第1讲 关于时间的历史

我们为什么要谈时间呢，是因为我们通常说的“一寸光阴一寸金”吗？这当然是部分原因。还有一个也许是更重要的原因，那就是，为了解释宇宙中发生的各种现象，物理学家需要时间这个概念，同时，需要发明精确的仪器来记录时间，例如手表，例如手机里的时钟。

其实，人类记录时间已经有很长的历史了。给大家看右面这张图，这是北京故宫的日晷。日晷是古代的钟，用来看时间的。当太阳照到日晷上的时候，日晷上的那根针就将影子投在日晷的盘上。随着太阳在天上移动，针的影子就在盘上移动。日晷的盘上还有一些刻度，用来表示时间。

我们再来看一下日晷盘上的刻度。要注意哟，这个日晷晷面（第4页）不是故宫的那个。我们看到，上面有子、丑、寅、卯等等。下方的那个“午”，就是中午的意思。当晷针的影子与“午”重合时，就是中午12点。中国人用这个办法来记录时间，有好几千年了。而在古代巴比伦，用这种方式来看时间也有近6000年了。顺便说一下，晷这个字，就是日影的意思。

那么，为什么用这种方式来记录时间是可靠的呢？这是因为，太阳在天上移动的速度基本上是不变的。当然，我们看到太阳移动主要是因为地球在转动，地球转动的速度也基本不变。远古的人当然不知道地球在转动，更不知道地球的转动速度为什么不变，但是他们通过观察发明了日晷这种比较精确的计时方式。

我们的古代人除了“日出而作，日落而息”需要看时间，一年四季种庄稼也要看时间，这就需要精确地记录季节的变化，这是比一天更长的时间。比如说，汉代有名的科学家兼文学家张衡写过一首长诗，就是《东京赋》，里面就写道：“规天矩地，授时顺乡。”规和矩现在是测量的意思，我们也可以这么理解。当然，张衡写这句话真正的意思是效法天地，可见，天地的变化是可以用来记录时间的。授时就是政府机构记录时间告诉老百姓，而顺乡就是遵守老百姓的习俗，这里当然包括种地。

说到张衡，我们要说说这位中国古代伟大科学家的故事。他出生在公元78年，正是东汉年间。他的祖父是东汉的开国功臣，他自己则不太喜欢当官。不过，因为他精通天文，东汉第六任皇帝汉安帝刘祜就请他来做顾问，后来又升他为太史令。太史令其实也不是什么官员，主要负责我们前面说的授时、制定历法。张衡就是在担任太史令期间改进了浑天仪。

因为张衡不是什么大官，历史上对他的故事记录得比较少。1983年，上海电影制片厂拍了一部电影《张衡》，里面有不少张衡的故事。比如说，有一段故事是这样的：张衡一面在太学府抄书，一面研制地动仪。地动仪模型的出现，引起了骑都尉亶谱的惊恐。他污蔑地动仪为“妖器”，下令将它烧掉，但当他听说这是写著名的《二京赋》的张衡所造，又加以夸奖。他假惺惺地邀张衡到家中，用盛宴和美女来诱惑张衡，希望张衡为一本预示吉凶的书作注。

现在，我们对张衡的地动仪是否能够精确测报地震表示怀疑，但是他制造的浑天仪确确实实是重要的天文学仪器。张衡并不是浑天仪的发明人，浑天仪在西汉时就被发明了出来，但张衡极大地改进了浑天仪。

浑天仪远看上去是一个球体，其实是由几个可转动的圆圈组成的。左图是明代制造的浑天仪，现在陈列在南京紫金山天文台。这个浑天仪最大圆圈的周长有4米多。浑天仪有一根轴穿过球心，轴穿过南极和北极。北极就是北极星所在的位置，南极当然在我们中国是看不到的，张衡只是推测有南极。浑天仪的构造非常巧妙，它转动起来很像现代的望远镜，一个方向的转动可以抵消地球的转动，另一个方向的转动可以让浑天仪上刻着的二十八星宿的方向和天上星宿的方向完全一致。

好玩的是，浑天仪上装着两个漏壶，壶底有孔，壶里的水通过孔滴出来，就会推动圆圈，让圆圈按着刻度慢慢转动。于是乎各种天文现象便赫然展现在人们眼前。这件仪器当时被安放在东汉皇宫里，在灵台大殿的一个房间里。夜里，房间里的人把某时某刻出现的天象及时报告给灵台上的观天人员，结果是仪器上所见与天上所现完全相符。这是非常神奇的事，说明张衡对天象的运行规律非常了解。

另外得说一下，浑天仪上还刻着二十四节气，这样，浑天仪还能预告节气。

天文学是人类最古老的科学，就是因为农业需要它。当然，也许在10000年前人类开始驯化植物和动物之前，就有人开始仰望星空了。科幻作家刘慈欣在一篇科幻小说中写道，一个外星文明监视地球，发现有一个猿人抬头仰望星空超过了一个特定的时间，就知道人类要变聪明了。

那么，天文学到底是什么时候开始的呢？在我们中国，传说尧帝手下有两个人，一个人的名字叫羲，一个人的名字叫和，这两人掌管天文和历法。当然，这只是神话传说，如果我们相信这种说法，中国在约公元前2300年就有天文学家了。但有考古证据说明，中国人至少在公元前就开始记录彗星了。

右面这张图就是长沙马王堆汉代墓出土的帛书，上面画了一些彗星，这张帛书应该是公元前168年之前绘制的。

在亚洲西部，古代有一个亚述人的文明，他们在公元前1000年，甚至在公元前3000年，就开始记录日食和月食了。他们甚至还观察了行星的运动，制定了太阴历。

说到太阴历，又叫阴历，其实是各种古代文明都用的历法，包括中国人、古埃及人、古巴比伦人、古印度人、古希腊人、古罗马人。这种历法为什么叫阴历呢？因为它是根据月亮的运动制定的。月亮是绕着地球运动的，它在不同方向上，以不同的部分反射太阳的光，所以我们就会看到不同形状的月亮，有时是满月，有时只是一个月牙儿，这种变化叫作月相。其实，我在《给孩子讲宇宙》中已经提到过月相。

从一个满月到下一个满月需要的时间，我们叫作一个月，有29天半。阴历以这样的12个月为一年，那我们稍微算一下就知道了，阴历的一年有354天。

聪明的小朋友马上就会说了，这不行啊，一年四季的变化需要365天啊。是的，严格地讲，一年四季变化需要365天再加四分之一天。现在我们知道了，一年四季的变化是地球绕着太阳转的结果。我们现在用的历法，用365天做一年，每过三年，就会有一个闰年，这一年有366天，这样，平均下来一年是365天加四分之一天。我们现在用的就是这种历法，因为这种历法是根据太阳制定的，就叫阳历。

小朋友们都听说过金字塔吧，金字塔除了是工程上的奇迹，也是天文学上的奇迹。比如说，胡夫金字塔有四条坑道分别指向小熊座的“帝星”、大犬座的“天狼星”、“北极星”，以及天龙座的“右枢星”。

当然，多数古代人并不知道地球是绕着太阳转的，更多的人认为太阳和月亮一样，是绕着地球转的。

说完了古人利用天文来计算时间，接下来我们谈谈关于钟表的故事。今天，我们进入一家服务比较好的餐馆，点好餐，服务员往往会拿出一个沙漏，将沙漏倒着一放，沙子就会从上面向下面漏。服务员会说，如果沙子漏完了菜没有上齐，我们就赔你一道菜。所以啊，这个沙漏就是计时器。

中国古代发明的类似沙漏的东西，叫水漏。最简单的水漏就是在桶里放一根标杆，称为箭，箭下用一只箭舟托着，浮在水面上。随着水慢慢滴出来，箭会下降。我们看箭的刻度，就可以知道时间啦。据说最早的水漏早在商朝就被发明了出来。至于我们现在看到的沙漏呢，则出现得比较晚。

钟表就出现得更晚了。用齿轮和弹簧驱动的钟是德国人彼得·亨莱因在16世纪初制造的，为了纪念他，纽伦堡至今还有他的雕像。

我们今天还会看到带有钟摆的钟，这就不得不谈到两位有名的科学家，一位是伽利略，另一位是惠更斯。

伽利略这个人，我在《给孩子讲宇宙》那本书中已经谈到了他，他是第一个发明天文望远镜的人。其实，这个人可厉害了，不仅发明了天文望远镜，还是近代科学的鼻祖。为什么说他是近代科学的鼻祖呢？因为他实实在在地用实验来验证他对很多自然现象的理论。比如说啊，他发现所有物体向地面下落的速度和它具体是什么东西没有关系。这就和亚里士多德的看法完全不同了，也和我们日常看到的不一样。现在，你手里拿一个铁球和一根羽毛，松开手，我们都知道铁球先落地，羽毛后落地。伽利略说，假如没有空气，铁球和羽毛会同时落地。当然，那个时代不太好制造真空，伽利略就做了另一个简单的实验：在一个斜板上放两个大小不一样的铁球，同时松开手，两个铁球顺着斜板向下滚，它们会同时着地。

有一个故事是这么说的：1589年的一天，比萨大学青年数学教师、25岁的伽利略，同他的辩论对手及许多人一道来到比萨斜塔。伽利略登上塔顶，将一个重100磅和一个重1磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下，两个铁球出人意料地差不多是平齐地落到地上。面对这个实验，在场观看的人个个目瞪口呆，不知所措。这样，伽利略用实验反驳了他的对手以及古希腊哲学家亚里士多德。