鐘錶發展史

古希臘羅馬技術歷史學家格·吉爾斯指出：「人類離開動物狀態開始科學思維時，就與測量時間相聯繫。」誕生於文化發展的史前時期的天文學，第一門關於時間的科學。古代人日出而作，日入而息，對「日」有了認識；觀察月亮的圓缺，又逐漸地認識了較長的時間單位「月」；對「年」的認識可能要晚一些，這是通過長期農作物的播種收穫和暑往寒來的循環而逐步認識的。人們根據日、月和星辰的天象逐漸產生了時間的觀念。取向於太陽或月亮的史前時期的巨石或巨石建築物，現在雖然已成為歷史古迹，但它可以證明，早在晚石器時代和青銅器時代開始（公元前20世紀）時，人類對天文學知識就感興趣了。其中，有些還能以令人信服的精度進行計日，指出一年的開始，預報日食和月食。這樣的石日曆曾在世界的許多地方建造過。其中，最為著名的是距英國索爾茲伯里城13公里的平原上的史前巨石建築物，它以「懸掛的寶石」是在原始制度時代所取得的令人信服的科學和技術成就。

在古代和中世紀，日晷的科學已發展成為天文學不可分割的一部分。

在這個約為三千年的時期里，測量時間的方法和工具的發展史的劃分，基本上與天文學發展史的時期劃分相重合。可以相應地分為以下發展階段： 1.古代東方：包括古巴比倫、古埃及、古中國，以及古老東方的其他國家。古中國的日晷後來演變成仰儀，傳入朝鮮和日本。他們所設計和製造的仰儀突出了日晷性質，並稱為仰釜日晷。古巴比倫和古埃及在日晷方面所取得的成就，是古希臘更為發達的日晷的源泉。 2.古希臘羅馬：不僅包括古希臘，還有希臘化時代和亞歷山大—羅馬文化時期鐘錶的發展。 3.中世紀：在中國、拜占庭、伊斯蘭東方、印度和歐洲，天文學和日晷都得到了發展。古代和中世紀的鐘錶發展是關於太陽鍾、水鍾、沙鍾和火鐘的歷史。以後，早期機械鐘錶的出現結束了這段歷史。

在古代和中世紀，農業和手工業技術占統治地位時，不需要象現在這樣將時間分成微小的時段和精確地測量它們，人們按照太陽的自然運動來確定時間和安排生活。較長的夏日和較短的冬日都同樣被分為12小時，因此，出了二分點外，認為時間是不均勻的。人們完成農活的秩序和節奏，是以緩慢流逝的自然過程來調節的。這些過程是與植物的耕種、動物的離去、植物和動物產品的再加工相聯繫的，因此，那時是非常粗放地利用時間。在文化中心城市，天文學得到了發展，因而開始需要比較精確地測量時間。為了觀察和研究太陽的年運動、月亮相位的變化、星的位置等，需要完善計時技術。不是從地球世界、而是首先從天體開始研究物質世界的運動，因而也就要研究時間。和天文學一起，日晷的科學也得到了發展。無論是日晷還是太陽鍾，在陰天時都不能使用，因此，水鍾得到了傳播。水鍾也時常叫做夜鍾。沙鍾和火鍾也同樣得到了應用。以後又出現了機械鐘錶。古代和中世紀天文學的理論，實際應用最多的是太陽鍾。利用太陽鍾鐘面來簡化時間的測量。在探討這個問題的理論過程中，產生並解決了角的三等分、錐截面、極射赤面投影等數學問題。

在伊斯蘭教東方各國，日晷理論問題的解決，最終導致論證和應用直線三角學和球面三角學等等。製造太陽鍾、水鍾、沙鍾、以及火鍾，連同天文學一起，促進了精密機械的發展。七世紀，特別是十四~~十七世紀，機械鐘錶的發展，不僅是非機械鐘錶向機械鐘錶的過渡階段，而且是這個時期鐘錶發展的本質部分，對哲學和技術觀點的發展都產生過極大的影響。馬克思把西歐鐘錶的出現直接與科學和知識生產聯繫起來：「鐘錶是藝術手藝生產和淵博知識結合的產物，標誌著資產階級社會的萌芽時期」。另外，他還指出：「手工業時期……留給了我們偉大的發明：羅盤、火藥、印刷術和自動鐘錶。」而這些偉大的發明，又都是古老的中國對全人類做出的偉大貢獻。古代中國對數學、力學，以及天文學和機械學研究的成果，在二~~十一世紀中國製造的先是連同天文儀器在一起的機械鐘，後是獨立的機械鐘得到了充分應用。文藝復興時代對數學和力學研究的結果，先是在義大利、而後是在西歐各國，在十四~~十五世紀製造的塔鍾，都得到了多方面的應用。從機械學觀點來看，甚至最早的機械鐘也是非常複雜的，就今天來看，其製造的難度也是很大的。這些機械鐘的設計和製造者，有著廣泛的科學知識和高度發達的藝術手藝技術。正如馬克思指出的，德國的作家絕非偶然地把鐘錶手工業稱為「科學手工業」。

早期的機械鐘常常用水鍾作原動力。開始時，機械鐘還不能代替太陽鍾、水鍾、沙鍾和火鍾，因為在當時這些鐘的藝術性、方便性和簡單性仍有實用價值，而機械鐘製造的數量又是非常有限的。十二~~十三世紀在中國，十五~~十七世紀在西歐，日晷處於高度發展時期。這些日晷不僅建立的古代和中世紀知識基礎上，而且也是在新日晷成就的基礎上。這些新的成就又用於建造新作用原理的太陽鍾。過渡到按二分點新的方法計算時間和按這種新的計算方法製造太陽鍾，對新的日晷的發展起了決定性的作用。這個時期，沙鍾在日常生活中和船舶上也得到了廣泛的傳播，開始時用於換班。這個時期也已開始製造結構複雜的水鍾。

十七世紀出現了懷錶，但他們的精確度和可靠性，都不能適應天文測量的要求。甚至牛頓也對水鐘的完善發生了興趣，天文學家契哈·勃拉格仍是利用水鍾或沙鍾進行天文觀測，伽利略就是藉助水鍾進行落體實驗的。自伽利略時起，實驗自然科學的發展、船隻橫渡大西洋、印度洋時確定所在位置精度、特別是在十七世紀急劇發展的貿易，都對鐘錶走時精度提出了更高的要求。由於擺和擺輪遊絲系統的發明，使這一要求得以解決。擺和擺輪遊絲系統具有固有振動周期，作為走時的調速器，代替了不完善的、建立在同樞軸式擒縱機構力的閉合基礎上的富利歐調速器。後者的調正看，是用手工移動橫樑上兩端的重塊來達到的。從這時起，古典振動精密計時學開始得到了發展。從而開始了鐘錶史上又一新的篇章。伽利略和惠更斯發明的擺鐘，不僅開創了精密計時學的新紀元，而且對基於研究動力系統的新機械的發展，有著現實和深遠的影響。伽利略發現了擺動理論之後，創立了剛體質點的動力學。惠更斯以自己的勞動創立起來的古典力學，開創了技術和精密計時學在新的基礎上發展的光輝前景。牛頓發展了不變常量無限延續的絕對時間的學說。牛頓將這個運動想像為類似永久上條的理想鐘錶機構，走時是連續的和均勻的。不言而喻，這樣的運動只有在同樣的和常量的原因條件下才是可能的。在類似的基礎上製造的鐘錶，只有在科學和技術發展水平很高時才是可能的。現代的原子鐘和分子鐘才是這樣的鐘錶。

牛頓寫到：「可能在自然界不存在能夠用於準確地測量時間的完全均勻的運動」。但可以在技術上再現它們。為此，拉巴切夫斯基說：「我們應該製造能看見運動等同性的儀器。」鐘錶就是這樣的儀器。十九~二十世紀，鐘錶事業的理論和實踐在製造完全走時均勻的鐘錶方面，有了積極的方向。在完善擺鐘和發條原動機的擺輪鐘錶過程中，運用古典力學、物理學，以及在這些領域中的創造性的成就，使得任務得以很好的解決。古典振動精密計時學的發展，可以分為三個階段來敘述擺鐘和擺輪遊絲鐘錶完善的進程。第一階段（十七世紀末~~十八世紀），製造了精度為0.1秒天文擺鐘和適用在陸地和海洋上確定經度的精密計時儀器。發明了懷錶用的自由錨式擒縱機構。這些都給建立在古典振動精密計時學的精密鐘錶的進一步發展打下了堅實的基礎。

第二階段（十九世紀~~二十世紀前10年），由於『常力』擒縱機構或自由錨式擒縱機構、銦擺的應用和擺簧等時作用的提高；擺鐘的走時精度進一步提高到0.01秒。電技術的應用對擺鐘走時精度的提高有著特殊的意義。英國科學家蕭爾特在1921年製造的電天文擺鐘，曾是很大的成就。這個擺鐘有雙擺，一個是自由的，另一個是工作的，走時精度為0.001秒。第三階段（二次世界大戰結束後至今），古典精密計時學的發展幾乎達到了可能的最高水平，實際上，在傳統的機械結構基礎上提高擺鐘和擺輪鐘錶走時精度和走時穩定性的辦法，幾乎都已用盡，所以，提出了在鐘錶中使用品質更好的振子和新的技術手段。在這個時期設計了大批量生產的手錶結構。秒測量精度的提高，不是逐漸的，而是台階式的，因為，從航海、工業、科學和技術方面提出了進一步提高精度的要求。馬克思指出：「在商品價值，也就是生產它們的必要勞動時間，有著決定意義的時代，如果沒有鐘錶，將會是怎樣的呢？」

十九~~二十世紀，科學得到了蓬勃發展，如果沒有精確的鐘錶，將是一事無成。因此，在所有的天文台都發展了精確時間服務，而且隨著無線電的出現，可以方便地傳遞精確時間信號。現今，隨著測量時間技術的發展，對提高時間精度的科學很難估價它的意義，與此同時，也將圍繞著這個問題促進著科學的發展。當發現基本粒子，如介子、超子、中子、反核子後，短時段的測量有著更重要的意義。一些粒子存在的時間是非常短的，甚至不到一微秒，所以，只有掌握了在非常短的時段里進行物理測量，才有可能觀察這些基本粒子。應用於新的振子（水晶、音叉、分子和原子）相匹配的電子系統，使時間測量精度提高了2~~3個數量級，從而開創了新發現的空前可能性。科學思想的發展不僅給精密計時學提出了新而又新的任務，而且遲早會找到解決這些問題的辦法。這對於科學和精密計時學發展的互相聯繫是非常本質的。現代的鐘錶歷史，為了測量時間，在技術上再現均勻運動中取得的最大進步是，當科學從研究宏觀世界走向研究微觀世界時，發明和完善了石英鐘錶和原子鐘。二十世紀二十~~三十年代，壓電技術的發展導致了石英鐘錶的發明和完善。壓電技術是無線電技術的新領域，專門研究壓電現象和它的應用，以便設計各種不同的無線電技術裝置。石英鐘錶秒的精度可以達到3~~4×10-11。這個精度提供了覺察地球自轉時產生的極其微小振動的可能性。在計時儀器的發展中，石英鐘錶的發明開創了利用電子手段的巨大可能性。射頻光譜學和電子學領域的完善，在利用量子力學振子——分子和原子的基礎上，才有可能於1955年製造出原子鐘。由於它的出現，才有可能實現以地球轉動為基礎，來測量時間過度到以原子單位來測量所有的時段，包括晝夜和年的持續時間。現代科學和技術提供了測量原子共振的肯能性，精度高於恆星和行星的運動，而且這個共振比行星運動更為穩定。

現今，瑞士製造的脈澤被認為是最好的時間標準，光譜寬度為1赫芝，穩定度可達10-13.還有其他的原子時間單位標準。英國從1958年採用帶有原子射線管的銫標準作為時間單位基礎。用這種鍾測量時間和頻率，精度可達1×10-11，用天文手段取得這樣的精度是不可能的。原子鐘按其實質是原子時代的產物，它至少可以使秒的測量精度提高三個數量級，這在測量時間技術中是一場真正的革命。在這些發明之後，精密計時學成為現代科學——技術革命的重要方向之一。無線電電子半導體儀器的發展，始於我們這個世紀的五十年代，開創了計時儀器新的發展前景，不僅可以自造電機械手錶，而且可以製造電子機械手錶。1959年製造出使用晶體管電子系統的音叉手錶。1967年製造出指針式和數字顯示式的石英電子手錶。新的手錶走時精度比普通的機械手錶要高出幾個數量級。現代的鐘錶工業實際上是電子技術、電子學和精密機械的緊密結合。因此，現在的精密機械專家不能將自己僅僅限在機械領域內，而應兩者兼是。

應用富利歐作為樞軸式擒縱機構的調速器，鐘錶走時精度的提高是很有限的，只是在擺鐘發明之後，才有可能加速提高。在雙擺電鐘發明之後，精度提高的尤為快。在這個領域中，真正的革命是石英鐘和原子鐘的發明。

經過幾千年的發展積累，鐘錶經過了沙鍾，水鍾，到現在的原子鐘和分子鐘，可以說沒有前期的發展鋪墊，就沒有現在鐘錶行業的蓬勃發展。