文明的起源：20.機(jī)械計時工具—鐘表

　　人類創(chuàng)造的世界光彩奪目，絢麗耀眼，令人贊嘆稱奇。它為什么是現(xiàn)在的這個樣子?迎著陽光，在現(xiàn)代文明精致的面龐和魁梧的身軀后面，有一條長長的影子，從那里，可以看到歲月、歷史和長路。

　　文明的起源：20.機(jī)械計時工具—鐘表

　　時間是什么?答案可以很簡單，時間就是時間。但是愛因斯坦用相對論把這個問題搞得復(fù)雜了，受過唯物教育但對科學(xué)只是一知半解的人(比如說我自己)甚至?xí)r間的任何形象化或者概念化的理解：我知道時間不是那么簡單的，愛因斯坦認(rèn)為時間與空間、運(yùn)動速度和宇宙有關(guān)系，但我說不出來那是怎么回事，所以我根本不知道時間是什么。其實我們可以忽略科學(xué)家在一個小圈子里遵循某種規(guī)則玩的高智商游戲，而去討論我們最熟悉的“時間”。

　　古時候的人們注意到太陽的往復(fù)出現(xiàn)，和太陽在白天天空的不同位置，產(chǎn)生了以此作為社會協(xié)調(diào)合作和遵守某些約定的一個標(biāo)準(zhǔn)。太陽在天空某個特定位置的時候決定了人們會去做某些事：起床、吃飯、勞作、休息。

　　中國歷史上，在漢代以前，人們把一晝夜分為100刻，用漏壺、漏箭等設(shè)備確定此時為某刻;漢代及以后，除了保留百刻制，還設(shè)計了一種測定太陽方位和日影長度的器物——圭表，并給一晝夜再加了一個十二時辰的時間標(biāo)準(zhǔn);大概在隋朝，發(fā)明了日晷(gui);北宋時又將十二時辰分解為二十四時辰，稱24“小時”。

　　圭表

　　日晷

　　歐亞大陸的其它早期文明，使用的也是漏類的器具計時。

　　據(jù)說是古埃及人確立了24小時、60分和60秒的時間標(biāo)準(zhǔn)。

　　公元十世紀(jì)時，歐洲在使用日晷。

　　14世紀(jì)，歐洲出現(xiàn)了一種以“冠狀擒縱機(jī)構(gòu)”為核心和各種大小齒輪組成的計時裝置(有人說“擒縱機(jī)構(gòu)”起源于中國宋朝，比如李約瑟寫的《中國科技史》，但只是一面之詞，沒有更多證據(jù))。擒縱機(jī)構(gòu)可以用"lock-unlock "的循環(huán)來實現(xiàn)機(jī)械能量的傳遞，這項技術(shù)最初被作為鐘的動力來源(是用某種重物的重力來提供)。

　　最早的冠狀擒縱機(jī)構(gòu)的鐘結(jié)構(gòu)

　　大約在1510年代，發(fā)條已經(jīng)出現(xiàn)，但應(yīng)用到鐘表上可能還不成熟，因為還沒有某種設(shè)計將擒縱機(jī)構(gòu)從動力源轉(zhuǎn)換成發(fā)條能量的控制器。

　　意大利天文學(xué)家伽利略(1564-1642)在1580年代發(fā)現(xiàn)的“擺的等時性原理”被荷蘭物理學(xué)家惠更斯(1629-1695)利用起來在1650年代發(fā)明了擺鐘，這時候擒縱機(jī)構(gòu)開始被用來控制發(fā)條的能量有規(guī)律地緩慢地釋放，而不至于快速消耗完。擒縱機(jī)構(gòu)也是現(xiàn)代機(jī)械表的核心部分，它決定了計時的精確性。

　　現(xiàn)代機(jī)械鐘表典型結(jié)構(gòu)

　　大約1670年代，惠更斯又發(fā)明了擺輪游絲來控制擒縱機(jī)構(gòu)。

　　14世紀(jì)及之后的歐洲使用的是時分秒的時間標(biāo)準(zhǔn)，那種能自己不斷運(yùn)行(也需要隔段時間人工恢復(fù)動力)的機(jī)械鐘，最開始只有時針，大概在1470年代出現(xiàn)分針，1660年代出現(xiàn)秒針。同時，機(jī)械鐘表的制作工藝不斷提高，鐘表體積和走時精確性都在得到優(yōu)化，鐘的大小從鐘樓到座鐘，到懷表再到腕表，而精確性方面，是由于大航海時代的海上航行需要用精確的時間計算經(jīng)緯度的迫切需求。

　　1880年代，法國人皮埃爾·居里(1859-1906，居里夫人的丈夫)發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，以及1920年代石英晶體振蕩器的發(fā)明和應(yīng)用，為鐘表能夠提供更高的精確度帶來了可能。

　　(壓電效應(yīng)簡單來說，就是有些特殊物質(zhì)，你碰它一下，它就在自身產(chǎn)生電位差;你給它通電，它就振動。石英就具有壓電效應(yīng)。舉個例子您一下子就明白：1塊錢1個的打火機(jī)，用來引燃的電火花從何而來?打火機(jī)內(nèi)有一個小裝置，抽煙的人都見過：里面有一小坨能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的壓電陶瓷，打火時的按壓就是為了產(chǎn)生振動，讓壓電陶瓷生壓產(chǎn)電。)

　　石英表在1960年代出現(xiàn)。石英(二氧化硅晶體，是一種天然礦石)能在通電后發(fā)生有規(guī)律的震動，那么拿一個標(biāo)準(zhǔn)的一秒時間來測量石英的震動次數(shù)——測得是每秒32768次——就能反過來用石英每震動32768次作為讓鐘表的秒針齒輪轉(zhuǎn)動一次的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，實際驅(qū)動秒針齒輪的是電力?，F(xiàn)代電子行業(yè)的大部分電路都需要晶體振蕩器，因為它能與時間映射。只有少數(shù)簡單的不與時間產(chǎn)生聯(lián)系的電路才不需要，比如最簡單的手電筒。

　　石英礦石

　　時間是一個與世界每一個角落的人的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)的概念，因此它對于每一個人都必須要有實用的意義。中午12點(diǎn)，就是對于一個地點(diǎn)，地面上的物體在陽光的照射下產(chǎn)生陰影最短的時候。

　　而我們知道地球是圓的，它在自轉(zhuǎn)，也在圍著太陽公轉(zhuǎn)，因此，太陽會在地球上產(chǎn)生無數(shù)個不同時間的“12點(diǎn)”，同樣也會產(chǎn)生無數(shù)個不同時間的其它時間。西班牙馬德里和中國北京的每一個相同“時間數(shù)”都會發(fā)生在不同的“時間點(diǎn)”。這就是個問題。

　　地球上人們的聯(lián)系已經(jīng)如此緊密，可不能讓時間的不同把大家給搞糊涂了，因此，就必須要有局部區(qū)域統(tǒng)一而在全球有規(guī)律可循的時間。

　　1883年，全球主要國家確立了這樣一條有關(guān)于時間的規(guī)范：以縱貫?zāi)媳睒O和英國格林尼治天文臺的一條線為本初子午線(0度經(jīng)線)，向東每隔15度經(jīng)線增加1小時，向西每隔15度經(jīng)線減少1小時，分和秒不變，同經(jīng)度時間一致，全球共24個時區(qū)(15*24=360度)，180度經(jīng)線為國際日期變更線。舉個例子：北京經(jīng)度約為東經(jīng)115度，比0度要大8個15度，因此當(dāng)格林尼治時間是12點(diǎn)時，北京時間就是20點(diǎn)。

　　上圖是格林尼治時間GMT與世界時間的對照圖。參照圖頂?shù)臅r間加減規(guī)則，可以以格林尼治時間計算世界其它各地的時間，可以以其它各地時間計算格林尼治時間，也可以以一地時間計算另一地時間。