理论教育 圣约翰教堂闹钟引发的时间之谜

圣约翰教堂闹钟引发的时间之谜

时间:2023-07-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:正如《飞行邮报》所言“这为公众提供了极大的便利”,因为圣约翰教堂时钟所呈现的,不只有埃克塞特当地时间,还有“铁路时间”。如果你只与当地人协调,例如我们都住在埃克塞特,约定19∶00见面,那没有问题,至于200英里外的伦敦是19∶14根本无关紧要。此后多年,埃克塞特的主任牧师都拒绝调整城市大教堂的时钟。记住为什么埃克塞特的时钟与200英里外伦敦的时间不同:正午要晚14分钟。GPS卫星通常包含四个由铯或铷制成的原子钟。

圣约翰教堂闹钟引发的时间之谜

1845年,埃克塞特的圣约翰教堂的时钟增添了一项新奇的功能:另增一支分钟指针,走时比原来的快14分钟。正如《飞行邮报》所言“这为公众提供了极大的便利”,因为圣约翰教堂时钟所呈现的,不只有埃克塞特当地时间,还有“铁路时间”。

长久以来,时间一直由行星运动定义。早在知晓地球绕轴自转和绕日公转之前,我们就在谈论“天”和“年”。月亮的圆缺给了我们“月”的概念,太阳的升落给了我们“正午”的概念,当(白天)太阳达到最高点即为正午,当然这取决于你所处的位置。如果你碰巧在埃克塞特,要比伦敦晚14分钟看到。

人们自然倾向根据当地天文观测来设定时钟。如果你只与当地人协调,例如我们都住在埃克塞特,约定19∶00见面,那没有问题,至于200英里(321.87千米)外的伦敦是19∶14根本无关紧要。然而,当火车穿行于埃克塞特和伦敦时,中途停靠多个其他城镇,每个都有自己的时间,我们面临着一场组织噩梦。

早期的英国火车时刻表这样提醒旅客,“伦敦时间比雷丁时间早约4分钟,比赛伦塞斯特时间早约7分半”等,但是这让很多乘客感到困惑。更严重的是,驾驶员和信号员也是如此,增加了火车碰撞的风险。

于是铁路系统开始采用“铁路时间”,铁路时间基于格林尼治标准时间,由著名的天文台设立。一些市政专家迅速领悟了国家标准化时间的实用性,其他人则对这种以大都市为基准的强制规定表示愤慨,坚持他们的时间才是“正确的时间”——《飞行邮报》称其带着可爱的狭隘主义。此后多年,埃克塞特的主任牧师都拒绝调整城市大教堂的时钟。

其实,根本就没有什么“正确的时间”。如同货币价值,这是一个协议,其实用性源自得到广泛的接受。没有“正确的时间”,但存在准确计时。时间回溯到1656年,一位名叫克里斯蒂安·惠更斯的荷兰人。

当然,惠更斯之前,也有时钟。水钟出现在古埃及到中世纪波斯的文明中;其他人在蜡烛上刻下痕迹来计量时间。但即使是最准确的设备,每天也可能有15分钟的误差。如果你是修道士,想知道何时祷告,这点误差无关紧要,除非上帝坚持守时。但是有一个越来越重要的生活领域,保持准确的时间对其具有巨大的经济意义:航行。

通过观察太阳的角度,水手们可以找出自己的纬度:从北到南的位置。但他们的经度——从东到西的位置——只能猜测。错误的猜测可能频繁导致船只撞到导航员误以为在几百英里之外的陆地,有时导致船只沉没。

准确的计时有何作用?记住为什么埃克塞特的时钟与200英里外伦敦的时间不同:正午要晚14分钟。如果知道在伦敦的格林尼治天文台或其他参考点什么时候是正午,就可以观察太阳、计算时差然后计算出距离。惠更斯摆钟比任何先前的设备精确60倍:但是即使每天误差在15秒钟以内,长途航行也会不断积累。况且,在飘摇沉浮的甲板上,摆钟也难以规律运作。

海洋国家的统治者准确意识到经度问题:早在惠更斯的摆钟问世近一个世纪之前,西班牙国王悬赏寻求解决方案。众所周知,后来是英国政府拿出奖金,英国人约翰·哈里森[1]潜心钻研,终于在18世纪制造出足够精确的设备,每日误差只有几秒钟。(www.daowen.com)

从惠更斯和哈里森开始,钟表变得更加准确。而且,虽然埃克塞特主任牧师的态度顽固,整个世界已经统一“正确的时间”——协调世界时(UTC),在全球不同时区协调下,至少能保持十二点时太阳在最高点附近的惯例。协调世界时基于原子钟,其测量电子能级的振荡。主时钟本身由美国海军天文台在华盛顿特区西北部运营,实际上是几个不同时钟的组合——其中最先进的是四个原子喷泉时钟,其中,冷冻原子被发射到空中并再次跌落。如果出现问题——即使是技术人员进入房间也会改变温度和可能的时间,那么有几个备用时钟可以在纳秒级时间内随时替换。精密度达到每三亿年误差不超过一秒。

有没有需要这么精确的时候?早上上班不需要精确到毫秒。事实上,准确的手表带来的更多是名声而不是实用性。一个多世纪以来,早期无线电广播中开始每小时准点报时之前,贝尔维尔一家人在伦敦的生活,靠的就是每天早晨在格林尼治设置手表,然后在城市帮别人对时,并收取一定费用。他们的客户大多是钟表业的商人,对他们来说,把自己销售的钟表与格林尼治联系在一起让他们充满专业的自豪感。

但是现在有几个地方毫秒之差也重要。一个是股票市场:通过在竞争对手之前即时利用套利机会可以获得财富。一些金融家最近计算说,值得花费3亿美元,在芝加哥纽约之间的山脉钻探,将光纤电缆放在稍微直些的地方。这使两个城市之间的交流加快了3毫秒。人们可能会想,投入如此多资金建设这种基础设施,是否真的是最佳选择。这种创新的动机一目了然,如果人们对它们做出反应,我们也不会感到惊讶。

准确保持统一时间是计算和通信网络的基础,不过也许原子钟最重要的影响——首先是船只,然后是火车——一直都和交通有关。

现在没有人需要通过观察太阳的角度导航——我们有GPS。最基本的智能手机可以通过从卫星网络获取信号来找到你:因为这些卫星每时每刻都在空中,三角测量信号可以让你知道身处何方。这是一项革命性的技术,从航海到航空,测量到徒步旅行,只有卫星在时间上保持一致,才真正有效。

GPS卫星通常包含四个由铯或铷制成的原子钟。惠更斯和哈里森做梦也没想到能如此精确,但出现误差的情况也会发生——地球的电离层干扰放大会导致信号模糊。正因为如此,自驾汽车需要传感器和GPS:在高速公路上,几米误差可能就会导致车毁人亡的悲剧。

与此同时,时钟的发展还在继续前进:科学家最近开发了一种基于镱元素的时钟,50亿年后地老天荒时,其误差损失也不会超过百分之一秒。这种特别精确的时钟对经济会有何影响,只有靠时间证明。

【注释】

[1]约翰·哈里森(John Harrison)解决了经度问题,但他从来没有得到他认为应得的奖金。达瓦·索贝尔(Dava Sobel)在《经度》(1995)上做出了颇有说服力的表述:那些心生嫉妒的天文学家经过策划,极不公平地剥夺了哈里森的奖金。还有一种看法:因为哈里森小心翼翼地不把自己的钟表工作原理公布于众,因此没有为经度问题提供实际的解决办法——只是表明他有提供解决方案的才能。

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