1年有多少天？
1个月有多少天？
1年有多少个月？
1天为什么是24小时？
1小时为什么是60分钟？
1分钟为什么是60秒钟？
1秒钟有多久？
11月17日，广州院士专家校园行走进广州市第73中学，杜如虚院士带来一场主题为“时间之旅”的讲座。杜如虚院士向同学们娓娓道来关于时间、历法的知识，带领同学们了解关于时间的秘密。
专家介绍
杜如虚
华南理工大学吴贤铭智能工程学院教授，原香港中文大学自动化与计算机辅助工程学系教授，精密工程研究所所长，原广州中国科学院先进技术研究所建所所长。多年从事智能工程及精密制造领域的研究。2010年当选美洲机械工程学会院士，2012年当选国际制造工程学会院士，2015年当选香港工程师协会院士，2017年当选为加拿大工程院院士。
在古代，不同的文明是怎样看待“时间”这一概念
在西方（犹太教、基督教、伊斯兰教）等文明看来，时间是单向的、线性的，是一去不复返的。
在东方（印度教、佛教）等文明看来，时间是循环的，是无始无终的。
在许多非洲部落看来，时间是一个个事件的记录。
在许多美洲部落来看，时间一分二，一个是“过去及现在”，一个是“未来”。
而在澳大利亚原住民的观念里，时间是一种虚拟的东西。
最早的计时工具——日晷
早在数千年前，人类已经有了时间的概念，并不断尝试对时间进行测定。一日之内，何时日出日落？一月之中，何时月盈月亏？一年之中，春夏秋冬何时交替？利用日影原理制作的日晷，可以算是最早出现的计时工具，且世界不同文明都曾使用过。
土耳其的哥贝克力遗址（Gobekli Tepe）诞生于一万两千多年前，在遗址中发掘出45块T型巨石，它们就拥有日晷的功能。
GobekliTepe, Turkey, 9,500 BC
爱尔兰纽格莱奇墓（Newgrange）位于爱尔兰东北部的米斯郡，被认为大约建造于新石器时代的公元前3200年左右，是爱尔兰最为著名的史前坟墓之一。在夏至那天的清晨，阳光会照射到房子的中间，充满墓室。
Newgrange, Ireland, 3,200 BC
埃及的日晷最早建于公元前1527年，其中最大的约有40米高，重达1120吨；埃及现有约140个日晷传世。
克里奥帕特拉之针（Cleopatra’s Needle）建于公元前1450年，埃及法老拉美西斯二世（Ramesses II，公元前1303年-公元前1213年）曾在上面刻字记录自己的名字和功绩：“…,阿蒙的选君、太阳的儿子、上下埃及的国王，拉美西斯，年轻、美丽，光荣，就像太阳从地平线升起，光照大地,…”克里奥帕特拉（Cleopatra，公元前69年-元前30年）后来将它移到了亚历山大城；在1881年，它被搬到纽约，竖立在中央公园内。
Cleopatra’s Needle
除了以上的日晷，世界其他国家包括中国都出现过不少大型日晷的历史遗物与遗址。
学生们听得津津有味
历法的演变
一、古埃及历法
中国古代最早的历法“北斗历法”，是指以北斗星斗柄旋转指向为依据制定的历法。而在埃及，最早的历法则是以天狼星为基准。为什么会有这样的不同呢？
埃及首都开罗所处的纬度与上海相似，但地理气候不同。埃及的一边是地中海，而另一边则是沙漠，尼罗河是古代埃及人农耕的重要依靠。尼罗河河水发源于高山上融化的冰川，每到六月初，天气炎热，尼罗河河水水位上升，是古代埃及人农耕季节的开始。而在这时，恰好天狼星偕日升，所以埃及人创造的历法就以天狼星为基准。
*偕日升是指一颗恒星(也可以是月球或行星)经过影藏在地平线下一段时间或一定的周期之后，首度在拂晓时又出现在东方地平在线，或是正好在地平在线但隐藏在太阳的光芒之中的现象。
古埃及天狼星女神Sopdet
二、出现在公元前45年的儒略历
儒略历（Juliancalendar）是由罗马共和国独裁官儒略·凯撒采纳埃及亚历山大的数学家兼天文学家索西琴尼的计算后，于公元前45年1月1日起执行的取代旧罗马历法的一种历法。
在儒略历中，一年被分为365天，但没有定义哪一天是岁首（一年里的第一天），每四年有一个闰年；一年被分为12个月，1、3、5、7、8、10、12为大月，有31天；4、6、9、11是小月，有30天；2月特别，只有28天（闰时有29天）；而一周被分为七天，以各日、月、金、木、水、火、土各神祗命名；一天被划分了24小时，但当时没有定义分钟。
凯撒（GaiusJulius Caesar，公元前100年公元前44年）
三、非常接近现代公历的格里高利历
儒略历虽然已经比较准确，但仍存在一定的误差。儒略历每120年会有一天的误差，到了1500年，就已经有十多天的误差了。
教皇里奥十世（LeoX，1475年-1521年）首次提出改革历法，而同一时期的哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473年-1543年）提出了日心说，为更准确地制定历法提供了理论。1582年，罗马教皇格里高利十三世实施新历法，修正后的格里高利历平均年长度为365.2425天，与地球公转一回归年365.2421天已相差无几。
世界消失了十天？
重新修正之后的格里高利历与儒略历相比，在年与月的测定上有了修改。
凡是能被400整除的年份（如2000年）不闰，因此每3000年会有一天的误差；
19年=235月的墨东周期（Metonic cycle）有1小时27分30秒的误差，每隔312.7年就会相差一天。计算的方法是七次每隔300年减去一天，第八次是隔400年减去一天；据此可以准确地计算月圆之日。
有趣的是，由于使用了新的格里高利历，世界曾消失了十天，是因为要消除此前儒略历带来的误差，1582年10月4日往前跳十天，成为10月14日。
四、现行公历
1884年，国际时间组织成立，并确定了公历的实施方法。
杜如虚院士讲课常旁征博引，增加了许多知识点
恒星年比回归年长20分24.5秒，为什么？
对于一年时间的定义，有恒星年和回归年两种。它们之间有什么区别，它们的时间是一样长的吗？
其实，它们之间的定义和时间长度都是不一样的。恒星年是指地球绕太阳公转一周的时间，每个恒星年（Sidereal Year）为365.256363004天；而回归年是太阳直射点在南北回归线之间移动的周期，每个回归年（Solar Year）则为365.242189天。恒星年比回归年要长20分24.5秒，这是由于地球自转轴的进动导致的。
比方说，陀螺在地面上高速旋转时，自转轴有一点歪的话，陀螺的自转轴会慢慢地转动方向，这种自转轴方向的变化叫自转轴进动。地球的公转轨道与赤道之间存在夹角，可以看作是一个围绕着太阳公转的歪了23°26'的陀螺，所以自转轴也会发生进动。而恒星年和回归年之间的时差，就是地轴“惹的祸”。
不同历法之间的差距有多少？
现代，因为科技的进步，我们可以通过原子钟获得对“一年时间”最准确的测量值——365日5时48分46秒。但数千年来，不同文明的天文学家们都对“一年时间”进行了测定，并提出了属于自己的历法。到底这些历法之间的差距有多大？
年份
源起
测量值
误差
现在标准
原子钟
365日5时48分46秒
无
公元前141-127年
古希腊Hipparchus
365日5时55分
+6分14秒
公元前104年
中国 太初历
365日5时34分58秒
-13分48秒
公元前45年
儒略历
365日6时
+11分14秒
139年
罗马 托勒密
365日5时55分13秒
+6分27秒
499年
印度Aryabhata
365日8时36分30秒
+2时47分44秒
882年
阿拉伯al-Battani
365日5时48分24秒
-22秒
约1100年
波斯
Omar Khayyam
365日5时49分12秒
+26秒
1252年
西班牙Alfonsine X
365日5时49分16秒
+30秒
约1440年
波斯Ulugh Beg
365日5时49分15秒
+29秒
1543年
波兰 哥白尼
365日5时49分29秒
+43秒
1582年
格里高利历
365日5时48分20秒
-26秒
有了准确的历法是不够的，我们还需要准确的计时工具。在我国，古人除了依靠日出日落来判断时间，还会使用滴漏铜壶来作为计时工具。而钟表技术，则由最早的摆钟表发展到机械钟表，再发展到如今大家常用的石英表。
石英表的有趣小知识——居里的一家
在现代计时工具中，石英表的应用非常广泛。而石英表的理论基础是“石英及压电效应”，他们的发明者是比尔居里（Pierre Curie，1859年-1906年）与杰克斯居里（Jacques Curie，1855年-1941年）兄弟二人。看到“居里”二字，同学们是不是感觉非常熟悉？
没错，他们跟我们都学过的居里夫人是家人。比尔居里（Pierre Curie，1859年-1906年）与玛丽居里（MarieSklodowska Curie，1867年-1834年）是夫妻。
居里夫人的女儿伊雷娜·约里奥-居里（Irène Joliot-Curie，1897-1956）同样是一位伟大的科学家，她因为发现人工放射性物质而获得了诺贝尔奖。而她的妹妹，则是一位优秀的音乐教育家和人物传记作家，《居里夫人传》就是出自她手。
石英表的先进性
虽然目前大家所熟知的昂贵的奢侈表品牌，大多都是生产机械表为主。但其实，作为计时工具的石英表比机械表更加精确，误差差距达到1000倍。目前，石英表已占据手表市场90%的份额。
机械表
石英表
振荡频率（赫兹）
3
32768
尺寸（毫米）
15
2
能耗（毫瓦）
300
3
误差（秒/天）
10
0.01
目前最准确的计时工具——原子钟
要说目前世界上最准确的计时工具，那就是原子钟，至少上万年才会有一秒钟的误差。它的理论基础是英国科学家凯文勋爵（William Thomson，1824年-1907年）发现了原子振荡，并提出可以用于计时。世界上第一个原子钟是在1949年被美国标准局（后改为美国国家标准与技术研究院）制作出来的。
凯文勋爵（William Thomson，1824年-1907年）
原子钟的工作原理
当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。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。例如铯133的共振频率为9，192，631，770Hz（即一秒钟震荡9，192，631，770次）。
铯（Cesium）
值得一提的是，铯是一种液态金属，与我们所熟知的另外一种液态金属水银一样，它具有剧毒性。
在讲述历法演变的过程中，杜如虚院士旁征博引，添加了许多有趣的知识，如介绍了凯撒大帝、亚历山大大帝、克里奥帕特拉女王、哥白尼等历史名人事迹，使课堂气氛非常活跃。同学们纷纷被杜院士的精彩讲述所吸引，全情投入，仿佛跟随着杜院士进行了一场美妙的“时间之旅”。在讲座结束后的提问环节中，同学们都踊跃举手提问，希望能从杜院士身上汲取更多有关时间的知识。
同学们都积极提问
最后，杜院士以自己为例，勉励同学们在学习上要保持“永不停步”的态度。他说：“我现在工作很忙，但我都会每天抽出一个小时来学习、阅读，不断学习新的东西，才能有更大的进步。”
广州院士专家校园行
广州院士专家校园行活动以弘扬科学精神、倡导科学思想、传播科技知识为重点，依托中国科协的网络资源和人才智力资源，邀请中国科学院、中国工程院以及全国，包括港澳台地区各高校、科研院所的优秀科技工作者，为小学、初中和高中不同年龄层的青少年开展科普讲座。讲座内容以适合青少年特点，容易被理解和接受的现代科学知识为主，不仅突出知识性、科学性和通俗性，更强调趣味性和新颖性。授课形式多样，语言浅显通俗易懂，同时，通过分享科学家的拼搏、创新的人生经历，传播科学精神，引发青少年思考。
项目开展以来，已组织包括中国科学院、中国工程院及世界科学院的欧阳自远、张景中、陈新滋、刘人怀、钟世镇、黄乃正（香港）、方滨兴、杜如虚、林浩然、叶玉如（香港）、吴硕贤、刘焕彬、徐义刚、张培震、罗锡文等15名院士在内的70多名科学家，走进广州11个区的360所中小学，为15万余名中小学生开展现场科普讲座370场；2020年受疫情影响，广州院士专家校园行采取线上讲座的方式开展活动，录制了17场专家讲座在网络平台上播放，并刻录1600多张讲座光碟发放到各中小学校，活动深受广大学生欢迎。
来源：广州市青少年科技中心微信公众号
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