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文 / 故宫博物院 陈明轩
当我们观察手表上的时刻,大概都不会去思考“时间”概念是如何被人类发现的.又是从何时开始通过各种自然的、人为的手段,被人类所感知,计量.一块价值不菲的高档腕表,往往代表、反映了佩戴者的身份、品味,却又是如何被设计和研发的.这些种种,都指向了一个共同的问题——时间的发现与钟表的发明.让我们一起来了解、探究这段漫长的历史进程.
基于自然现象我们逐渐定义出时间概念
我们可以想象,追溯到远古时代,人类很可能就已经意识到时间的存在,以及度量时间的需要.
说到这里,我们就一定要提到英国伦敦西南100多千米,威尔特郡索尔兹伯巨石阵（stonehenge）.
巨石阵的主体由几十块巨大的石柱组成,这些石柱排成几个完整的同心圆.巨石阵不仅在建筑学史上具有重要地位,在天文学上也同样有着重大的意义：它的主轴线、通往石柱的古道和夏至日早晨初升的太阳,在同一条线上；另外,其中还有两块石头的连线指向冬至日落的方向.因此,人们猜测,这很可能是远古人类为观测天象而建造的,可以算是天文台最早的雏形了.
人类对于自然现象、天文现象的观察,以及对于时间概念的发现和不断探索中,我们了解到了日出、日落等等自然现象.地球围绕着太阳公转,引发了季节的更迭,透过农作物的收获期和植物成长等状态,得到了“年”的概念.还注意到月相的变化,这暗示了月份的原理.透过月球圆缺的周期和潮汐的规律,得到了“月”的概念；人类透过太阳的运行规律,得到了“日”的概念.
太阳系仪,最早出现于18世纪初的英国,是用来演示行星、地球及月亮等星球绕日运动的仪器（图2）.是人类在探索宇宙、行星、时间概念中的一项发明成果.
天文钟是一种用多种形式表达天体时空运行的仪器.它可以显示太阳、月亮、星座在某一时刻的相对位置.既能表示天象,又能计时（图3）.
月相的概念
月球是一个不发光、不透明的球体,我们看到的月光是它反射的太阳光.月相就是人类从地球上看到的月球被太阳照亮的部分.新月、眉月、上弦月、凸月、满月、间月、下弦月及残月,月相的盈亏变化带给人神秘而迷人的力量.海潮和月亮的引力作用有直接关系,潮汐变化直接影响着远洋航海、海洋渔业,甚至是军事策略等等.作为时间的载体,月相盈亏的规律运动逐渐被人类所发现和应用.
这一被星象观测者视为最浪漫、最具象征意义的时间表达,被一直延续至今,并以千变万化的形式展现于方寸表盘之上,演绎出天文与计时之间的深厚渊源.
从十三世纪开始,对于更加具体的时间定义逐渐出现,人类逐渐定义出了更加精准的时间概念,比如小时、分钟的概念.然而,现代技术并不满足于这种大概的时间单位,今天的时间是使用原子来测量的.
例如：标准的米的概念现在使用原子钟重新定义.自1983年以来,米[m]被定义为1 / 2999,792,458秒内真空中的光所覆盖的距离.
儒略历·格里高利历的发明和使用
公元前46年,罗马共和国官儒略·凯撒（即盖乌斯·尤里乌斯·凯撒）也就是我们所熟知的“凯撒大帝”,根据天文学家亚历山大·索西琴尼的建议,采用了儒略历.
儒略历中,一年被划分为12个月,大小月交替；四年一闰,平年365日,闰年366日在当年二月底增加一闰日,年平均长度为365.25日.儒略历每四百年产生三天的不准确度.
格里高利历及公历的诞生
教皇格里高利十三世于1582年颁布了“格里高利历”.“格里高利历”就是我们今天使用的公历.即公元“公历纪元”,又称“西元”的标准称呼.
1582年教皇格里高利十三世将日历修正了10天,所以1582年10月4日星期四之后即是1582年10月15日,星期五.
虽然新教徒长期以来反对,但天主教人口占多数的群体中,公历很快被普及采用.今天,世界上大多数国家几乎都在使用公历.
时间仪器的发明与发展
日晷的发明与水钟的出现
人类最早发明的计时工具是日晷.从描绘在古埃及壁画上的日晷可推知,远在公元前3000年,埃及就开始使用日晷了.之后600年出现于中国.或多或少可以确定的是这一仪器在10000多年前就已经被使用了.古埃及人将一天分为两个部分,再将每个部分划分为12个小时,透过大型方尖碑的影子变化来度量时间,成了最古老的日晷.
据推测,以往人类应该是从太阳的位置来判断一天的长度,因此古人利用立杆测影的方式,从太阳照射形成的竿影的长短看出一天当中太阳移动的程度,但由于冬天和夏天的影子长度不同,所以并无法透过竿影测量出相对的时间长度,另外还有一个缺点,此方法必须利用太阳的位置判断时间,夜晚或阴天都无法得知时刻.经过无数次的改良,在公元9世纪左右,世界各地都留下了日晷的使用痕迹,其中以欧洲地区最为密集.日晷的成本远低于机械钟,且便于使用.经常设置于公园或广场等地方.
公元1700年代清朝使用的日晷,晷针指向北极星,晷面与赤道平行,正反两面都刻有12地支.
接着诞生的计时工具是水钟.水钟是欧洲等地的人利用水流速度恒定的性质制成的计时工具,将水注入底部 有孔洞的容器里,当水从底部的孔流出时,水面会随之下降,即能从容器里的刻度得知时刻.
火钟的出现
除了日晷和水钟外,有一种利用物质燃烧的速度测量时间的工具,名为“火钟”.
火钟的种类繁多,包括油灯钟、蜡烛钟、香盘钟及线香钟等.油灯钟的测时方式是燃烧燃料油,使其水平线下降,从燃料油的量看出时间的流逝.
据说最早的油灯钟是在1500年代,西班牙的腓力二世为了知晓夜晚的时间,在房间中使用的.
不同于“立竿测影”或是从影子长短测时的日晷,也不同于利用水流特性测时的水钟,火钟的特性为消耗精致的物质,由此可窥探出人类生活水准正在不断提升.
此外,虽然尚未找到确切的起源,但从中世纪欧洲的绘画等可以推测出,使用细沙测量时间的沙漏应该比水钟还晚诞生.大约出现于公元1300年代左右.
日晷的特征是以太阳为焦点判断时刻,水钟跟沙漏则是利用地球的重力移动物质,以此测量时间.
其他时间测量仪器
这两种仪器类似于日晷,但更为复杂.它可能是水平（图10）或垂直的（图11）,平行于地球轴线进行使用的.在埃及人之后,希腊人和罗马人也使用日晷.在中世纪和文艺复兴时期,当时进一步改进,并广为流行.
高度太阳环（图12）和“牧羊人的时钟”（图13）都是利用太阳测量时间的仪器.
机械钟的起源与发展历程
北宋时代的天文观测钟塔
日本的漏刻是随着阴阳道这一信仰思想从古代中国一并传来.而在漏刻的祖国中国,科学家也发明并兼顾天文台功能、堪称机械钟起源的时钟名为“水运仪象台”.
水运仪象台在公元1087年~1092年间完工,与以往的水钟有着截然不同的特性,据传当时的中国皇帝在施政之际,会观察天体运行的规则及动向.
为了方便观测天体、管理历日,科学家制作了这座水运仪象台,水运仪象台的高度约有12米,由3大部分构成,最上层是观测天体的“浑天仪”；中层是演示天象、铸有1464颗恒星位置的“浑象仪”；下层是5层构造的水钟“昼夜机轮（司辰）”.
水钟的动力来源为：
1.先用人力转动汲水,将水由下往上提高；
2、接着使水往,带动名为枢轮的水车转动.（注：枢轮是由擒纵装置控制,一天会转动100次,每到一定的时刻,就会出现162个木人举牌报时.）
这座水运仪象台落成后, 在公元1127年的内乱中遭到破坏,尽管世界各国都尝试进行修复作业,但其构造极其复杂,无人成功修复.
直到公元1997年,日本的研究和技术领域专家花费4年时间分析当时的说明书《新仪象法要》,成功完成世界首座复原版水运仪象台,将之建于日本长野县的“时间科学馆 仪象台”的中庭.
原本的水运仪象台需靠人力汲水,这座复原版的水运仪象台则改建为自动运作.从广义层面来看,具有复杂构造及机能的水运仪象台,也称得上机械钟的一种.
机械钟表发展历史
时钟的英文“clock”与用来称呼钟表的法文“cloche”有同样的语源,词汇源自敲响教会的钟声,告知民众弥撒等仪式的时间已到.
最早的机械钟是由重锤驱动,以“冠状轮擒纵装置”震动“水平横杆”,借此调整时间的快慢,也就是利用重锤落下的力量,带动驱动轴,使指针在钟表面盘上指示时间 .
教堂需让居住在远处的居民也得知时刻,为了维持重锤的动力,教堂通常会将钟建造成尖塔等具有一定高度的建筑物,称为“塔钟”.第一座钟非常繁琐,3 体积在2m 左右.他们被安装在教堂的塔中,为当地居民提供时间保证.
第一座机械钟是在十三世纪制造的.自从公元1336年意大利米兰设置了此类机械钟后,机械钟开始在法国、德国、英国等欧洲各地现踪,不过,当时的机械钟不同于现在普及的钟表,准确度较低,1天的误差甚至达到1小时,也因为如此,当时机械钟的钟表面盘上只有时针,并无装设分针.
西方历史上第一座用视觉而不是用听觉识别的机械钟表于1344年由意大利人雅各布·唐棣发明.他为此赢得了钟表发明家的称号.他的儿子乔凡尼·唐棣于1364年制造了当时最复杂的钟,将行星仪和计时器组合起来,详尽的描述和图纸,使后人得以将其复制出来.
自那之后,机械钟开始朝向小型化发展,结合最新科学技术诞生的可携带式钟表,也成为军事战略的一环.时钟从十四世纪出现在家庭中.这些挂钟是教堂时钟的缩影,它们由悬挂在绳子上的重物提供动力.根据钟表传统,1450年左右,主发条首先用来代替配重物体作为驱动力.这项新的发明成就了便携式时钟的制造.
在1482年,在米兰公爵的法庭上,引入了链条表（图17）.
纽伦堡蛋开启机械钟的小型化发展
发条的发明和使用：16世纪初期 ,德国的锁匠彼得·亨莱因发明出以发条为动力携带型小型钟表.由于此表将重锤的动力小型化,不需要高度,呈现椭圆蛋形,因此有了“纽伦堡蛋”的称呼.
摆钟诞生机械钟的准确度提升
公元1581年,被誉为现代观测天文学之父的伽利略·伽利莱发现了“摆锤等时性原理”.所谓的“摆锤等时性原理”,就是无论摆幅是大是小,摆动周期依然会维持一定.
1656年,荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯深入研究摆锤的等时性,发明了第一座摆钟.用摆锤取代水平横杆,由摆锤来控制速率.他用擒纵机构来维持摆锤的振荡.将以往一天约一小时的误差调整到一天只有10分钟的误差,大幅提升了机械钟的准确度.右图是一座16世纪左右的英国铁架塔钟.构造与14世纪时诞生于意大利北部与法国南部等地的最古老的机械钟相同（图18）.
在1675年,克里斯蒂安·惠更斯发明了游丝,与摆轮一起成为所有机械手表的调节单元.为钟表的小型化和微型化扫清了障碍.在十七世纪末十八世纪初,海洋导航系统保证了对时间的测量达到了更加精准的要求.
英国的约翰·哈里森（1693-1776）和在巴黎工作的两位瑞士制表师费迪南德·伯绍德（1727-1807）和亚伯拉罕·路易斯·宝玑 （1747-1823）,为船舶制造了第一台机械钟表.
十七世纪初,制表业开始在瑞士发展起来.1601年在日内瓦,第一个制表同业公会成立.十八世纪初早期,制表工艺传播到纳沙泰尔和汝拉山脉区域.随着机械钟表工艺的不断改进,先后发明了具备日期显示功能的表,打铃的手表,以及计时码表和自动上弦手表.
公元1854年的摆钟（大本钟的原型）,为了建造1859年完工的大本钟而做的试作品.
钟摆的振幅小,能保持近乎准确的等时性,提升精确度（图19）.图19
石英钟诞生跃升钟表界的主角
从以钟表机械为主流的时代到石英表问世,钟表市场出现天翻地覆的改变.1930年,发明了电波望远镜、电晶体等多项革新创举的贝尔实验室开发出石英表,不同于以调整平衡摆轮驱动的机械钟表,石英表是利用石英晶体调控震动频率.公元1949年,美国国家标准局开发氨分子中的原子作为震荡源的“原子钟”.除了氨气以外,现在也会利用铯、氢、铊等原子制作原子钟.
从理论上来看,原子钟几乎分秒不差,可达到每10万年仅1秒误差的精准度.
电子及电子钟表的发展
在十八世纪末,一个新的物理学分支建立了：电力.这种新的能源从1830年开始应用于钟表.那时,意大利时钟制造商Zamboni建造了第一台电时钟,钟摆在静电的基础上工作.
电时钟的精度稳步提高,一个世纪以后,在1930年,第一座石英晶体钟产生,得益于1880年发现了石英的压电特性.这些时钟准确度很高,但体积也很大.
从机械到电动腕表的发展通过一系列发明而发生.
在1952年,美国的HAMILTON（汉密尔顿）和法国的LIP品牌生产了第一款具有摆轮游丝的电动手表（图20）.
公元1957年美国的汉密尔顿（品牌）推出了以电池为动力的腕表,发条由电池取代,摆轮游丝系统配有磁体系统.固定线圈保持振荡.
一段时间以来,通过增加调节单元的频率可以提高精度.但是,摆轮游丝系统很快就发现了快速磨损和润滑问题.公元1960年Bulova（宝路华）在瑞士比尔创造了第一块音叉腕表,并随之开始贩售使用音叉震动的电池式腕表“Accutron”（图21）.
摆轮和游丝用金属音叉替代,使用电磁力来保持振荡.擒纵机构由具有300齿的棘轮和棘爪系统代替.随着小型化被引入到电子产品中,同时主要得益于晶体管和集成电路的发明,一批瑞士工业家成功地在1967年创造了第一块石英腕表Beta 21（图22）.
日本的精工品牌于公元1958年开始正式研发,并在公元1969年发表全世界第一只石英表“Quartz Astron”,当时的售价为45万日元,相当于一台中型轿车的.
随着石英表日渐普及,自1990年代起,机械表再度受到瞩目.在石英风暴的席卷之下,机械表机心的制造商大多经过重新编制,然而机械表机心的制作需仰赖专业师傅的技术,也让人重新体会到不同于石英表的手工魅力.特别是从设计、制造到组装等全部过程一手包办的“真正手表制作商”,更是拥有高超又多元化的制表技术.
此外,公元1976年Citizen推出全世界第一款太阳能电池手表,省去更换电池的麻烦.公元1990年精工推出结合机械表与石英表优点的“Spring Drive”,尽管动力来自发条,却具有石英的准确度.Spring Drive的设计十分崭新,以发条释放的动能产生微小的电力,提供给石英晶体动作,并断断续续地以磁力刹车,达到走时精准.
结语
这就是人类对于时间的探索历程,从感知四季的更迭,意识到时间的存在,通过立竿见影、水钟滴漏的发明和使用,开始实践对于时间的测算,逐渐的,机械结构的使用和应用,使得机械钟走进了我们的生活,再到石英钟表的发明和流行,机械钟表随后经历了很长一段时间的衰落甚至消沉.直到今日,机械钟表因其特殊的人工魅力,再次受到公众的瞩目.这些变化从无到有,从小到大,不仅影响了我们的世界,改变了我们的生活,更见证了钟表的发展历程.
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参考文献：
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