数千年来，人类计时的方式越来越精确。日晷将白天划分为小时。钟表将小时细分为四分之一小时和分钟，最后将分钟细分为秒。随着计时器的发展，科学家们对更精确的计时器的需求也在增长。他们开发了不依赖于地球摇摆不定的自转，而是依赖于微观原子运动的装置。这一切的核心在于我们对最小的时间单位——秒——的日益增长的理解。现代系统如 GPS 和手机依赖于保持这个时间间隔的一致性，这使得定义和改进它变得至关重要。
在刚果民主共和国塞姆利基河谷发现的一块带有刻痕的骨头，可能是人类最早计数日子的尝试。一万年后，在现在的苏格兰，人类挖掘了月牙形的坑来追踪月球周期。
人类通过带有阴影投射的方尖碑和标杆追踪太阳，将一天划分为更小的单位。近 2000 年后，埃及人将这种方法改进为已知最早的日晷。随后出现了巴比伦、希腊、中国和中美洲的版本。
通过缓慢地将水从一个容器流到另一个容器，并测量液位与标记刻度之间的距离，埃及人无需阳光就能知道经过了多少时间。类似的方法也依赖于沙子、燃烧的熏香或刻有划痕的蜡烛。
到了 13 世纪，春分点与儒略历的日期偏差了 11 天。为了纠正这个错误，英国哲学家罗杰·培根使用托勒密分格地球仪上的刻痕作为时间单位。此时，一秒意味着一个太阳日的 1/86,400。
已知的第一台机械钟由中国僧侣一行和学者梁令瓘发明。随着流水的转动，一个联锁的杆和杠杆系统通过每刻钟的鼓声和每小时的钟声来标记时间。
为了帮助天文学家追踪星星，埃及数学家托勒密将天空绘制成了一个地球仪。他将每个经度（总共 360 度）划分为 60 个部分，称为分钟，然后将每个分钟再划分为 60 个更小的部分：秒。
一位 15 世纪的法国公爵可能拥有第一台使用弹簧而不是水或重力来驱动齿轮的时钟。这种设计允许制作像怀表这样的小型计时器，并提高了精度。后来的版本一天误差仅为四分钟。
随着弹簧的松开，它们变得不准确，这给像伽利略这样的追求精确的天文学家带来了麻烦。因此，17 世纪的荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯建造了钟摆钟。它 3 英尺长的摆动重锤每天只慢一分钟。
重力会减慢钟摆的速度，但贝尔实验室的研究人员发现，带电的石英晶体振动更稳定。早期型号每年会误差三分之一秒，这使得诸如测量海面重力之类的精确测量成为可能。
可见光让我们能够检测到比微波更快的振动，这催生了光学时钟，其误差仅为每 1.4 亿年一秒。这些计时器由于太脆弱而只能运行几天，但最终可能导致对秒的重新定义。再一次。
原子钟使得更精确的秒成为可能，尽管研究人员花了近二十年才就标准达成一致。最终，他们将一秒与铯原子在电子跃迁时释放出的精确能量频率相匹配。
原子比石英更可靠地产生共振。美国国家标准局利用微波追踪这些振荡，制造了一个计时器，其精度为八个月内一秒。如今最先进的铯钟每 3 亿年只慢一秒。
本文最初发表于《大众科学》2017 年 9 月/10 月的“时间和空间之谜”特刊。
