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计时工具的历史本文重定向自 計時工具的歷史

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沙漏(最早期的计时工具之一)正在计时

千百年来,人类利用各种装置来计时和报时。目前正在使用的六十进制时间系统,追溯至公元前大约2000年的苏美尔古埃及把一天分为二个部分,每一部分再分为12个小时,并使用大型方尖碑追踪太阳的移动。他们还发明了水钟water clocks)。Precinct of Amun-Re英语Precinct of Amun-Re 很可能是最初使用水钟的地方,后来在埃及以外的地方也有人使用水钟;古希腊人就经常使用叫作clepsydrae的水钟。约在同一时间,相信商朝已使用泄水型水钟──漏壶;而漏壶可能早在公元前2000年,从美索不达米亚传入。其他古代计时器包括有蜡烛钟──在中国日本英格兰,和伊拉克使用;日晷──在印度西藏,以及欧洲一些地区广泛使用;此外,还有沙漏,运作原理和水钟一样。

最早期的计时工具日晷依靠太阳的阴影来报时,所以它们在多云的天气或夜间,没有用处;而且如果“晷针”跟地球的轴心不一致,这些计时工具要依季节的变化,而重新校准。

第一个使用擒纵器(escapement)的钟,于八世纪在中国出现[1]。11世纪,穆斯林工程师发明以重量驱动(weight-driven)的钟。14世纪初,欧洲发明机械钟。直到20世纪,机械钟都是标准计时装置。在20世纪,发明了石英振荡器,然后是原子钟。石英振荡器最初只在实验室使用,可是由于它容易生产而且准确,所以后来用在手表上。原子钟比所有计时装置都准确,所以可以用于校准其他钟表;并且用来计算原子时协调世界时

早期的计时工具

许多古老的文明会观察天体──通常是太阳和月亮,以确定时间、日期和季节[2][3]。现今在西方社会通用的六十进制时间系统,可追溯至约四千年前的美索不达米亚古埃及 [2][4][5];后来,中美洲地区开发类似的系统[6]

第一个日历,可能在冰河时代末期,由狩猎收集者(hunter-gatherers)创造。他们利用如树枝和骨头等工具,记录月相和季节[3]。 世界各地──特别是在史前时期的欧洲──都有石阵,例如英格兰的巨石阵。石阵相信是用来预测昼夜平分点(equinoxes)或至点(亦称二至点;solstices)等的时间[7][3]。那些巨石文明(Megalith)没有留下历史纪录;因此,现代对他们的日历或计时方法,所知甚少[8]

Ancient Persian clock.Kariz.zibad
Ancient Persian clock

公元前3500年至公元前500年

日影钟是第一个能够量度小时的装置[9]。已知道最古老的日影钟来自埃及,用绿片岩制造。古埃及约在公元前3500年建造的方尖碑,也是最早的日影钟之一[10][3]

埃及的日影钟把白天分为十个部分,另外加上4个“微亮小时”── 早上 2个、傍晚 2个。有一种日影钟由一枝长杆和高架横杆组成,长竿上有5个不相等的记号,横杆的阴影会投射到记号之上。横杆在早上指向东方,在正午会指向西方。方尖碑的运作方式差不多:阴影投射到围绕它的记号上,埃及人从而可以计算时间。方尖碑可以指出上午或下午、夏至或冬至[3][11]

现在己知最古老的水钟 ,在法老阿蒙霍一世(Amenhotep I)(公元前1525年至1504年)的墓中发现,这显示古埃及最先使用水钟[11][12][13]。另一方面,相信沙漏也是由古埃及人发明。此外,埃及自公元前600年,开始使用叫作merkhet的铅垂线在晚间量度时间。这工具的铅垂线跟勾陈一(北极星)一致,形成南北子午圈。当特定的星宿横过线时,就能准确报时[11][14]


公元前500年至公元前1年

柏拉图把水钟(漏壶)引进古希腊之后,水钟成为古希腊广泛使用的计时工具。柏拉图也发明了一种以水钟为基础的闹钟[15][16]。希腊人和新巴比伦王国保存计时记录,作为组成天体观察的重要部分。漏壶也用在希腊法庭,和后来的罗马法庭上。

虽然水钟比日影钟更好用──水钟在室内、夜间或天空多云的日子都可以使用;不过它们并不准确。因此,希腊人寻求方法改善他们的水钟[17]。到了公元前325年,水钟的准确度大为改善,虽然仍然及不上日影钟。这时的钟有钟面,其上有时针,令人更容易读准时间。水钟较常见的问题是水压:当容器注满水时,增加的水压令水流更迅速。在公元前100年,希腊和罗马的钟表专家,开始解决这个问题;其后的几个世纪,在这一方面得到持续改善。为了抵消高水压增加的水流量做成的影响,装水的容器造成圆锥形状,上阔下窄。于是虽然水平面下降的距离相等,但当容器水满的时候,流出的水要比水半满的时候多。然而,还是有些问题没有得到解决:如温度的影响。天气寒冷的时候,水流比较缓慢,甚至可能冻结[18]

虽然希腊人和罗马人大大改进水钟的技术,他们仍然继续使用影子钟表。据说数学家天文学家比提尼亚的狄奥多(Theodosius of Bithynia英语Theodosius of Bithynia),发明了全球通用的日晷。这个日晷在地球上任何地方都能准确报时,不过现代对它所知甚少[19]。罗马人在奥古斯都大帝统治期间,建造有史以来最大的日晷──奥古斯都日晷(Solarium Augusti英语Solarium Augusti)。其晷针是从赫利奥波利斯(Heliopolis英语Heliopolis)而来的方尖碑[20]

公元1-1500年

水钟

李约瑟推测水钟──漏壶可能从两河流域传入中国,时间可能早达公元前二世纪的商代,最迟不会晚于公元前一世纪。由汉代(公元前202)开始,泄水型漏壶逐步被受水型漏壶取代,其特色是浮在受水壶水面上的漏箭,随水面上升指示时间。

蜡烛钟

蜡烛钟在何处及何时首次使用己不可考。不过,最早提到蜡烛钟的,是一首写于520年的中国诗。诗中说,燃烧的蜡烛是夜间量度时间的方法。直到10世纪初,日本一直使用类似的蜡烛钟[21]

香钟

远东地区除了使用水钟、机械钟和蜡烛钟外,也会使用香钟计时[22]。中国大约在六世纪首先使用香钟。在日本的正仓院,仍保存了一个香钟[23],不过在其上的文字不是中文,而是梵文[24]。由于佛教经常使用梵文,因此爱德华.沙菲尔推测香钟在佛教仪式中使用,而且是由印度人发明[24]。香钟跟蜡烛钟很相似,不过香烧均匀而且无火焰,因此在室内使用时,比蜡烛钟更准确和更安全[25]

使用擒纵器的水钟

第一使用擒纵器的水钟,由密宗僧人兼数学家一行和政府官梁令瓒建于长安[26][27] 这个擒纵器水钟是个天文数仪器。一行的擒纵器钟仍然是一个水钟,因此会受温度变化的影响。在976年,张思训解决了这个问题。他用(水银)取代水,汞在温度下降到摄氏零下39度(华氏零下38度)时,仍然是液体。

天文钟

元祐元年(1086年)苏颂检验太史局的浑仪时,决心要将浑仪浑象和报时装置结合。苏颂拜访吏部守当官韩公廉,取得张衡张思训的“仪器法式大纲”。元祐三年(1088年)开始动工,元祐七年(1092年)“水运仪象台”竣工。

水运仪象台是一个类似于天文台,高约12米,宽7米,上下分三层;上层是浑天仪(天体测量之用),中层是浑象仪(天体运行演示),下层是司辰(自动报时器),全程用水力推动,可精确报时,李约瑟指这是欧洲天文钟的直接祖先。苏颂于绍圣初年著《新仪像法要》一书,详述水运仪象台的整体功能、零件150多种,60多幅插图。

水运仪象台原件在靖康之祸(1127年)时,金兵将水运仪象台掠往燕京(北京)置于司天台,在金朝贞祐二年(1214年)因不便运输被丢弃,而南宋时苏携保存的手稿因无人理解其中方法而无人能仿造。

近代计时工具

机械钟

机械钟由僧人一行和官员梁令瓒发明。至元明之时,计时器摆脱了天文仪器的结构形式,得到了突破性的新发展。元初郭守敬、明初詹希元创制了“大明灯漏”与“五轮沙漏”,采用机械结构,并增添盘、针来指示时间,其机械的先进性便明显地显示出来,时间性益见准确。

到14世纪,西方国家广泛使用机械钟。在十六世纪,奥斯曼帝国的科学家达兹·艾-丁(Taqi al-Din英语Taqi al-Din)发明机械闹钟[28]

摆钟

1583年,意大利人伽利略建立了著名的等时性理论,也就是钟摆的理论基础。1656年,荷兰的科学家克里斯蒂安·惠更斯应用伽利略的理论,设计了钟摆。第二年,在他的指导下,年轻钟匠哥士达(S. Coster)成功制造第一个摆钟。1675年,他又用游丝取代了原始的钟摆,这样就形成了以发条为动力、以游丝为调速机构的小型钟,同时也为制造便于携带的袋表提供了条件。

袋表

18世纪期间发明了各种各样的擒纵结构,为袋表(或称怀表)的发展奠定了基础。英国人乔治·葛咸(George Graham)在1726年完善工字轮擒纵结构;它和之前发明的垂直放置的机轴擒纵结构不同,所以使得袋表机芯相对变薄。另外,1757年左右,英国人汤马士·穆治(Thomas Mudge)发明了叉式擒纵结构,进一步提高了袋表计时的精确度。这期间一直到19世纪,产生了大批钟表生产厂家,为袋表的发展做出了贡献。

手表

1904年,飞行员阿尔拔图·桑托斯-杜蒙特Alberto Santos-Dumont)要求他的朋友,法国制表匠路易士·卡地亚(Louis Cartier),设计一个他可以在飞行时使用的表[29]。其实在1868年,百达翡丽已经发明了手表,不过当时这种女士的手镯表,只当作首饰。卡地亚创造了桑托斯(Santos)手表,第一只为男士设计而且实用的手表[30]

石英振荡器

1921年,华持·加廸英语Walter G. CadyWalter G. Cady)制造第一个石英晶体谐振器。沃伦·马利逊(Warren Marrison J. W. Horton)和JW.霍顿(J. W. Horton)于1927年,在加拿大的贝尔实验室制造首个石英钟[31][32]。之后几十年,因为由真空管组成的石英钟笨重,它只能设置于实验室中。

1967年瑞士人发表第一款石英表,1969年,精工制作了世界上第一个商业化生产的石英手表──雅士图英语AstronAstron[33]。它的准确性和低生产成本,石英钟表受欢迎。

原子钟

原子钟比所有计时装置都准确,数万年才会误差几秒钟,所以可以用于校准其他钟表[34]。第一个原子钟于1949年发明,现陈列于史密森尼学会。美国国家标准局(又称国家标准技术研究所National Institute of Standards and Technology))的原子钟,每年的误差只有300亿分之一秒。

注释

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  2. ^ 2.0 2.1 Chobotov, p. 1
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Bruton, Eric. The History of Clocks and Watches 1982. New York: Crescent Books. 1979. ISBN 0-517-377446.
  4. ^ Barnett, p. 102
  5. ^ Knight & Butler, p. 77
  6. ^ Aveni, p. 136
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  8. ^ Richards, p. 55
  9. ^ Major, p. 9
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  11. ^ 11.0 11.1 11.2 Earliest Clocks. A Walk Through Time. NIST Physics Laboratory. [2008-04-02].
  12. ^ Philbin, p. 128
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  22. ^ Richards, p. 52
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参考

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