◆本刊綜合

人類的生存和發(fā)展離不開對(duì)時(shí)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(huì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，“由大變小”的計(jì)時(shí)工具以及不斷精進(jìn)的計(jì)時(shí)方式，為人類帶來了更多便利。

時(shí)鐘里的“龐然大物”

在人類社會(huì)早期，古人對(duì)時(shí)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(cè)量物體陰影在一天之中的變化和運(yùn)動(dòng)過程是人們最早掌握的計(jì)時(shí)方法。

日晷本義是指日影，是利用太陽的位置來測(cè)量時(shí)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(dòng)，影子指示的時(shí)間也跟著變動(dòng)。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(dǎo)致的水位變化來顯示時(shí)間。后來又演變出水力推動(dòng)機(jī)械計(jì)時(shí)的工具，圓明園的十二生肖獸首就是一個(gè)大型水力鐘的組成部分，每顆獸首代表一個(gè)時(shí)辰。

圖1 水運(yùn)儀象臺(tái)（圖/新華網(wǎng) 劉默涵 攝）

北宋時(shí)期，蘇頌設(shè)計(jì)制作了一款水運(yùn)儀象臺(tái)，它高約12 米，寬7 米，樞輪的直徑為3.6 米，其頂層是可觀測(cè)天體的渾儀，中間是可演示天體運(yùn)行的渾象，底層是可自動(dòng)報(bào)時(shí)的裝置。水運(yùn)儀象臺(tái)代表了當(dāng)時(shí)世界最高的機(jī)械設(shè)計(jì)水平和最高技術(shù)成就，被譽(yù)為“世界時(shí)鐘之祖”。

1283 年，英格蘭出現(xiàn)了最早由重力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械鐘，也稱“塔鐘”。時(shí)鐘大多以砝碼作為動(dòng)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(dòng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)。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(dá)上百噸的方尖碑一樣，都是人們用來計(jì)時(shí)的“龐然大物”。

“小”和“精”的蛻變

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

早期便攜式計(jì)時(shí)工具由兩個(gè)半球組成，內(nèi)置表盤上只有一根以小時(shí)計(jì)時(shí)的時(shí)針，每天的誤差達(dá)幾個(gè)小時(shí)?；诖耍茖W(xué)家開始研究計(jì)時(shí)工具的精度，他們基于伽利略單擺的等時(shí)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(dòng)的幅度，固定了擺動(dòng)的頻率，提高了計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。鐘擺和發(fā)條組成的擒縱機(jī)構(gòu)成為現(xiàn)代機(jī)械鐘表的核心。

從20 世紀(jì)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(jī)械鐘，廣泛應(yīng)用在電子計(jì)時(shí)器和其他各種計(jì)時(shí)領(lǐng)域，成為人們?nèi)粘Ｉ钪兄饕褂玫挠?jì)時(shí)裝置。

在太空探測(cè)、通信導(dǎo)航、天文觀測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，時(shí)間常常需要精準(zhǔn)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(jì)時(shí)器，它采用了最準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)量和頻率標(biāo)準(zhǔn)，這也被認(rèn)作是國際時(shí)間和頻率轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于控制電視廣播和全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的信號(hào)傳遞。

圖2 我國第一臺(tái)銣原子鐘（圖/上海光學(xué)精密機(jī)械研究所）

原子鐘使計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)從天文學(xué)的宏觀領(lǐng)域轉(zhuǎn)向了物理學(xué)的微觀領(lǐng)域，歷史由“天文秒”時(shí)代進(jìn)入“原子秒”時(shí)代，人類對(duì)時(shí)間的測(cè)量和追蹤正在越來越接近宇宙的本原。