文明的起源：20.機(jī)械計(jì)時(shí)工具—鐘表

　　人類(lèi)創(chuàng)造的世界光彩奪目，絢麗耀眼，令人贊嘆稱(chēng)奇。它為什么是現(xiàn)在的這個(gè)樣子?迎著陽(yáng)光，在現(xiàn)代文明精致的面龐和魁梧的身軀后面，有一條長(zhǎng)長(zhǎng)的影子，從那里，可以看到歲月、歷史和長(zhǎng)路。

　　文明的起源：20.機(jī)械計(jì)時(shí)工具—鐘表

　　時(shí)間是什么?答案可以很簡(jiǎn)單，時(shí)間就是時(shí)間。但是愛(ài)因斯坦用相對(duì)論把這個(gè)問(wèn)題搞得復(fù)雜了，受過(guò)唯物教育但對(duì)科學(xué)只是一知半解的人(比如說(shuō)我自己)甚至?xí)?duì)時(shí)間的任何形象化或者概念化的理解：我知道時(shí)間不是那么簡(jiǎn)單的，愛(ài)因斯坦認(rèn)為時(shí)間與空間、運(yùn)動(dòng)速度和宇宙有關(guān)系，但我說(shuō)不出來(lái)那是怎么回事，所以我根本不知道時(shí)間是什么。其實(shí)我們可以忽略科學(xué)家在一個(gè)小圈子里遵循某種規(guī)則玩的高智商游戲，而去討論我們最熟悉的“時(shí)間”。

　　古時(shí)候的人們注意到太陽(yáng)的往復(fù)出現(xiàn)，和太陽(yáng)在白天天空的不同位置，產(chǎn)生了以此作為社會(huì)協(xié)調(diào)合作和遵守某些約定的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。太陽(yáng)在天空某個(gè)特定位置的時(shí)候決定了人們會(huì)去做某些事：起床、吃飯、勞作、休息。

　　中國(guó)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(shè)備確定此時(shí)為某刻;漢代及以后，除了保留百刻制，還設(shè)計(jì)了一種測(cè)定太陽(yáng)方位和日影長(zhǎng)度的器物——圭表，并給一晝夜再加了一個(gè)十二時(shí)辰的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn);大概在隋朝，發(fā)明了日晷(gui);北宋時(shí)又將十二時(shí)辰分解為二十四時(shí)辰，稱(chēng)24“小時(shí)”。

　　圭表

　　日晷

　　歐亞大陸的其它早期文明，使用的也是漏類(lèi)的器具計(jì)時(shí)。

　　據(jù)說(shuō)是古埃及人確立了24小時(shí)、60分和60秒的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

　　公元十世紀(jì)時(shí)，歐洲在使用日晷。

　　14世紀(jì)，歐洲出現(xiàn)了一種以“冠狀擒縱機(jī)構(gòu)”為核心和各種大小齒輪組成的計(jì)時(shí)裝置(有人說(shuō)“擒縱機(jī)構(gòu)”起源于中國(guó)宋朝，比如李約瑟寫(xiě)的《中國(guó)科技史》，但只是一面之詞，沒(méi)有更多證據(jù))。擒縱機(jī)構(gòu)可以用"lock-unlock "的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能量的傳遞，這項(xiàng)技術(shù)最初被作為鐘的動(dòng)力來(lái)源(是用某種重物的重力來(lái)提供)。

　　最早的冠狀擒縱機(jī)構(gòu)的鐘結(jié)構(gòu)

　　大約在1510年代，發(fā)條已經(jīng)出現(xiàn)，但應(yīng)用到鐘表上可能還不成熟，因?yàn)檫€沒(méi)有某種設(shè)計(jì)將擒縱機(jī)構(gòu)從動(dòng)力源轉(zhuǎn)換成發(fā)條能量的控制器。

　　意大利天文學(xué)家伽利略(1564-1642)在1580年代發(fā)現(xiàn)的“擺的等時(shí)性原理”被荷蘭物理學(xué)家惠更斯(1629-1695)利用起來(lái)在1650年代發(fā)明了擺鐘，這時(shí)候擒縱機(jī)構(gòu)開(kāi)始被用來(lái)控制發(fā)條的能量有規(guī)律地緩慢地釋放，而不至于快速消耗完。擒縱機(jī)構(gòu)也是現(xiàn)代機(jī)械表的核心部分，它決定了計(jì)時(shí)的精確性。

　　現(xiàn)代機(jī)械鐘表典型結(jié)構(gòu)

　　大約1670年代，惠更斯又發(fā)明了擺輪游絲來(lái)控制擒縱機(jī)構(gòu)。

　　14世紀(jì)及之后的歐洲使用的是時(shí)分秒的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，那種能自己不斷運(yùn)行(也需要隔段時(shí)間人工恢復(fù)動(dòng)力)的機(jī)械鐘，最開(kāi)始只有時(shí)針，大概在1470年代出現(xiàn)分針，1660年代出現(xiàn)秒針。同時(shí)，機(jī)械鐘表的制作工藝不斷提高，鐘表體積和走時(shí)精確性都在得到優(yōu)化，鐘的大小從鐘樓到座鐘，到懷表再到腕表，而精確性方面，是由于大航海時(shí)代的海上航行需要用精確的時(shí)間計(jì)算經(jīng)緯度的迫切需求。

　　1880年代，法國(guó)人皮埃爾·居里(1859-1906，居里夫人的丈夫)發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，以及1920年代石英晶體振蕩器的發(fā)明和應(yīng)用，為鐘表能夠提供更高的精確度帶來(lái)了可能。

　　(壓電效應(yīng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是有些特殊物質(zhì)，你碰它一下，它就在自身產(chǎn)生電位差;你給它通電，它就振動(dòng)。石英就具有壓電效應(yīng)。舉個(gè)例子您一下子就明白：1塊錢(qián)1個(gè)的打火機(jī)，用來(lái)引燃的電火花從何而來(lái)?打火機(jī)內(nèi)有一個(gè)小裝置，抽煙的人都見(jiàn)過(guò)：里面有一小坨能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的壓電陶瓷，打火時(shí)的按壓就是為了產(chǎn)生振動(dòng)，讓壓電陶瓷生壓產(chǎn)電。)

　　石英表在1960年代出現(xiàn)。石英(二氧化硅晶體，是一種天然礦石)能在通電后發(fā)生有規(guī)律的震動(dòng)，那么拿一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一秒時(shí)間來(lái)測(cè)量石英的震動(dòng)次數(shù)——測(cè)得是每秒32768次——就能反過(guò)來(lái)用石英每震動(dòng)32768次作為讓鐘表的秒針齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一次的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，實(shí)際驅(qū)動(dòng)秒針齒輪的是電力?，F(xiàn)代電子行業(yè)的大部分電路都需要晶體振蕩器，因?yàn)樗芘c時(shí)間映射。只有少數(shù)簡(jiǎn)單的不與時(shí)間產(chǎn)生聯(lián)系的電路才不需要，比如最簡(jiǎn)單的手電筒。

　　石英礦石

　　時(shí)間是一個(gè)與世界每一個(gè)角落的人的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)的概念，因此它對(duì)于每一個(gè)人都必須要有實(shí)用的意義。中午12點(diǎn)，就是對(duì)于一個(gè)地點(diǎn)，地面上的物體在陽(yáng)光的照射下產(chǎn)生陰影最短的時(shí)候。

　　而我們知道地球是圓的，它在自轉(zhuǎn)，也在圍著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，因此，太陽(yáng)會(huì)在地球上產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)不同時(shí)間的“12點(diǎn)”，同樣也會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)不同時(shí)間的其它時(shí)間。西班牙馬德里和中國(guó)北京的每一個(gè)相同“時(shí)間數(shù)”都會(huì)發(fā)生在不同的“時(shí)間點(diǎn)”。這就是個(gè)問(wèn)題。

　　地球上人們的聯(lián)系已經(jīng)如此緊密，可不能讓時(shí)間的不同把大家給搞糊涂了，因此，就必須要有局部區(qū)域統(tǒng)一而在全球有規(guī)律可循的時(shí)間。

　　1883年，全球主要國(guó)家確立了這樣一條有關(guān)于時(shí)間的規(guī)范：以縱貫?zāi)媳睒O和英國(guó)格林尼治天文臺(tái)的一條線為本初子午線(0度經(jīng)線)，向東每隔15度經(jīng)線增加1小時(shí)，向西每隔15度經(jīng)線減少1小時(shí)，分和秒不變，同經(jīng)度時(shí)間一致，全球共24個(gè)時(shí)區(qū)(15*24=360度)，180度經(jīng)線為國(guó)際日期變更線。舉個(gè)例子：北京經(jīng)度約為東經(jīng)115度，比0度要大8個(gè)15度，因此當(dāng)格林尼治時(shí)間是12點(diǎn)時(shí)，北京時(shí)間就是20點(diǎn)。

　　上圖是格林尼治時(shí)間GMT與世界時(shí)間的對(duì)照?qǐng)D。參照?qǐng)D頂?shù)臅r(shí)間加減規(guī)則，可以以格林尼治時(shí)間計(jì)算世界其它各地的時(shí)間，可以以其它各地時(shí)間計(jì)算格林尼治時(shí)間，也可以以一地時(shí)間計(jì)算另一地時(shí)間。