文明的起源:20.機械計時工具—鐘錶

2020-12-04 文明的起源

人類創造的世界光彩奪目，絢麗耀眼，令人讚嘆稱奇。它為什麼是現在的這個樣子？迎著陽光，在現代文明精緻的面龐和魁梧的身軀後面，有一條長長的影子，從那裡，可以看到歲月、歷史和長路。

文明的起源：20.機械計時工具—鐘錶

時間是什麼？答案可以很簡單，時間就是時間。但是愛因斯坦用相對論把這個問題搞得複雜了，受過唯物教育但對科學只是一知半解的人（比如說我自己）甚至會失去對時間的任何形象化或者概念化的理解：我知道時間不是那麼簡單的，愛因斯坦認為時間與空間、運動速度和宇宙有關係，但我說不出來那是怎麼回事，所以我根本不知道時間是什麼。其實我們可以忽略科學家在一個小圈子裡遵循某種規則玩的高智商遊戲，而去討論我們最熟悉的「時間」。

古時候的人們注意到太陽的往復出現，和太陽在白天天空的不同位置，產生了以此作為社會協調合作和遵守某些約定的一個標準。太陽在天空某個特定位置的時候決定了人們會去做某些事：起床、吃飯、勞作、休息。

中國歷史上，在漢代以前，人們把一晝夜分為100刻，用漏壺、漏箭等設備確定此時為某刻；漢代及以後，除了保留百刻制，還設計了一種測定太陽方位和日影長度的器物——圭表，並給一晝夜再加了一個十二時辰的時間標準；大概在隋朝，發明了日晷（gui）；北宋時又將十二時辰分解為二十四時辰，稱24「小時」。

圭表
日晷

歐亞大陸的其它早期文明，使用的也是漏類的器具計時。

據說是古埃及人確立了24小時、60分和60秒的時間標準。

公元十世紀時，歐洲在使用日晷。

14世紀，歐洲出現了一種以「冠狀擒縱機構」為核心和各種大小齒輪組成的計時裝置(有人說「擒縱機構」起源於中國宋朝，比如李約瑟寫的《中國科技史》，但只是一面之詞，沒有更多證據)。擒縱機構可以用"lock-unlock "的循環來實現機械能量的傳遞，這項技術最初被作為鐘的動力來源（是用某種重物的重力來提供）。

最早的冠狀擒縱機構的鐘結構

大約在1510年代，發條已經出現，但應用到鐘錶上可能還不成熟，因為還沒有某種設計將擒縱機構從動力源轉換成發條能量的控制器。

義大利天文學家伽利略(1564-1642)在1580年代發現的「擺的等時性原理」被荷蘭物理學家惠更斯(1629-1695)利用起來在1650年代發明了擺鐘，這時候擒縱機構開始被用來控制發條的能量有規律地緩慢地釋放，而不至於快速消耗完。擒縱機構也是現代機械錶的核心部分，它決定了計時的精確性。

現代機械鐘錶典型結構

大約1670年代，惠更斯又發明了擺輪遊絲來控制擒縱機構。

14世紀及之後的歐洲使用的是時分秒的時間標準，那種能自己不斷運行（也需要隔段時間人工恢復動力）的機械鐘，最開始只有時針，大概在1470年代出現分針，1660年代出現秒針。同時，機械鐘錶的製作工藝不斷提高，鐘錶體積和走時精確性都在得到優化，鐘的大小從鐘樓到座鐘，到懷表再到腕錶，而精確性方面，是由於大航海時代的海上航行需要用精確的時間計算經緯度的迫切需求。

1880年代，法國人皮埃爾·居裡（1859-1906，居裡夫人的丈夫）發現了壓電效應，以及1920年代石英晶體振蕩器的發明和應用，為鐘錶能夠提供更高的精確度帶來了可能。

（壓電效應簡單來說，就是有些特殊物質，你碰它一下，它就在自身產生電位差；你給它通電，它就振動。石英就具有壓電效應。舉個例子您一下子就明白：1塊錢1個的打火機，用來引燃的電火花從何而來？打火機內有一個小裝置，抽菸的人都見過：裡面有一小坨能產生壓電效應的壓電陶瓷，打火時的按壓就是為了產生振動，讓壓電陶瓷生壓產電。）

石英表在1960年代出現。石英（二氧化矽晶體，是一種天然礦石）能在通電後發生有規律的震動，那麼拿一個標準的一秒時間來測量石英的震動次數——測得是每秒32768次——就能反過來用石英每震動32768次作為讓鐘錶的秒針齒輪轉動一次的標準。當然，實際驅動秒針齒輪的是電力。現代電子行業的大部分電路都需要晶體振蕩器，因為它能與時間映射。只有少數簡單的不與時間產生聯繫的電路才不需要，比如最簡單的手電筒。

石英礦石

時間是一個與世界每一個角落的人的生產和生活密切相關的概念，因此它對於每一個人都必須要有實用的意義。中午12點，就是對於一個地點，地面上的物體在陽光的照射下產生陰影最短的時候。

而我們知道地球是圓的，它在自轉，也在圍著太陽公轉，因此，太陽會在地球上產生無數個不同時間的「12點」，同樣也會產生無數個不同時間的其它時間。西班牙馬德裡和中國北京的每一個相同「時間數」都會發生在不同的「時間點」。這就是個問題。

地球上人們的聯繫已經如此緊密，可不能讓時間的不同把大家給搞糊塗了，因此，就必須要有局部區域統一而在全球有規律可循的時間。

1883年，全球主要國家確立了這樣一條有關於時間的規範：以縱貫南北極和英國格林尼治天文臺的一條線為本初子午線(0度經線)，向東每隔15度經線增加1小時，向西每隔15度經線減少1小時，分和秒不變，同經度時間一致，全球共24個時區(15*24=360度)，180度經線為國際日期變更線。舉個例子：北京經度約為東經115度，比0度要大8個15度，因此當格林尼治時間是12點時，北京時間就是20點。

上圖是格林尼治時間GMT與世界時間的對照圖。參照圖頂的時間加減規則，可以以格林尼治時間計算世界其它各地的時間，可以以其它各地時間計算格林尼治時間，也可以以一地時間計算另一地時間。

下期預告：神奇的美洲是地球上最瑰麗的奇葩，它擁有世界上所有的氣候類型，居住著熱情樂觀的人民。15世紀的末期，歐洲人才發現了這裡，並把它納入現代世界。我們將簡述地理大發現的歷史，並分析為什麼中國沒有選擇發展海洋探險事業。期待您的垂閱！

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