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古代天文学家及物理学家以日圭、日晷、水钟和单摆等形式观察天象，并利用观测日影的变化或水位的变化来计时。随着科技进步，近代科学家发明单摆种及石英振荡器，利用单摆或石英晶体的振荡周期来计时。但是这些方式易受环境、温度、材质、电磁场甚至观测者观测角度等影响，稳定度不佳，须由地球自转和公转、月球公转等天体周期来校正。