第1章时间与导航
1.1时间
我们生活在一个充满色彩的世界，要描述一天的活动，时间具有不可替代的作用。“现在几点了？”，随时随地都有可能随口问出这样一个*普通的问题，充分说明了时间在人类实践中不可替代的特殊地位。但是很少有人问“时间是什么？”，似乎这也是一个极为普通的问题，也许有人回答说时间是描写事件的基本物理参数，或说时间与空间组成四维时空坐标，如果进一步追问，很少有人能正确或是简明扼要地回答这个近乎极其简单的问题，实际上这不是简单的问题，甚至物理学家和时频专家也不是一两句话能说得清楚，这是一个深层次的问题，它涉及时空观和时间定义，是在人类认识论的发展史中一直为各个历史时期的哲学家们“争论”的*基本问题，唯心派认为时间是人类的先验直觉，唯物派认为时间是物质存在和运动的基本形式。尽管人们能够探测150亿光年之外的遥远天体，也可以洞察物质内部微观粒子的运动规律，还可以以千万分之一秒、几十亿分之一秒的精度去测定物质变化的时间历程，但还没有一个对时间本质的认识的“回答”为各学派所共同接受。
1600多年前罗马主教、思想家奥古斯丁（SaintAugustine）说过一段有关时间属性的趣话名言：“时间究竟是什么？没有人问我，我倒清楚；如果有人问我，我想说明白，便茫然不解了。”（What then is time？If no one asks me，I know what it is.If I wish to explain it to him who asks，I do not know.）当然目前对时间属性的认识与奥古斯丁的“茫然不解”认识截然不同，时间属性认识随科技进步不断深化，本书并不展开阐述有关时间本质的深层次的、哲学范畴的讨论，我们还是回到*普通的问题：“现在几点了？”——普通老百姓乃至绝大部分科学家*关心的、*实际的问题，“现在几点”涉及时间的两个*基本属性，即时间起算点及时间间隔问题，不管是基于地球自转的恒星时（真恒星时——真春分点的时角，平恒星时——平春分点的时角）及世界时（基于地球自转的时间系统，现用地球自转角定义世界时，与恒星时时间系统的差别仅仅是基准参考点的不同），或以历表为准的力学时，或以原子跃迁频率为基准的原子时，或广义相对论框架下的坐标时，虽然时间定义基准不同，但上述两个时间*基本属性仍是*基本的定义参量，而时间起算点及时间间隔是不同时间系统之间的关联纽带。
分或秒的精度也许已足够大部分人安排他的日常工作，国民经济或国防建设也许需要时间精度为毫秒、微秒或高至纳秒量级，科学研究也许需要飞秒级或更高的时间精度。尽管不同领域对时间精度的要求不尽相同，但是涉及同一范畴，即时间实际应用问题，本书涉及的问题是绝大多数人关心的“时间应用”问题。
古代人根据太阳位置确定时间，“日出而作，日落而息”，这是*直观的、*基本的时间概念的描述。人类生活在地球上，自然用地球自转定义时间与他们日常生活习惯相一致，显然这“日出”与“日落”现象是地球自转*直观的反映，时间单位“天”的概念由此而产生。远古人们由*直观的“天”的时间概念安排他们日常的活动，随着生产的发展，特别是发现农、牧业与季节有着密切相关的“一岁一枯荣”的自然特征，显然仅仅用“天”这个时间计量单位不能满足人们生产的需求，需要与季节有关且比“天”更长周期的时间计量单位描述“一岁一枯荣”的自然特征。地球绕太阳公转，地球上观测者发现太阳视方向在恒星空间的位置在不断变化，人们根据日月在恒星空间的运行规律，给出与季节有关的周而复始的更长周期的时间计量单位“年”，“年”的概念与太阳在恒星空间的位置有关，太阳视运动规律揭示与农、牧业紧密相关的季节性气候变化特性，一年又人为地分为12个“月”。“天”（地球绕地轴自转一周）、“月”（近似于月球绕地球公转一周）和“年”（地球绕太阳公转一周），即地球自转、月球绕地球公转及地球绕太阳公转组成了历法*基本要素，同时也记载着时间的流逝和历史变迁。
时间与科技进步密切相关。1892年，菲茨杰拉德（G.F.FitzGerald）和洛伦兹（H.A.Lorentz）根据迈克耳孙–莫雷实验提出长度收缩假设，认为物体在运动中其长度会沿着运动方向以因子收缩，于1904年提出著名的公式——洛伦兹变换。1898年，法国物理学家庞加莱（H.Poincar′e）在《时间之测量》一文中首先提出光速对所有观测者都是常数的假设，指出“光速不变并在所有方向上均相同”成为公设，这个公设成为测量光速的基础。爱因斯坦从研究时间同时性入手，1905年在著名的《论动体的电动力学》一文中提出了狭义相对论，其基石是相对性原理和光速不变公设，论断运动时钟会“变慢”的效应；他在1916年又提出广义相对论，指出引力场引起时空弯曲，狭义相对论和广义相对论是打破牛顿传统观念的创新性理论。1938年，伊维斯（H.Ives）和史迪威（G.Stilwell）两位物理学家通过实验，测得运动时钟确实“变慢”，证实爱因斯坦的论断；1971年，美国海军天文台进行环球飞机搬运钟实验，测得机载原子钟变慢量与理论计算值完全一致，再一次验证相对论的正确性。不难理解，验证相对论的实验基础是依赖于高精度的时间测量，如果时间测量不能达到纳秒或更高量级的精度，这些实验无法得到满意的结果，更不可能有今天的全球卫星导航定位系统的发展。
有杰出贡献的研究中国科技史的学者李约瑟（Joseph Needham，1900～1995）编撰的15卷《中国科学技术史》[18]中提出问题：“尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代中国发生？”1976年美国经济学家肯尼思 博尔丁称之为“李约瑟难题”。很多人把“李约瑟难题”进一步推广和延伸，出现“中国近代科学为什么会落后”“中国为什么在近代落后了”等问题，对此问题的争论一直非常热烈，学者从不同角度研究这个问题，有学者认为，17世纪机械钟表的进步，特别是摆钟的进展促使欧洲18世纪航海事业的大发展，认为工业时代的关键不是蒸汽机的轰鸣声，时间科学技术的大发展开创了18世纪欧洲的工业革命，中国缺乏现代时间体系是未诞生近代科学的重要原因之一，当然这些是一派之见，但从某个侧面说明时间与科技进步有着密切的关系。
1.1.1记时与钟
人类活动与时间息息相关，随着人类文明的进展，对时间精度的要求越来越高。公元前2000年左右，古埃及人把白昼与黑夜各分为12小时，但人们真实认知为夏日白天长、冬日黑夜长，白昼与黑夜的时间间隔随着季节而变化，古埃及人定义的“小时”显然是不等长的，另外，白昼或黑夜的时间间隔还与纬度有关，这种粗略的、不精确的时间间隔定义不满足时间间隔等时性的基本特征。大约公元前150年古希腊天文学家依巴谷（Hipparchus）、公元150年托勒密（Claudius Ptolemy）给出了更为精确的“小时”定义：一天平均时间的1/24定义为1小时，避免以前时间间隔定义不等时的缺陷，并采用简单小时分数记时方式，如1/2小时、2/3小时等，显然，这样的“小时”定义避免了古埃及人明显不等时的定义。分、秒定义要比“小时”定义晚得多，*早有关“秒”的记载是1267年中世纪科学家罗杰（Roger Bacon）记录满月之间时间间隔出现小时、分、秒等单位，以及1/3秒、1/4秒的分数计时方式。从“日”到“小时”再到“秒”是人类发展对时间精度需求的反映。
我国有十二时辰和昼夜百刻相并行的记时系统[4]。一日分为十二时辰：夜半者子时也、鸡鸣者丑也、平旦者寅也、日出者卯也、食时者辰也、隅中者巳也、日中者午也、日昳者未也、晡时者申也、日入者酉也、黄昏者戌也、人定者亥也。不难理解十二时辰以太阳视运动为准：日出为“卯”时，日中为“午”时，日没为“酉”时，显然十二时辰的定义也有时间间隔不等时长的缺陷。北宋时开始将十二时辰细分，每个时辰又分为“初”“正”两个时刻，将十二时辰分为二十四分部，但并没有改变十二时辰的时间间隔不等时长的缺陷。
我国还有昼夜百刻的记时系统：由于百刻不能被十二时辰整除，百刻与时辰间相互换算不便，为了与十二时辰配合，西汉时昼夜百刻改成120刻，南北朝曾改为96刻、108刻，到南朝陈文帝（公元544年）又恢复百刻制，后又改成96刻。百刻制记时系统以太阳出没为准并兼顾季节变化：冬至昼刻为40刻、夜刻为60刻；夏至昼刻为60刻、夜刻为40刻；春分、秋分昼、夜各为50刻，冬至与夏至相隔182天或183天，每隔9天昼刻增加1刻、夜刻减少1刻，这种记时系统粗略考虑了昼长、夜长的季节变化特性。但冬至及夏至季节昼长与夜长的变化缓慢，而春分与秋分季节附近昼长与夜长变化要快得多，显然用简单的直线变化表征昼长与夜长的变化规律是不够精确的。
中国在计时方面做出了自己独*的贡献。差不多与托勒密同时代的东汉，公元117年，文学家、天文学家张衡发明“漏水转浑天仪”。浑天仪相当于现代天球仪，标有黄道、赤道、二十四节气，把记时的漏壶（水钟）和浑天仪用齿轮联系起来，漏壶推动浑天仪均匀转动，一天转动一圈，演示真实的天象，显示了当时中国时间测量的精密水平，为水钟的发展做出了突出贡献。
北宋初年苏颂（1020～1101）设计制造的“水运仪象台”（见图1.1），是中国在世界时钟发展史上*为突出的贡献，国际上称为“苏颂钟楼”（Su Sung Clock Tower），“水运仪象台”继承和发展了汉、唐以来的天文学成就，是集浑仪、浑象和报时三种功能于一体的杰出的天文仪器，可以说这是世界上*早的天文时钟，充分体现了中国劳动人民的聪明才智和创造精神。
图1.1“水运仪象台”复原图
公元1092年建成的“水运仪象台”高三丈五尺六寸五分（约12米），宽二丈一尺（约7米），是一座上狭下广的上、中、下三层木结构建筑（见图1.1），“水运仪象台”顶层有一架体积庞大的铜制天文仪器称为“浑仪”（天文测时仪器），浑仪用中国特有风格的龙柱支撑，用水槽以定水平，用于观测星象，相当于以铅垂线为基准的天文测时仪器，“水运仪象台”*上端为活动屋顶，是今天天文台活动圆顶的雏形。
“水运仪象台”中层是没有窗户的“密室”，密室中放置“浑象”（相当于现在的天球仪），浑象的赤道带装有齿牙，与机轮轴相接，与天穹同步旋转，可随时根据天文观测进行校准，真实地再现了星辰起落的昼夜天象变化，是当时精确的守时系统。
“水运仪象台”下层为报时系统和整个系统的动力机构。“水运仪象台”南向设有大门，门内有五层木阁，后面为机械传动系统，苏颂发明了相当于现代钟表中的擒纵器的技术，通过大小齿轮的啮合控制水斗转动和枢轮运转（水钟）。
五层木阁中第一层名为“正衙钟鼓楼”，负责标准时刻的报时。层内设有三扇阁门，每门均有一个木人，木人报时动作由“昼时钟鼓轮”控制，每个时辰的“时初”时刻有红衣木人在左阁门里摇铃，“时正”时刻有紫衣木人在右阁门里扣钟，每“刻”有绿衣木人在中门击鼓，即“一刻中门打鼓，时初左门摇铃，时正右门敲钟”，用钟、鼓、铃声进行标准时间的授时服务。
五层木阁中第二层是时间显示系统（相当于时钟钟面）。由24个手抱时辰牌的司辰木人负责显示“时初”和“时正”：每逢“时初”红衣木人持时辰牌出现在小门前，“时正”紫衣木人拿着时辰牌出现在小门前，红衣和紫衣木人各为12个，时辰牌上依次写着子初、子正、丑初、丑正等，12个时辰的时初、时正组合相当于24小时记时系统。
五层木阁中第三层是以“刻数”为准的时间显示系统。这层有96个（96刻制）绿衣抱牌司辰木人，木人由“报刻司辰轮”控制，每刻会出现持“刻数”牌的绿衣木人，“刻数”牌上依次写着初刻、二刻、三刻、四刻等。
五层木阁中第四层负责报告与太阳有关的晚上特殊时刻。由夜漏金钲轮控制，按季节调整白天晚上的变化，逢日落、黄昏、各更、每更五筹、破晓、日出之时，拉动木人按“更”序法钲。
五层木阁中第五层显示晚上的时间，共有38个抱牌司辰木人，木
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