50～500微秒。

精确的原子钟

在现代科学技术飞跃发展的今天，原子能、航天技术和高能物理对时间的计量要求更加精密。一些同位素和各种粒子在百亿分之一秒内就蜕变。现代电子计算机在几千万分之一秒、几亿分之一秒，甚至十几亿分之一秒内要进行计算。

现代技术需要有一种更精确的国际标准时间。因为，如要有一秒钟误差，用六分仪导航的海员就可能产生1／4英里的偏差；相差1‰秒，宇宙飞船能飞出10米；每一秒钟，电子计算机可运算80万次……格林威治时间已不够精确，可是它已在世界上用惯了，需要有一个折衷办法来解决。

从60年代开始，国际时间局决定了世界协调的时间，使时间既保证了均匀性，又能反映出地球自转的特点。国际天文学界于1967年定义了原子秒，引进了原子时的计时系统。1967年，国际计量大会确定的秒长定义是“秒（S）是铯－133原子基态的两个超精细能级之间跃进所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间”。这就是说，原子钟采用了铯原子内部的某一运动状态计量时间。

原子钟是世界上最准确的钟。原来，原子内部的电子在跃迁时会辐射出电磁波，而它的跃迁频率是极其稳定的。利用这种电磁波来控制电子振荡器，从而控制钟的走时，这就是原子钟。

国际规定，在1958年元旦零时，原子时同世界时一致，而同历书时相差32.15秒。这叫国际原子时，记作TAT。

从1972年元旦零时起，它通过专用无线电台广播世界时，由TAT改为协调世界时，记作UTC。所谓协调世界时，就是经过国际原子时协调的世界时。它既不同于国际原子时，又不同于原子的世界时。但是，它同国际原子时的差值，总是完整的秒数；它同TAT的差值，总是在0.9秒以内。

原子时能提供均匀的时间间隔，提供标准的秒长，这可以符合无线电、物理学等方面的需要，用它来量度时段是十分精确的。原子钟计算基本粒子“介子”的寿命约0.000002秒；蜜蜂鼓动翅膀一次约需0.005秒；宇宙飞船飞往月球时，每秒飞行了10公里；光在真空中每29992458分之一秒所走的距离是1个标准米。

协调世界时的秒长严格等于原子时的秒长，当它的时刻与世界时的时刻差超过0.9秒的时候，就在世界时上引进一个闰秒。

为了协调世界各国的时间计量工作，在法国巴黎设立了国际时间局。它保持着国际原子时尺度，并且为各国的授时中心提供准确的时间数据。

陕西天文台原子时比对系统机房国际时间局每年进行两次调整，并通过标准时间电台向世界各地发射标准时间信号。增1秒叫正闰秒，减少1秒叫负闰秒。这样，可以把格林威治时间产生的误差调整过来。1979年除夕和1981年6月30日，世界时分别增加了1“闰秒”的修正时间，时间老人两次都迟到了。

这就是目前民用的世界时，也是天文测量、大地测量和人造卫星跟踪等工作所用的时间。

世界第一架原子钟——氨钟，是美国国家标准局于1949年制成的，这标志着时间计量和导时进入了新纪元。随后的十几年中，原子钟技术有了很大发展，先后又制成了铷钟、铯钟、氢钟等。到了1992年，原子钟已在世界上普遍使用。我国先后制成了铷原子钟和氢原子钟，在计时方面跨入了世界先进行列。

宇宙的计时者——脉冲星

天文学家发现，在帆船星座里的一颗飞速旋转不息的脉冲星，如果以它旋转的速率作为计时器，它每300万年才会误差1秒，比现时的“原子钟’准确10倍。因此，天文学家誉它为“天文钟”。

脉冲星是60年代天文学四大发现之一。它有相当稳定和很短的脉冲周期。一般认为，它是快速地旋转着的中子星或者在快速地一涨一缩的中子星。脉冲星内的物质密度高得简直不可思议。一块如火柴盒大小的物质竟重达20亿吨。由于它具有如此高的物质密度，加上它内部极强的电场与磁场不断相互作用，所以能够飞快地旋转而不致瓦解。

脉冲星是十分奇特的星星，它不停地很有规则地向外射无线电脉冲，总是十分规则地发出无线电讯号，就像脉搏跳动一样。不同脉冲星的脉冲，周期有长短，长的有几秒钟，短的只有几十分之一秒，而脉冲周期却十分精确。

为什么脉冲星发出的无线电波有精确的周期呢？一般认为，中子星光有一种叫做“灯塔”的结构（是一些辐射较集中的区域），不停地发射强烈的无线电波，中子星每旋转一周，“灯塔”就朝向我们一次，人们就接收到一次无线电波。

脉冲星是谁发现的呢？1967年8月，英国剑桥大学教授伊什和研究生贝尔在观测面积2万多平方米的巨大天线阵的射电源时，意外地记录到了一幅脉冲图像。这十分令人费解，观测人员风趣地说：

是“矮小的绿人发来的信号”。经过一段时间反复观测，才确定它是一种特殊的新型天体——脉冲星。

这颗脉冲星叫CP1919（CP是剑桥大学发现的脉冲星缩写，1919是这颗星的座标编号），它的脉冲周期是7.337301344秒，准确到了小数点后面9位！也就是说，它的精确度高达一亿分之一秒！比铯原子钟还要高出20倍。

后来，美国、澳大利亚等国又陆续观测到许多脉冲星，到目前已达330多颗。

脉冲星名字虽然叫做星，其实，即使用最大的光学望远镜也看不到它的踪影，而通常只能用射电望远镜才能接收到它的脉冲讯号。

一般的脉冲星只被发现有无线电脉冲，而有的脉冲星同时还被发现有光学脉冲。我国古代关于1054年超星爆发的观测记录，为脉冲星的形成和演化过程提供了十分宝贵的资料。

宋代1054年7月的一天凌晨，钦天监的天文学家看到了一次惊人的天象。一个比金星还亮的天体出现在东方，连续23天，白天也能看到。随后亮度逐渐减弱，过了60多天，才完全看不见了。宋史记载了这颗客星的始末，叫它“1054年天关客星”。它爆发以后，留下了一片云雾状的残迹，用望远镜拍摄下来，形状像只螃蟹，因此叫它蟹状星云。它现在还不断地向四处发射无线电波。

科学家认为，“天文钟”是宇宙中最精确的钟，在未来的太空探险中，脉冲星可取代“原子钟”作为星际飞行的计时器。

测定远古年龄的“钟”

1979年以来，新疆社会科学院考古研究所曾3次派人进入罗布泊沙漠地区考察，初步揭开了楼兰国之谜。在孔雀河北岸发现一具褐色的年轻女尸，她的头发微卷，眼睛闭着，正像沉睡中的古楼兰少女。

这具年轻的楼兰女尸引起了一些考古学家的兴趣，可怎样来测定她死了已多少年了呢？墓中如有陪葬物品，可以鉴定出属哪个年代。科学家推测，楼兰女尸距今有2000多年了。

日本千叶县见川地方的泥层中，发掘出了一些保存得很好的古莲子。美国科学家李比曾应邀去鉴定古莲子寿长多少岁，他测定这些种子已有3000岁了。古莲子经过培育照样开花结了果。

科学家们找到了一种大自然的“时钟”——放射性碳14。这种钟表不需要人上发条，它也不受外界温度、压力等影响，始终正确和不停地走动着。用它就可测定一些物质距今有多少年了。

20世纪初，奥地利物理学家赫斯在气球吊篮里放置验电器，用来测量空气导电程度时，发现了一种来自天外的射线，引起了许多科学家的注意。1930年，美国科学家李比发现，这些射线穿过地球的大气时，会产生许多高能中子，这些中子像雨粒似的再撞到空气中的氮原子上，就把氮原子变成一种新的碳原子，这种碳原子有6个质子和8个中子。

放射性碳14是一种不稳定的同位素，它会不断放出射线而减少，同时又在大气中不断产生，使碳含量保持平衡。

地球上的所有生物，在活着的时候，总是不断地吸收大气中的二氧化碳，也必然吸收了混在一起的碳14。只有当动植物死亡后，它们与外界停止了物质交换，碳14的供应也就停止了。从这时起，碳14由于不断放出射线，含量逐渐减少。大约平均每过5568年，碳14的含量才减弱一半。这叫做放射性同位素的“半衰期”。这样，如果要知道古尸或古莲子的生长年代，只要测定一下古尸或古莲子中碳14的含量，就可以算出来了。

考古学家使用碳钟来确定文物的年代。例如，埃及古墓中出土的一个船形器皿，考古学家取下器皿上的一块木块，经过碳钟测定，距今为3620年。我国考古学家使用碳钟确定西安半坡村为新石器时代遗址，距今约6000年。

可是用碳钟来判断古老的地质年代，由于它走时太短，只有几万年，加上岩石中缺少碳，就显得无能为力了。地质学选用岩石中常见的放射性元素钾40来做“钾钟”。

钾40放射出射线后会变成氩40。因此，只要测定岩石中钾40与氩40的含量，再通过计算，就可推知矿物或岩石的年龄。放射性钾40由于具有更长的半衰期，可以用来判断离今天几十亿年化石的年龄，使用钾钟人们测知珠穆朗玛峰顶的岩石是4.5亿年前形成的。地球上最古老的岩石约40多亿岁了。宇航员从月球带回的岩石，经测定已有45亿岁了。

希腊水钟

大约在1000多年以前，希腊人制造了较为精巧的水钟。它的结构是这样的：贮水壶上部一侧有个小孔，多余的水可以从这个小孔溢出，这样就能保持固定的水平面，保持恒定的压力。水从贮水壶下部的小孔流出，注入受水壶。受水壶内有一浮舟。浮舟上装有“护钟神”

——箭杆。受水壶中的水达到某一高度时，通过虹吸管使水注入旋转的平衡轮（它由于自身的重量而转动），驱使一列齿轮转动，从而按照昼夜的长短把计时用的鼓状圆筒带到新位置。随受水壶水面高度的变化，“护钟神”就在圆筒刻线上指出时辰。这些刻线是不等长的，有些还是斜的，以便指示出冬季里一天的时辰。

水运仪象台