文 / 故宮博物院 陳明軒

當(dāng)我們觀察手表上的時刻 大概都不會去思考“時間”概念是如何被人類發(fā)現(xiàn)的。又是從何時開始通過各種自然的、人為的手段 被人類所感知 計量。一塊價值不菲的高檔腕表 往往代表、反映了佩戴者的身份、品味 卻又是如何被設(shè)計和研發(fā)的。這些種種 都指向了一個共同的問題——時間的發(fā)現(xiàn)與鐘表的發(fā)明。讓我們一起來了解、探究這段漫長的歷史進程。

基于自然現(xiàn)象我們逐漸定義出時間概念

我們可以想象 追溯到遠古時代 人類很可能就已經(jīng)意識到時間的存在 以及度量時間的需要。

說到這里 我們就一定要提到英國倫敦西南100多千米 威爾特郡索爾茲伯巨石陣 stonehenge 。

巨石陣的主體由幾十塊巨大的石柱組成 這些石柱排成幾個完整的同心圓。巨石陣不僅在建筑學(xué)史上具有重要地位 在天文學(xué)上也同樣有著重大的意義 它的主軸線、通往石柱的古道和夏至日早晨初升的太陽 在同一條線上 另外 其中還有兩塊石頭的連線指向冬至日落的方向。因此 人們猜測 這很可能是遠古人類為觀測天象而建造的 可以算是天文臺最早的雛形了。

人類對于自然現(xiàn)象、天文現(xiàn)象的觀察 以及對于時間概念的發(fā)現(xiàn)和不斷探索中 我們了解到了日出、日落等等自然現(xiàn)象。地球圍繞著太陽公轉(zhuǎn) 引發(fā)了季節(jié)的更迭 透過農(nóng)作物的收獲期和植物成長等狀態(tài) 得到了“年”的概念。還注意到月相的變化 這暗示了月份的原理。透過月球圓缺的周期和潮汐的規(guī)律 得到了“月”的概念 人類透過太陽的運行規(guī)律 得到了“日”的概念。

太陽系儀 最早出現(xiàn)于18世紀初的英國 是用來演示行星、地球及月亮等星球繞日運動的儀器 圖2 。是人類在探索宇宙、行星、時間概念中的一項發(fā)明成果。天文鐘是一種用多種形式表達天體時空運行的儀器。它可以顯示太陽、月亮、星座在某一時刻的相對位置。既能表示天象 又能計時 圖3 。

圖1：巨石陣

圖2：太陽系儀

圖3：天文鐘

月相的概念

月球是一個不發(fā)光、不透明的球體 我們看到的月光是它反射的太陽光。月相就是人類從地球上看到的月球被太陽照亮的部分。新月、眉月、上弦月、凸月、滿月、間月、下弦月及殘月 月相的盈虧變化帶給人神秘而迷人的力量。海潮和月亮的引力作用有直接關(guān)系 潮汐變化直接影響著遠洋航海、海洋漁業(yè) 甚至是軍事策略等等。作為時間的載體 月相盈虧的規(guī)律運動逐漸被人類所發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。

這一被星象觀測者視為最浪漫、最具象征意義的時間表達 被一直延續(xù)至今 并以千變?nèi)f化的形式展現(xiàn)于方寸表盤之上演繹出天文與計時之間的深厚淵源。

從十三世紀開始 對于更加具體的時間定義逐漸出現(xiàn) 人類逐漸定義出了更加精準的時間概念 比如小時、分鐘的概念。然而 現(xiàn)代技術(shù)并不滿足于這種大概的時間單位 今天的時間是使用原子來測量的。

例如 標準的米的概念現(xiàn)在使用原子鐘重新定義。自1983年以來 米[m]被定義為1 / 2999,792,458秒內(nèi)真空中的光所覆蓋的距離。

圖4：月相現(xiàn)象示意圖

圖5：銣原子鐘

儒略歷·格里高利歷的發(fā)明和使用

公元前46年 羅馬共和國獨裁官儒略·凱撒 即蓋烏斯·尤里烏斯·凱撒 也就是我們所熟知的“凱撒大帝” 根據(jù)天文學(xué)家亞歷山大·索西琴尼的建議 采用了儒略歷。

儒略歷中 一年被劃分為12個月 大小月交替 四年一閏 平年365日 閏年366日在當(dāng)年二月底增加一閏日 年平均長度為365.25日。儒略歷每四百年產(chǎn)生三天的不準確度。

格里高利歷及公歷的誕生

教皇格里高利十三世于1582年頒布了“格里高利歷”。“格里高利歷”就是我們今天使用的公歷。即公元“公歷紀元”又稱“西元”的標準稱呼。

1582年教皇格里高利十三世將日歷修正了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。

雖然新教徒長期以來反對 但天主教人口占多數(shù)的群體中 公歷很快被普及采用。今天 世界上大多數(shù)國家?guī)缀醵荚谑褂霉珰v。

時間儀器的發(fā)明與發(fā)展

日晷的發(fā)明與水鐘的出現(xiàn)

人類最早發(fā)明的計時工具是日晷。從描繪在古埃及壁畫上的日晷可推知 遠在公元前3000年 埃及就開始使用日晷了。之后600年出現(xiàn)于中國。或多或少可以確定的是這一儀器在10000多年前就已經(jīng)被使用了。古埃及人將一天分為兩個部分 再將每個部分劃分為12個小時 透過大型方尖碑的影子變化來度量時間 成了最古老的日晷。

據(jù)推測 以往人類應(yīng)該是從太陽的位置來判斷一天的長度 因此古人利用立桿測影的方式 從太陽照射形成的竿影的長短看出一天當(dāng)中太陽移動的程度 但由于冬天和夏天的影子長度不同 所以并無法透過竿影測量出相對的時間長度 另外還有一個缺點 此方法必須利用太陽的位置判斷時間 夜晚或陰天都無法得知時刻。經(jīng)過無數(shù)次的改良 在公元9世紀左右 世界各地都留下了日晷的使用痕跡 其中以歐洲地區(qū)最為密集。日晷的成本遠低于機械鐘 且便于使用。經(jīng)常設(shè)置于公園或廣場等地方。

圖6：故宮博物院內(nèi)的日晷

公元1700年代清朝使用的日晷 晷針指向北極星 晷面與赤道平行 正反兩面都刻有12地支。

接著誕生的計時工具是水鐘。水鐘是歐洲等地的人利用水流速度恒定的性質(zhì)制成的計時工具 將水注入底部 有孔洞的容器里 當(dāng)水從底部的孔流出時 水面會隨之下降 即能從容器里的刻度得知時刻。

火鐘的出現(xiàn)

除了日晷和水鐘外 有一種利用物質(zhì)燃燒的速度測量時間的工具 名為“火鐘”。

火鐘的種類繁多 包括油燈鐘、蠟燭鐘、香盤鐘及線香鐘等。油燈鐘的測時方式是燃燒燃料油 使其水平線下降 從燃料油的量看出時間的流逝。

據(jù)說最早的油燈鐘是在1500年代 西班牙的腓力二世為了知曉夜晚的時間 在房間中使用的。

圖7：蠟燭鐘

圖8：油燈鐘

圖9：香盤鐘

不同于“立竿測影”或是從影子長短測時的日晷 也不同于利用水流特性測時的水鐘 火鐘的特性為消耗精致的物質(zhì) 由此可窺探出人類生活水準正在不斷提升。

此外 雖然尚未找到確切的起源 但從中世紀歐洲的繪畫等可以推測出 使用細沙測量時間的沙漏應(yīng)該比水鐘還晚誕生。大約出現(xiàn)于公元1300年代左右。

日晷的特征是以太陽為焦點判斷時刻 水鐘跟沙漏則是利用地球的重力移動物質(zhì) 以此測量時間。

其他時間測量儀器

這兩種儀器類似于日晷 但更為復(fù)雜。它可能是水平 圖10 或垂直的 圖11 平行于地球軸線進行使用的。在埃及人之后 希臘人和羅馬人也使用日晷。在中世紀和文藝復(fù)興時期 當(dāng)時進一步改進 并廣為流行。

高度太陽環(huán) 圖12 和“牧羊人的時鐘” 圖13 都是利用太陽測量時間的儀器。

圖10

圖11

圖12

圖13

機械鐘的起源與發(fā)展歷程

北宋時代的天文觀測鐘塔

日本的漏刻是隨著陰陽道這一信仰思想從古代中國一并傳來。而在漏刻的祖國中國 科學(xué)家也發(fā)明并兼顧天文臺功能、堪稱機械鐘起源的時鐘名為“水運儀象臺”。

水運儀象臺在公元1087年～1092年間完工 與以往的水鐘有著截然不同的特性 據(jù)傳當(dāng)時的中國皇帝在施政之際 會觀察天體運行的規(guī)則及動向。

為了方便觀測天體、管理歷日 科學(xué)家制作了這座水運儀象臺 水運儀象臺的高度約有12米 由3大部分構(gòu)成 最上層是觀測天體的“渾天儀” 中層是演示天象、鑄有1464顆恒星位置的“渾象儀” 下層是5層構(gòu)造的水鐘“晝夜機輪 司辰 ”。

水鐘的動力來源為

1、先用人力轉(zhuǎn)動汲水 將水由下往上提高

2、接著使水往下流 帶動名為樞輪的水車轉(zhuǎn)動。 注 樞輪是由擒縱裝置控制 一天會轉(zhuǎn)動100次 每到一定的時刻 就會出現(xiàn)162個木人舉牌報時。）這座水運儀象臺落成后 在公元1127年的內(nèi)亂中遭到破壞 盡管世界各國都嘗試進行修復(fù)作業(yè) 但其構(gòu)造極其復(fù)雜 無人成功修復(fù)。

圖14：日本長野縣“時間科學(xué)館儀象堂”的水運儀象臺，是世界上首座完全仿造中國北宋時代首都開封的天文觀測建成的水運儀象臺。

直到公元1997年 日本的研究和技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜一ㄙM4年時間分析當(dāng)時的說明書《新儀象法要》 成功完成世界首座復(fù)原版水運儀象臺 將之建于日本長野縣的“時間科學(xué)館 儀象臺”的中庭。

原本的水運儀象臺需靠人力汲水這座復(fù)原版的水運儀象臺則改建為自動運作。從廣義層面來看 具有復(fù)雜構(gòu)造及機能的水運儀象臺 也稱得上機械鐘的一種。

圖15/16運：儀水象臺運作時，累積到一定水量，在晝夜機輪處，會有162個舉著時刻牌的木人從正面出現(xiàn)報時，其重量會帶動樞輪（水車）轉(zhuǎn)動。

機械鐘表發(fā)展歷史

時鐘的英文“clock”與用來稱呼鐘表的法文“cloche”有同樣的語源 詞匯源自敲響教會的鐘聲 告知民眾彌撒等儀式的時間已到。

最早的機械鐘是由重錘驅(qū)動 以“冠狀輪擒縱裝置”震動“水平橫桿”,借此調(diào)整時間的快慢 也就是利用重錘落下的力量 帶動驅(qū)動軸 使指針在鐘表面盤上指示時間 。

教堂需讓居住在遠處的居民也得知時刻 為了維持重錘的動力 教堂通常會將鐘建造成尖塔等具有一定高度的建筑物 稱為“塔鐘”。第一座鐘非常繁瑣體積在2m3左右。他們被安裝在教堂的塔中 為當(dāng)?shù)鼐用裉峁r間保證。

西方歷史上第一座用視覺而不是用聽覺識別的機械鐘表于1344年由意大利人雅各布·唐棣發(fā)明。他為此贏得了鐘表發(fā)明家的稱號。他的兒子喬凡尼·唐棣于1364年制造了當(dāng)時最復(fù)雜的鐘 將行星儀和計時器組合起來 詳盡的描述和圖紙 使后人得以將其復(fù)制出來。

自那之后 機械鐘開始朝向小型化發(fā)展 結(jié)合最新科學(xué)技術(shù)誕生的可攜帶式鐘表 也成為軍事戰(zhàn)略的一環(huán)。時鐘從十四世紀出現(xiàn)在家庭中。這些掛鐘是教堂時鐘的縮影 它們由懸掛在繩子上的重物提供動力。根據(jù)鐘表傳統(tǒng) 1450年左右 主發(fā)條首先用來代替配重物體作為驅(qū)動力。這項新的發(fā)明成就了便攜式時鐘的制造。

在1482年 在米蘭公爵的法庭上 引入了鏈條表 圖17 。

紐倫堡蛋開啟機械鐘的小型化發(fā)展

發(fā)條的發(fā)明和使用 16世紀初期 德國的鎖匠彼得·亨萊因發(fā)明出以發(fā)條為動力攜帶型小型鐘表。由于此表將重錘的動力小型化 不需要高度 呈現(xiàn)橢圓蛋形 因此有了“紐倫堡蛋”的稱呼。

擺鐘誕生機械鐘的準確度提升

公元1581年 被譽為現(xiàn)代觀測天文學(xué)之父的伽利略·伽利萊發(fā)現(xiàn)了“擺錘等時性原理”。所謂的“擺錘等時性原理” 就是無論擺幅是大是小 擺動周期依然會維持一定。

1656年 荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯深入研究擺錘的等時性 發(fā)明了第一座擺鐘。用擺錘取代水平橫桿 由擺錘來控制速率。他用擒縱機構(gòu)來維持擺錘的振蕩。將以往一天約一小時的誤差調(diào)整到一天只有10分鐘的誤差 大幅提升了機械鐘的準確度。

之前好幾個弟子都放棄掉了，好在三人跟隨宇晴既久，這些也不在話下，袁安、李離經(jīng)萬花因隧道奇變，花間游內(nèi)力不弱，星雨嘛，幫她煮沸幾壺水也不算作弊吧。四人喝了一肚子茶水，宇晴還在嘮叨：“粗識，略懂，巧熟，精妙，游刃，忘我，武之道，也是茶之道，漱玉茶是世上最苦的茶，好在苦盡甘來，雖然這甘甜來得晚了一些，卻能繞舌三日，久久不散，學(xué)藝學(xué)醫(yī)學(xué)武術(shù)，都是這樣的，袁安，你這家伙走神了！”

右圖是一座16世紀左右的英國鐵架塔鐘。構(gòu)造與14世紀時誕生于意大利北部與法國南部等地的最古老的機械鐘相同 圖18 。

在1675年 克里斯蒂安·惠更斯發(fā)明了游絲 與擺輪一起成為所有機械手表的調(diào)節(jié)單元。為鐘表的小型化和微型化掃清了障礙。在十七世紀末十八世紀初 海洋導(dǎo)航系統(tǒng)保證了對時間的測量達到了更加精準的要求。

英國的約翰·哈里森 1693-1776 和在巴黎工作的兩位瑞士制表師費迪南德·伯紹德1727-1807 和亞伯拉罕·路易斯·寶璣 1747-1823 為船舶制造了第一臺機械鐘表。

十七世紀初 制表業(yè)開始在瑞士發(fā)展起來。1601年在日內(nèi)瓦 第一個制表同業(yè)公會成立。十八世紀初早期 制表工藝傳播到納沙泰爾和汝拉山脈區(qū)域。隨著機械鐘表工藝的不斷改進 先后發(fā)明了具備日期顯示功能的表 打鈴的手表 以及計時碼表和自動上弦手表。

公元1854年的擺鐘 大本鐘的原型 為了建造1859年完工的大本鐘而做的試作品。鐘擺的振幅小 能保持近乎準確的等時性 提升精確度 圖19 。

圖18

圖19

石英鐘誕生躍升鐘表界的主角

從以鐘表機械為主流的時代到石英表問世 鐘表市場出現(xiàn)天翻地覆的改變。1930年 發(fā)明了電波望遠鏡、電晶體等多項革新創(chuàng)舉的貝爾實驗室開發(fā)出石英表 不同于以調(diào)整平衡擺輪驅(qū)動的機械鐘表 石英表是利用石英晶體調(diào)控震動頻率。

公元1949年 美國國家標準局開發(fā)氨分子中的原子作為震蕩源的“原子鐘”。除了氨氣以外 現(xiàn)在也會利用銫、氫、鉈等原子制作原子鐘。

從理論上來看 原子鐘幾乎分秒不差 可達到每10萬年僅1秒誤差的精準度。

電子及電子鐘表的發(fā)展

在十八世紀末 一個新的物理學(xué)分支建立了 電力。這種新的能源從1830年開始應(yīng)用于鐘表。那時 意大利時鐘制造商Zamboni建造了第一臺電時鐘 鐘擺在靜電的基礎(chǔ)上工作。

電時鐘的精度穩(wěn)步提高 一個世紀以后 在1930年 第一座石英晶體鐘產(chǎn)生 得益于1880年發(fā)現(xiàn)了石英的壓電特性。這些時鐘準確度很高 但體積也很大。

從機械到電動腕表的發(fā)展通過一系列發(fā)明而發(fā)生。

在1952年 美國的HAMILTON 漢密爾頓 和法國的LIP品牌生產(chǎn)了第一款具有擺輪游絲的電動手表 圖20 。

圖20

圖21

圖22

公元1957年美國的漢密爾頓 品牌 推出了以電池為動力的腕表 發(fā)條由電池取代 擺輪游絲系統(tǒng)配有磁體系統(tǒng)。固定線圈保持振蕩。

一段時間以來 通過增加調(diào)節(jié)單元的頻率可以提高精度。但是 擺輪游絲系統(tǒng)很快就發(fā)現(xiàn)了快速磨損和潤滑問題。

公元1960年Bulova 寶路華 在瑞士比爾創(chuàng)造了第一塊音叉腕表 并隨之開始販售使用音叉震動的電池式腕表“Accutron” 圖21 。

擺輪和游絲用金屬音叉替代 使用電磁力來保持振蕩。擒縱機構(gòu)由具有300齒的棘輪和棘爪系統(tǒng)代替。

隨著小型化被引入到電子產(chǎn)品中 同時主要得益于晶體管和集成電路的發(fā)明 一批瑞士工業(yè)家成功地在1967年創(chuàng)造了第一塊石英腕表Beta 21 圖22 。

日本的精工品牌于公元1958年開始正式研發(fā) 并在公元1969年發(fā)表全世界第一只石英表“Quartz Astron” 當(dāng)時的售價為45萬日元 相當(dāng)于一臺中型轎車的價格。

隨著石英表日漸普及 自1990年代起 機械表再度受到矚目。在石英風(fēng)暴的席卷之下 機械表機心的制造商大多經(jīng)過重新編制 然而機械表機心的制作需仰賴專業(yè)師傅的技術(shù) 也讓人重新體會到不同于石英表的手工魅力。特別是從設(shè)計、制造到組裝等全部過程一手包辦的“真正手表制作商” 更是擁有高超又多元化的制表技術(shù)。

此外 公元1976年Citizen推出全世界第一款太陽能電池手表 省去更換電池的麻煩。公元1990年精工推出結(jié)合機械表與石英表優(yōu)點的“Spring Drive” 盡管動力來自發(fā)條 卻具有石英的準確度。Spring Drive的設(shè)計十分嶄新 以發(fā)條釋放的動能產(chǎn)生微小的電力 提供給石英晶體動作 并斷斷續(xù)續(xù)地以磁力剎車 達到走時精準。

結(jié)語

這就是人類對于時間的探索歷程，從感知四季的更迭，意識到時間的存在，通過立竿見影、水鐘滴漏的發(fā)明和使用，開始實踐對于時間的測算，逐漸的，機械結(jié)構(gòu)的使用和應(yīng)用，使得機械鐘走進了我們的生活，再到石英鐘表的發(fā)明和流行，機械鐘表隨后經(jīng)歷了很長一段時間的衰落甚至消沉。直到今日，機械鐘表因其特殊的人工魅力，再次受到公眾的矚目。這些變化從無到有，從小到大，不僅影響了我們的世界，改變了我們的生活，更見證了鐘表的發(fā)展歷程。

圖片引用說明

圖2、圖3、圖5、圖7、圖10、圖11圖、12、圖13、圖17、圖20、圖21、圖22錄摘自ThSewi Fsesd eroaf Tteicohnn Cioclalleges出版的“The theory of Horology”。

圖9、圖14、圖15、圖16、圖18、圖19摘錄自楓書坊文化出版社出版的《腕表鑒賞教科書》。