從龐然大物到小巧精致
——計時工具的變遷史

◆本刊綜合

人類的生存和發(fā)展離不開對時間的判斷，古往今來，鐘表在人類文明發(fā)展史上發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著人類社會科學技術的進步，“由大變小”的計時工具以及不斷精進的計時方式，為人類帶來了更多便利。

時鐘里的“龐然大物”

在人類社會早期，古人對時間的概念主要是通過觀察太陽、月亮、星星和季節(jié)的變化產(chǎn)生的，測量物體陰影在一天之中的變化和運動過程是人們最早掌握的計時方法。

日晷本義是指日影，是利用太陽的位置來測量時間的工具，主要由一根投射太陽陰影的指針、承受指針投影的投影面（即晷面）和晷面上的刻度線組成。隨著太陽的移動，影子指示的時間也跟著變動。日晷每到夜間或陰雨天就失去它原本的功能，古人又發(fā)明了水鐘。

漏刻就是一種水鐘，其中“漏”是指帶孔的壺，“刻”是指附有刻度的浮箭，主要通過均勻水流導致的水位變化來顯示時間。后來又演變出水力推動機械計時的工具，圓明園的十二生肖獸首就是一個大型水力鐘的組成部分，每顆獸首代表一個時辰。

圖1 水運儀象臺（圖/新華網(wǎng) 劉默涵 攝）

北宋時期，蘇頌設計制作了一款水運儀象臺，它高約12 米，寬7 米，樞輪的直徑為3.6 米，其頂層是可觀測天體的渾儀，中間是可演示天體運行的渾象，底層是可自動報時的裝置。水運儀象臺代表了當時世界最高的機械設計水平和最高技術成就，被譽為“世界時鐘之祖”。

1283 年，英格蘭出現(xiàn)了最早由重力驅動的機械鐘，也稱“塔鐘”。時鐘大多以砝碼作為動力裝置，須將砝碼吊起到足夠的高度，讓它逐漸下降，靠重力帶動齒輪運轉。倫敦大本鐘所在的塔樓是世界上最知名的鐘樓之一，與日晷，古埃及以碑為針、以地為表盤、重達上百噸的方尖碑一樣，都是人們用來計時的“龐然大物”。

“小”和“精”的蛻變

15 世紀，人們研制了通過“由卷到舒”的過程產(chǎn)生動能的發(fā)條。當金屬帶制成的螺旋扭力彈簧成為動力源，鐘表的體積開始呈幾何級縮小，并衍生出發(fā)條動力時鐘?！安薜阽姟北徽J為是現(xiàn)存最早的發(fā)條動力鐘。

早期便攜式計時工具由兩個半球組成，內置表盤上只有一根以小時計時的時針，每天的誤差達幾個小時。基于此，科學家開始研究計時工具的精度，他們基于伽利略單擺的等時性原理，制作了擺鐘的原型，用鐘擺取代重力齒輪。后來又發(fā)明了錨形擒縱，大大降低了鐘擺擺動的幅度，固定了擺動的頻率，提高了計時的準確性。鐘擺和發(fā)條組成的擒縱機構成為現(xiàn)代機械鐘表的核心。

從20 世紀30 年代起，隨著晶體振蕩器的成功研制，小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機械鐘，廣泛應用在電子計時器和其他各種計時領域，成為人們日常生活中主要使用的計時裝置。

在太空探測、通信導航、天文觀測、工業(yè)自動化等領域，時間常常需要精準到萬分之一秒，甚至百萬分之一秒。原子鐘是世界上已知的最精確的計時器，它采用了最準確的時間測量和頻率標準，這也被認作是國際時間和頻率轉換的基準，廣泛應用于控制電視廣播和全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的信號傳遞。

圖2 我國第一臺銣原子鐘（圖/上海光學精密機械研究所）

原子鐘使計時標準從天文學的宏觀領域轉向了物理學的微觀領域，歷史由“天文秒”時代進入“原子秒”時代，人類對時間的測量和追蹤正在越來越接近宇宙的本原。