从最早的日晷到电波钟表，人类关于时间计时的发展史！

Posted 2023-04-12

参考技术A 早在人类文明诞生之初，人类便开始通过对时间的计量来描述世间万物的变化，并由此诞生了一系列精度越来越高的计时器具。

回顾人类科学发展史，计时仪器的改进历史是与整个人类文明同步的。对于生命个体而言，时间长河托起生命之帆，人在时间的长河中诞生、成长，也在这条长河中衰老、死亡。正是因为有了时间测量，人类得以准确记录下自己的生命足迹。

由日晷 到电波钟表

日晷·6000年前

人类使用日晷的历史非常遥远，古巴比伦在远古时期的6000年前就开始使用了，中国是在3000多年前的周朝。日晷通常由晷针（表）和晷面（带刻度的表座）组成，利用太阳的投影方向来测定并划分时刻。

日晷仪也称日晷，是观测日影记时的仪器，主要是根据日影的位置，以指定当时的时辰或刻数，是我国古代较为普遍使用的计时仪器。但在史籍中却少有记载，现在史料中最早的记载是“汉书·律历志·制汉历”一节：太史令司马迁建议共议“乃定东西，主晷仪，下刻漏”，而“汉书·艺文志”中列有晷书34卷，但仅存书名，而无内容。

隋书·天文志中记载了耿询的成就，“观测日晷和刻漏，是测天地正仪象的根本”。“明史·天文志”对日晷的形制，定时之法都有详细的记载。日晷发展到清代，不仅可以计时用，日晷本身已成为一件装饰艺术品。

日晷的类型也有很多，分为：水平式日晷、赤道式日晷、极地晷、南向垂直日晷、东或西向垂直式日晷、侧向垂直式、投影日晷、平日晷。

水钟·约公元前1500年

据埃及朝官阿门内姆哈特的墓志铭记载，此人曾于公元前1500年前后发明了水钟，一种“漏壶”。容器内的水面随着水的流出而下降，据此测出过去了多少时间。

水钟的发明正是作为日晷的补充，在中国古代水漏又被叫做“漏刻”、“漏壶”。根据等时性原理滴水记时有两种方法，一种是利用特殊容器记录把水漏完的时间（泄水型），另一种是底部不开口的容器，记录它用多少时间把水装满（受水型）。

漏刻是古代的一种计时工具，不仅古代中国用，而且古埃及、古巴比伦等文明古国都使用过。漏刻由漏壶和标尺两部分构成。漏壶用于泄水或盛水，前者称泄水型漏壶，后者称受水型漏壶。标尺用于标记时刻，使用时置于壶中，随壶内水位变化而上下运动。

最早的漏刻也称箭漏。使用时，首先在漏壶中插入一根刻有时刻的标竿，称为箭。箭下以一只箭舟相托，浮于水面。当水流出或流入壶中时，箭杆相应下沉或上升，以壶口处箭上的刻度指示时刻。中国的水钟主要有沉箭漏（泄水型）和浮箭漏（泄水型与受水型并用）。

多级补偿式浮箭漏

漏刻是一种典型的等时计时装置，计时的准确度取决于水流的均匀程度。早期漏刻大多使用单只漏壶，滴水速度受到壶中液位高度的影响，液位高，滴水速度较快，液位低，滴水速度较慢。为解决这一问题，古人进一步创制出多级漏刻装置。所谓多级漏刻，即使用多只漏壶，上下依次串联成为一组，每只漏壶都依次向其下一只漏壶中滴水。这样一来，对最下端的受水壶来说，其上方的一只泄水壶因为有同样速率的来水补充，壶内液位基本保持恒定，其自身的滴水速度也就能保持均匀。

沙钟·公元1100年

沙漏也叫做沙钟，是一种测量时间的装置。西方沙漏由两个玻璃球和一个狭窄的连接管道组成的。通过充满了沙子的玻璃球从上面穿过狭窄的管道流入底部玻璃球所需要的时间来对时间进行测量。一旦所有的沙子都已流到的底部玻璃球，该沙漏可以被颠倒以测量时间了，一般的沙漏有一个名义上的运行时间1分钟。

西方发现最早的沙漏大约在公元1100年，比我国的沙漏出现要晚。我国的沙漏也是古代一种计量时间的仪器。沙漏的制造原理与漏刻大体相同，它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的时间来计量时间。我国还曾有过日晷、漏刻等计时器，但由于日晷只能在白天和晴天使用，而这种采用流沙代替水的方法，是因为我国北方冬天空气寒冷，水容易结冰的缘故。

最著名的沙漏是1360年詹希元创制的“五轮沙漏”。流沙从漏斗形的沙池流到初轮边上的沙斗里，驱动初轮，从而带动各级机械齿轮旋转。最后一级齿轮带动在水平面上旋转的中轮，中轮的轴心上有一根指针，指针则在一个有刻线的仪器圆盘上转动，以此显示时刻，这种显示方法几乎与现代时钟的表面结构完全相同。此外，詹希元还巧妙地在中轮上添加了一个机械拨动装置，以提醒两个站在五轮沙漏上击鼓报时的木人。每到整点或一刻，两个木人便会自行出来，击鼓报告时刻。这种沙漏脱离了辅助的天文仪器，已经独立成为一种机械性的时钟结构。由于无水压限制，沙漏比漏刻更精确。

沙漏据说是亚历山大于三世纪发明的，在那里他们有时会随身携带，就像今天人们随身携带的手表。据推测，它在12世纪，与指南针的出现同时，作为夜间晚海上航行的仪器被发明（白天，水手们可以根据太阳的高度来估算时间）。

水运仪象台·公元1086—1093年

水运仪象台是北宋时期苏颂、韩公廉等人发明制造的以漏刻水力驱动的，集天文观测、天文演示和报时系统为一体的大型自动化天文仪器。标志着中国古代天文仪器制造史上的高峰，被誉为是世界上的最早的天文钟。

整座仪器高约12米，宽约7米，是一座上狭下广、呈正方台形的木结构建筑。其中浑仪等为铜制。全台共分三隔。下隔包括报时装置和全台的动力机构等。中隔是间密室，放置浑象。上隔是个板屋，中放浑仪。这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了中国古代汉族劳动人民的聪明才智和富于创造的精神。

国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价，认为浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪器械 — 转仪钟的祖先；水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件，因此它又是钟表的祖先。水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动的屋顶，是今天天文台活动圆顶的祖先。

水运仪象台是十一世纪末我国杰出的天文仪器，也是世界上最古老的天文钟。国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价，认为水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动的屋顶，这是今天天文台活动圆顶的祖先；浑象一昼夜自转一圈。从水运仪象台可以反映出中国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。

机械钟表（钟塔）·十三世纪

机械钟是通过钟声来报时的一种计时器，是人类智慧的结晶，西方最早的机械钟十三世纪出现在欧洲的修道院之中，最初是英格兰的修道院出现以砝码带动的机械钟。当时的机械钟靠看钟人每小时敲钟来报时，通知修道士们准时地进行各种宗教活动，还没有完全和人们的日常生活联系上。

13世纪，有个叫维克的德国人给当时的法国皇帝做了一个钟，历时八年，极为精美，可谓鬼斧神工。最早传入我国的欧洲机械钟是在明朝万历年间，是用来专门献给万历皇帝的，万历皇帝收到此礼物后，极为欣赏，几乎日日观赏，夜夜抚摸。于是，马上发布召令，成立专门制作机械钟的宫廷造办作坊，专供他和皇亲国戚及心腹大臣使用。

德国制造的日冕仪在显示时间的同时，能显示太阳的位置和昼夜长短。15世纪在德国纽伦堡，peter henlein 制造了世界上第一台便携式计时器，同时发明了钟表发条。

为了更加及时的了解时间，机械钟安装上了钟面和指针，时间这种始终伴随着人类社会发展进步的无形标准，第一次有了形象化的描述。没过多久，又出现了能够自动报时的机械钟。1335年公共时钟的出现，使机械钟第一次进入人们的日常生活。由于结构复杂，驱动系统十分笨重，机械钟的体积相当的庞大，根本不可能进入家庭。

惠更斯钟摆·1656年

有摆的挂钟产生于荷兰天文学家、数学家克里斯蒂安·惠更斯的实验室内，他是以伽利略发现的“摆”的等时性原理为基础发明的。以“摆”做为钟表调速器的。自此以后，人类掌握了比较精准的测量时间的方法。

摆动的钟摆是靠重力势能和动能相互转化来摆动的，简单地说，如果你把钟摆拉高，由于重力影响它会往下摆，而到达最低位置后它具有一个速度，不可能直接停在那（就好像刹车不能立刻停住），由于惯性它会继续冲过最低位置，而摆至最高位置就往回摆是因为重力使它减速直到0，而此时钟摆扔有向下的加速度。如此往复，就不停地摆动了。

按照以上描述，钟摆可以永远摆下去，但由于阻力存在，它会摆动逐渐减小，最后停止。所以要用发条来提供能量使其摆动。

航海钟·1728—1759年

航海钟(Chronometer)又称航海天文钟或精密钟，是偏差0．5秒的高精度、可携带的机械计时仪表。可以用来指示时刻、测量时间间隔，检定各种机械式秒表以及航海定位和野外天文观测。

随着电子技术的发展及晶体振荡器的普遍应用，走时准确的石英天文钟逐渐取代了机械式航海钟。

石英钟表·1969年

石英表，又叫做石英振动式电子表，是腕表种类之一，英文名是quartz watch。 将石英晶体运用在钟表上是一种现代的发明，世界上第一个石英表是瑞士在1967年7月制成的。在1969年，日本精工Seiko以领先全球的技术，推出世界上第一只可供量产的石英腕表，命名为“Quartz Astron”。

石英晶体受到电池电力影响时，它会产生规律的振动。

石英晶体每秒的振动次数高达32768次，人们可以设计简易的电路来计算它振动的次数，当它数到32768次时，电路会传出讯息，让秒针往前走一秒。

因为石英的振动相当规律，即使是便宜的石英表，一天之内的误差率也不会超过1秒。

石英表也可叫做“石英振动式电子表”，因为它是利用石英片的“发振现象”。当石英接受到外部的加力电压，就会有变形及伸缩的性质，相反，若压缩石英，便会使石英两端产生电力；这样的性质在很多结晶体上也可见到，称为“压电效应”。石英表就是利用周期性持续“发振”的水晶，为我们带来准确的时间。

它比传统机械表轻薄、精准，同时避免了使用机械表时需要上发条的繁琐，而受到普及。

原子钟·20世纪50年代

原子钟，是一种计时装置，精度可以达到每2000万年才误差1秒，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。

20世纪30年代，美国哥伦比亚大学教授伊西多-拉比和他的学生们在实验室里研究原子和原子核的基本特性。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术，依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率，他还获得了1944年诺贝尔奖。

人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。 目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。

原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等。原子钟的精度可以达到每2000万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

电波钟表·21世纪

一种通过接受国家授时中心的无线信号以确保时间准确性的计时工具。

电波钟表的工作原理：首先，由标准时间授时中心将标准时间信号进行编码，利用低频（20KHz ~ 80KHz）载波方式将时间信号以无线电长波发播出去。电波钟表通过内置微型无线电接收系统接收该低频无线电时码信号，由专用集成芯片进行时码信号调解，再由计时装置内设的控制机构自动调节电波钟表的计时。通过这样一个技术过程，使得所有接收该标准时间信号的电波钟表（或其他计时装置）都与标准时间授时中心的标准时间保持高度同步，进而全部电波钟表显示严格一致的时间。

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计时工具发展至今，从古代庞大笨重的日晷到现在小巧计时准确的手表，甚至是各种电子产品，再到融合新科技的交互情境，科学发展也将促进人类生活的品质。

（文章参考百度百科，以上图片均来源于网络，侵删）

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风口解析 | 基因编辑 | 001 | 基因是什么？

 

基因是什么？

 

基因编辑，是一项基础设施已经完备，未来随时可能会爆发的风口行业。其实人类对于基因的探索与改变，不是最近才有的事情，而是可以追溯到人类整个的发展史。人类从采集到农耕，从渔猎到畜牧，甚至包括精神发展，始终贯穿着人类对于基因的研究与改造。

 

早期，人类通过筛选杂交，得到性状表现更好的植物种子用于耕种，得到需要的动物品种用于畜牧，甚至将鲫鱼改造为金鱼，得到更美的观赏鱼品种。这一切实际上都是人类对于基因进行编辑的历史。

 

从今天开始，我们将会为读者用最简洁的描述，从头到尾揭示基因编辑的秘密。

 

本节作为基础课，我们将为大家揭示什么是基因，以及基因的作用。

 

基因（DNA），也被称为遗传因子，是产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。好啦，估计很多读者已经被第一句话拍蒙，已经决心放弃学习啦。不过如果你继续阅读下去，会发现其实这个概念并不难理解。

 

为了解释基因，我们首先需要了解，生物体本质上是由蛋白质构成的。蛋白质对于动物，可以被粗糙的理解为肉、骨骼、器官等等，对于植物，可以粗糙的理解为叶子、根、种子等等。那么，到底是什么决定一个生物长成什么样子，以及它会有什么性状呢？换种通俗的问法就是，到底什么决定一个生物的肉、骨骼、器官长成什么样子呢？这个问题的答案就是基因。基因是生物体复制自己，生产蛋白质的基本编码，也就是我们熟知的双螺旋结构。

 

双螺旋结构到底代表什么呢？双螺旋结构，实际上是由成对的碱基对构成的结构。读者可以不必费力深究什么是碱基对，只需要知道，在DNA中的碱基对是由A配T、C配G组成的固定搭配。每对固定搭配之间，通过不同的数量、组合、排列方式组合起来，就形成了不同的基因代码，这种基因代码被称为基因序列。例如人类的基因组，就拥有超过30亿对碱基对。碱基对的排列顺序不同，决定了不同人的性格，身高，肤色等之间的差异。

 

 

 

至此，读者应该对基因建立了一个初步的认识，不过细心的读者应该发现，这里只讲了基因，并没有涉及生物体如何生产蛋白质复制自己的过程。为了搞清这个问题，就要引入基因中另一概念RNA了。RNA的种类繁多，复制过程复杂，这里不做细致的阐述，只给读者描述它的工作原理。

 

基因（DNA）只存在于细胞核中，而蛋白质的生产过程，却在细胞体中，这样就需要一个中介物质，把DNA的遗传信息复制并运输到细胞体中，这个中介物质，就是RNA。

 

与DNA不同，RNA是一条单链结构，为什么是单链呢？原因就是，当细胞要生产特定的蛋白质时，在细胞核内的DNA会解链，即把双链打开（A-T、C-G配对拆开成独立的碱基），RNA聚合酶就通过打开的DNA上碱基序列，按照A配T，C配U（RNA中没有G）的原则，复制出一条与之相应的RNA链。这条RNA链带着与DNA所匹配的信息，来到细胞体内，核糖体利用这些信息，合成所需的蛋白质。

 

 

总结一下

 

今天你需要记住的几个知识点：

1、基因（DNA）存储了生物体性状信息。

2、DNA储存信息的最基本单位是碱基对。

3、碱基对的排列顺序决定了生物体性状的不同。

4、DNA通过RNA向外传递遗传信息。

 

本节描述的就是生物体通过基因复制自身过程的简单描述。理解基因以及生物体如何复制发展自己，对后面几节将要接触的基因编辑技术，有重要作用，不太理解的读者可以反复理解本节内容。