我们的生活通常是按照时间安排的；潮涨潮落、月盈月缺、斗转星移也是按照时间展开的。但是问问我们自己，时间是什么？却可能说不清楚。
本书系统地讲述了人类数千年来为计时（测量时间）、纪时（厘定历法）和认识时间所走过的曲折道路，其中不乏有趣的历史事件和重要历史人物的精彩故事。全书按时间顺序展开，由古代到现代，从东方到西方，为读者清晰呈现了人类文明的发展脉络，以及人类纪时与计时方法与手段的不断进步，最后拓展到人们对生命与时间的理解，从而展现了人类对时间认识的“飞越”。
本书内容生动有趣、简洁易懂，相信从中学生到社会大众均会有所受益和启迪。

杜如虚，1955年生，加拿大工程院院士，华南理工大学教授。1983获华南理工大学自动化工程学院硕士学位，1989年获美国密歇根大学机械工程学院博士学位，曾在加拿大温莎大学、美国迈阿密大学、香港中文大学任教28年，为全球制造工程师学会Fellow、美国机械工程师学会Fellow、香港工程师学会Fellow。邮箱：2425077291@qq.com。

第一章 问天
1.1 远古的石阵
1.2 古埃及的历法、方尖碑和日晷
1.3 古希腊的历法、水漏、水钟及安蒂基西拉机构
1.4 儒略历
1.5 格里高利历、复活节和日心说
1.6 公历及其沿革
1.7 世界各地的其他历法
知识点与兴趣点
第二章 称水
2.1 夏商周的历法与水漏
2.2 汉唐的历法与水秤
2.3 宋元的水运浑天仪
2.4 明清的历法及水法钟
2.5 现代的农历
知识点与兴趣点
第三章 数声
3.1 中世纪的古钟与棘板式擒纵机构
3.2 伽利略的钟摆理论与惠更斯的摆钟
3.3 胡克的弹簧理论与锚式擒纵机构
3.4 格林汉姆擒纵机构
3.5 蚂蚱擒纵机构、航海钟与经度大奖
3.6 英国叉瓦式擒纵机构与弹簧棘爪擒纵机构
3.7 宝玑擒纵机构与法国大革命
3.8 双三角擒纵机构、大本钟与工业革命
3.9 傅科摆与地球的运动
3.10 瑞士叉瓦式擒纵机构与瑞士表
3.11 美国的铁路表、标准化与生产线
3.12 腕表
3.13 复杂机构
3.14 机械钟表与能量捕获
3.15 机械表与机器人
3.16 双摆钟与精密计时
3.17 丹尼尔斯同轴擒纵机构
3.18 万年钟
知识点与兴趣点
第四章 炼石
4.1 铜、电机与音叉表
4.2 石英与石英表
4.3 硅星球
4.4 机械钟表的“硅”化
4.5 电子表的进步，太阳能与光动能表
4.6 智能手表
4.7 原子的时间
知识点与兴趣点
第五章 求生
5.1 生命的起源
5.2 生物的时钟
知识点与兴趣点
第六章 飞越
6.1 时间的尺度
6.2 人类能直接感受的时间
6.3 人类通过科学探知的时间
知识点与兴趣点
附录 钟表机构仿真动面
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后记

当我们的祖先渐渐地离
开茹毛饮血的远古时代，他
们一定想到了计时：日的晨
昏、月的盈亏、季节的转变
、植物的枯荣、动物的迁徙
，都由时间而定。空间可以
用长度、面积、体积来度量
。时间也可以度量，但与空
间里的物体不同，时间是看
不见、摸不着的，它是单向
线性的，一去不复返，但也
有周期性，每天的日出日落
，月相的变化，四季的周而
复始，因此很难用一个简单
的方法来测量。我们的祖先
们凝视日影、遥望星空，开
始了人类最早的科学探索。
怎么测量时间呢？中国
文字是象形文字，“时”由“
日”和“寸”组成。因此可见
，“时”由“日”而来，可以用
“寸”来测量（测量日影）。
假定你在北半球，面向北方
，上午的时候举起左手，下
午的时候举起右手，你的手
影可以指示出当时的时间。
图1是作者在天津海鸥表业
集团有限公司的太阳投影钟
前的照片，照片中可以看见
时间的标记（手影正指向中
午12点）。其实不举手，就
用身体的影子大致也行，不
过由于影子粗短，精度差些
。
太阳投影钟又称人体日
晷钟（英文叫作
analemmatic sundial）。“
晷”字的意思就是日影，东
汉的许慎（58-147）在他的
《说文解字》中说：“晷，
日景（影）也。”日晷的原
理如下：太阳的运行轨迹在
南回归线及北回归线之间，
每天太阳从东方升起，在西
方落下。故此，当你在北半
球（特别是北回归线以北）
面北而站时，太阳在你身后
运行，上午的影子斜向左边
，下午的影子斜向右边，中
午的影子最短，在正中。注
意，日影的长短因所在地的
纬度与一年中的时间而异（
这一方法在本书第二章中还
会详细介绍）。今天日晷上
的时间刻度可以准确地计算
出来，而在古时候则全凭一
点一点长时间仔细地观察与
测量。古人还造了一个“主”
字，形象地描述了测量日影
的尺子。
在一万多年的人类文明
史中，每个伟大的文明都创
造了自己的计时与纪时的方
法，如在两河流域、古埃及
、中国、印度及美洲等。计
时就是测量时间，计时的装
置有日晷、水漏、机械钟表
，等等。纪时是勘定历法，
定义年、月、日。计时与纪
时的方法引导着社会发展。
有许多伟人都为计时与纪时
留下了自己的印记，如亚里
士多德、亚历山大、恺撒、
康斯坦丁、哥白尼、开普勒
、伽利略、惠更斯、牛顿、
汤姆森、爱因斯坦、霍金…
…，还有许许多多的哲人、
科学家、技师与工匠等。
时间是很神妙的东西。
每个人都经历一样的时间，
但随时随地都有不同的感受
。现代物理学认为，时间与
空间源自一体，自从138亿
年前的大爆炸开始，宇宙的
空间与时间都在变化之中，
甚至还可以互相变换。时间
还像测不准的量子一样，有
微小的、不连续的跳跃。古
往今来所流传的故事、绘画
、雕塑、小说、电影、电视
，无不是按时间来展开的，
把时间压缩、延伸或倒流。
仔细想来，从一刹那到五千
年，从一声霹雳到浩瀚星空
，有什么不涉及时间？真是
令人神往。有人做过统计，
在《牛津英语词典》
（Oxford English
Dictionary）这样的书籍中
，用得最多的单词就是时间
（time）。
2006年我负责一个机械
手表设计与制造的研发项目
。在之后的3年又8个月里，
每天开会、讨论、画图，用
各种各样的方法加工零部件
、测量、装配、再测量，还
要写报告、写论文。项目结
束后，忽然觉得自己对计时
与纪时的了解很有限。在接
下来的8年里，我除了教书
和科研外，有时间就会去研
究计时与纪时。不断地读书
、思考，才慢慢入门。后来
更有了一个情结：要把自己
的知识与世人分享。这就是
写本书的初衷。
关于时间的书已经不少
了。还有许多文章刊登或发
表在杂志、报纸、网页上（
林林总总的钟表杂志与商业
网站大多是些夸张的宣传，
不算在内）。但我总觉得时
间是个复杂的东西，要写时
间，就要把自然科学与社会
科学放在一起来写，把西方
和东方放在一起来写，把技
术和艺术放在一起来写，把
历史事件和技术发展放在一
起来写。
我受到家庭的熏陶，从
小喜欢读书，尤其喜欢历史
与诗歌。后来上大学，学的
是工程。1985年我出国攻
读博士学位，毕业后在加拿
大、美国任教十多年，
2001年回到中国香港工作
，朋友甚多。因此，对东方
与西方、科学与艺术也都颇
为熟悉。我已经写过好几本
专业书籍，但这本书的写作
时间最长，写了再改、改了
又改，整整用了五年多的时
间。这是因为读书、开会、
讨论都常常会遇到时间这个
题目，并有所启迪，总想到
要增补、修改。因为花了这
么多的时间，很希望读者们
喜欢并能够得益。
这本书基本上是按照历
史的进程来编排的，全书共
分6章：
第一章“问天”，介绍古
人通过观测日月星辰来计量
时间的方法，也介绍了世界
上的各种历法，包括儒略历
、格里高利历（即今天的公
历）、伊斯兰历、印度历、
玛雅历及其他历法。
第二章“称水”，介绍中
国历代的历法，从夏商周讲
到现代。也介绍了中国特有
的用水计时的方法，如莲

时间是什么？一天为什么是24小时？一小时为什么是60分钟？一分钟为什么是60秒？一秒是怎么定义的？又是怎么测出来的？一周为什么是7天？一个月为什么有长有短？一年到底有多少天？
古今中外有无数极具聪明才智的人为历法与计时作出了巨大贡献，也引领了人类文明的发展。我们今天的生活更无时不刻地依赖着计时与历法。
本书将陪伴您漫步时间的历史长河，呈现精彩，启迪思维。

我写过、编过好几本书
了。但写这本书花费的时间
最多。2014年，我写了一
本英文专著The Mechanics
of Mechanical Wateches
and Clocks，译成中文书名
是《机械钟表的力学原理》
，专著由德国施普林格
（Springcr）出版社出版。
这本书是一部学术专著，讲
的是机械钟表的力学原理。
目前研究这一内容的学者在
全世界只有为数不多的几个
。但是机械计时技术曾经引
领了科学技术的发展，改变
了世界。因此，我想到要写
一本这方面中文的、科普性
质的书。我本以为基本素材
已经有了，花一两年时间足
够了。但是动笔后觉得机械
钟表发展的历史虽然波澜起
伏、柳暗花明、饶有趣味，
但也只是人类计时历史中的
一个部分。因此，定了一个
更大题目，叫作《人类计时
与纪时的科学与艺术》，并
开始搜集、阅读了大量的书
籍和参考资料。在教书、科
研的闲暇之际就去读书、写
作，不知不觉中就过去了两
年。
2016年，我和我的好友
上海交通大学的邹慧君教授
谈起这本书，他建议要图文
并茂，还建议改个更有趣味
的名字。我想了一下，决定
用《时间之旅》作为主标题
，副标题为《人类测度与纪
量时问的历程》。
2017年年底时，出版社
的刘占伟老师拟了一个出版
合约，要我给一个初稿。记
得那天早上起来，突然想到
了一个新的布局，也就是本
书现在这个架构。接着又是
一年多的读书、写作。书稿
改了又改，我觉得每一句好
像都已经至少写过5遍。
作者写书都有自己的写
作风格。我自幼喜欢文学，
后来因为各种机缘学了工程
。由于学习工程，养成了实
事求是的作风，一丝不苟、
精益求精。书中内容都是真
实可考的，没有任何虚构或
假设，也尽量避免不必要的
主观评论。由于对文学的爱
好，我有空就会读诗、写诗
。1999年时得遇良师，写
诗渐渐入门。写诗讲究炼字
，因此，本书的文字略显简
练，读者有时需要自己琢磨
一下。我觉得这样也有好处
：时间是个无处不在的主题
，每个人在不同的时候、不
同的场合去思考它都会有不
同的感受。宋代著名的文学
家、大学士范仲淹在其名文
《岳阳楼记》中讲到登岳阳
楼的不同感受，就是这个意
思。
这本书叫作《时间之旅
》，全书按历史时间顺序展
开：“问天”“称水”“数声”“炼
石”“求生”“飞越”，希望与
读者一起，沿着这个历史轨
迹做一个有声有色的“时间
之旅”，不但能够了解古人
们怎样开发出计时技术、厘
定纪时历法，而且还能看到
期间发生的有趣故事。读者
在茶余饭后、旅途休憩中可
随手翻阅和发现关于时间的
这些新奇故事，以资清谈。
在周末清晨或深夜挑灯仔细
读这本书的时候，希望读者
能浮想联翩，解悟人生。
我曾经设想过一个走遍
世界的时间之旅：
·到土耳其去看史前的石
阵；
·到埃及去看金字塔及日
晷；
·到希腊去看奥林匹克遗
址；
·到以色列和巴勒斯坦去
看耶路撒冷；
·到河南登封去看周代和
元代的日晷；
·到意大利去看比萨大教
堂；
·到英国去看伦敦科学博
物馆和伦敦大火纪念碑；
·到法国去看巴黎的先贤
祠和玫瑰线；
·到瑞士去看钟表博物馆
；
·到美国首府华盛顿的海
军天文台去看原子钟；
·到美国得克萨斯州的国
家森林公园去看万年钟；
·到美国加州硅谷去看计
算机历史博物馆。
读者可以约上几个知己
，带上这本书，亲历一次“
时间之旅”，何等惬意！
时间是个永恒的主题，
生死、爱恨、成败无不取决
于时间。照片记录一瞬时间
；视频、电视、电影记录一
段时间（当然也可以把时间
压缩或延展）；文学作品描
述沿着时间展开的人和事以
及情感和思想；科学和技术
更是以时间为坐标。在人生
有限的时间里，什么是最重
要的呢？用时间来衡量，最
重要的就是“家”，因为我们
在家度过的时间最多。祝愿
读者们都有一个和睦、幸福
的家。
杜如虚
2020年7月于香港

1.1 远古的石阵
计时首先要有计时的方法与装置。本书的前言中讲到用日影计时是最古老的方法。很早的时候，许多民族都会用日影计时，例如巴比伦人、埃及人、欧洲人、印度人、玛雅人等，当然还有我们中华民族的祖先。
用日影计时的装置叫作日晷。日晷的工作原理比较简单：把一根柱子竖立在空地上，由于太阳在天上位置的变化，日影随之变化。在一天之中，早晨及傍晚日影最长，正午日影最短。在北半球一年之中，冬至日影最长，夏至日影最短。根据这些变化规律设计好刻度，就可以大概地判断一天中的“时”和一年中的“季”了（图1.2）。
然而，最早的日晷不是一根柱子，而是石阵。根据近年来的考古发现，最古老的石阵日晷在土耳其的哥贝克力（Gobekli Tepe）山顶（图1.3），建于公元前9000年左右，石碑上有动物形象的雕刻，石阵附近还发现了原始小麦。石阵标志着人类从采集狩猎时代逐渐进入农耕时代。石阵日晷可以帮助古人辨认季节，按照季节耕作，从而获得稳定的食物来源，逐步从20人左右的小型部落走向大型社会。
这种古老石阵在欧洲和中亚大陆都有发现。每个石阵的石柱大小不一，数目不同，少的有4个多的有十几个。在这些林林总总的石阵中，最著名的是英国的巨石阵（Stonehenge）（图1.4）。巨石阵是在公元前3000年到公元前2000年间分几次建造的，有些巨石高达4.1米，重25吨。当时人们还没有文字，不能记录石阵是怎么使用的，不过清晨的阳光在一年中不同的时间到达石阵中不同的位置，容易辨识。这些巨大的石阵在广阔的原野上记录着古人们探索时间的足迹。
1.2 古埃及的历法、方尖碑和日晷
古埃及的方尖碑（obeIisk）是一根石柱，其计时原理如图1.2所示。这种日晷叫作水平式日晷。据考证，最早的方尖碑是在公元前3500年左右建造的，后来陆续建造了多个。这些大碑除了用作日影计时外，还用作纪念碑，碑上的文字记载着建碑法老的功勋。古埃及人得到尼罗河的恩赐，每年一度的尼罗河水泛滥使土地肥沃，农耕便利，因此得以生息繁衍，创造了伟大的古埃及文明。
古埃及人发明了自己的文字和历法，对数学、宗教、天文学等都有杰出的贡献，直到今天还影响着世界。他们的金字塔（pyramid）堪称世界奇迹。著名的吉萨（Giza）金字塔建于公元前2600年，高达143米，这一人类建筑的高度直至3000多年后才被英国伦敦的圣保罗大教堂所超越。许多人认为金字塔只是法老们炫耀权贵及梦想永生的陵墓，是劳民伤财的“大白象”工程，其实修建金字塔对古埃及的繁荣起了重要的作用。首先，它使得人们能够大规模地组织起来，高效率地进行工作与战争；其次，它促进了采矿、贸易、交通、科技的发展及文化交流；它还培育了一批领袖人才、工程师和技师，致使古埃及得以兴旺富强，延续了数千年之久。
然而随着古埃及帝国的衰落以及时间的消磨，金字塔和方尖碑都渐渐倾倒或颓废。金字塔搬不动，但许多方尖碑则被作为战利品运到了不同的地方。据记载，目前还完好的方尖碑约有29座，其中9座在埃及，11座在意大利，其他的散布在世界各地。作者曾经在美国纽约、英国伦敦、意大利罗马、法国巴黎以及土耳其伊斯坦布尔见过这类方尖碑，其中最著名的是位于美国纽约及英国伦敦的一对方尖碑，它们叫作“克利奥帕特拉之针（Cleopatra's Needle）”。这两个方尖碑建于公元前1450年左右，高21米，重224吨。碑上原来无字，200年后（公元前1250年左右），古埃及国王拉美西斯二世（Ramesses Ⅱ，公元前1303-公元前1213）下令在其上面刻字，其中有一段是这样写的：“阿蒙（太阳神）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。”拉美西斯二世是古埃及第十三王朝的国王，18岁登基，在位60多年。他年轻时曾组建了_一支10万人的军队，南征北战，中年后则注重和平。在他的统领下，埃及空前强大，其版图扩展到今天的埃及、巴勒斯坦、以色列、叙利亚及伊拉克的一部分。后来，埃及艳后克利奥帕特拉（Cleopatra，公元前69-公元前30）为了纪念她的丈夫恺撒（Gaius Julius Caesar，公元前100-公元前44）（也有人说是为了纪念她的第二任丈夫安东尼（MarkAntony，公元前83-公元前30））把这对方尖碑移到了亚历山大城（这一段故事后面会讲）。随着时间的推移，两个大碑都倒塌在沙漠之中。后来埃及多次被征服，到了近代更是一蹶不振，任由西方列强宰割。1877年，其中一个大碑被搬到伦敦。1881年，另一个大碑被搬到纽约（图1.5），当时的搬运还颇费周折。这些高耸的大碑至今还宣示着古埃及人的智慧，给人以震撼的感觉。
到了公元前500年左右，世界上许多国家与地区都能制作日晷，日晷的设计也五花八门。除了方尖碑这样的水平式日晷外，还有斜晷（又称赤道式日晷）、极地式日晷、垂直式日晷、投影式日晷、等高式日晷等。图1.6所示是一个古埃及制造的斜晷，外圈用罗马字母标记月份，内圈用刻度标记时刻。这个日晷制作于公元