一分钟认识钟表的方法（还不知道它是如何准确计时的）

前段时间欧米茄（omega）和斯沃琪（Swatch）的联名款非常火爆，引发不少人抢购。尽管钟表已经淡出了不少人的生活，平时看时间有手机就够了，但还是有不少人需要钟表。

从个人佩戴的手表到家中墙上悬挂的石英表，从广场大屏幕上的电子表到塔楼里的机械钟，钟表有着各式各样的形态。

现代钟表的诞生高度依赖于工业革命的蓬勃发展。即使是最廉价、结构最简陋的现代钟表，其内部结构之精巧，也足以令古代的能工巧匠叹服。而在工业革命之前，计时装置的发展经历了一段漫长的岁月。

为了搞清楚钟表准确计时的原理，我们不妨先来了解下古人的计时方法吧！

古代的计时装置

日出而作、日落而息的农业劳作让古人很久便发现了太阳的运行规律。人们发明了圭表、日晷等仪器，通过测量指针影子的长度和角度来判断太阳在天空中的方位，从而得知当前的时间和季节。古代的东西方文明都很早便学会了制造这类计时装置。

古埃及的日晷 图源：维基百科

北京故宫中的日晷 图源：维基百科

位于澳大利亚墨尔本的日晷 图源：维基百科

这种利用影子计时的方法误差较大，在阴天也无法正常工作。为此，人们又借助均匀流动的水流和沙子制成了漏壶、刻漏、沙漏等计时装置，就连缓慢燃烧的烛火也可以用来计时。

西汉时期的漏壶 图源：文献[1]

中国考古不过，水流、沙流的流动并非严格均匀的，烛火的燃烧也容易受燃烧物和空气流动影响，终究不是完美的计时装置。自然界中到底有没有一些既精准、又方便利用的匀速变化着的事物呢？意大利科学家伽利略给出了答案。

摆动的时钟

大约600年前，伽利略无意间发现当教堂里的吊灯在随风摇摆时，每次来回摆动的时间总是相近的。意识到这个现象非同寻常，伽利略随后准备了许多不同质量的重物和不同长度的绳索，将这些物件组合成了各种不同样式的单摆，然后分别测量它们的摆动规律。最终伽利略发现了单摆的等时性原理：对于任意的单摆而言，只要它的绳索长度不变，那么每次摆动的时间都是相对一致的，而与悬挂哪种重物无关。

单摆的摆动速度要比太阳升落、水流、沙子和火烛等现象更容易观测且更精准，它遵循着最基本的力学规律，出现误差也比较小，所以非常适合用来制作计时工具。

伽利略所设想的摆钟示意图 图源：维基百科

在伽利略之后，荷兰科学家惠更斯于1658年造出了第一座摆钟，并出版了《摆钟论》一书，详细介绍了摆钟的制作方法。后来，在英国科学家胡克、钟表匠威廉·克莱门特和约瑟夫·尼伯等人的改进下，摆钟制作技术日趋成熟，并逐渐进入千家万户，成为了常见的计时工具。

惠更斯摆钟的复制品 图源：芝加哥科学与工业博物馆/盖蒂图片社eferrit

擒纵机构——摆钟的心脏

那么，单摆内部所蕴含的时间信号是如何传递给表盘指针的呢？这要归功于被称为钟表的“心脏”的擒纵机构了。在摆钟内部，摆锤通过擒纵机构获取动力，并可在擒纵机构的帮助下控制表盘指针的转动，从而实现指示时间的功能。

传统的锚式擒纵机构如下图所示。其中黄色的齿轮叫做擒纵轮，轮轴与发条能驱动装置相连；灰色的锚状结构叫做擒纵叉，与摆钟的摆锤相连。

锚式擒纵机构的原理 图源：维基百科发条等装置的驱动作用下，擒纵轮倾向于发生自由旋转运动，不过被擒纵叉限制住了。随着摆锤的来回摆动，擒纵叉每次只会释放一个轮齿，因此擒纵轮被迫一点一点地旋转，每次转动的角度和所需时间都是基本一样的。如此一来，摆锤的时间信号便通过擒纵轮传递给了摆钟的其他机械结构，最终由表盘指针来指示时间。而擒纵叉对擒纵轮的这一制动和释放环节就是“擒”和“纵”名称的由来。同时，在擒纵叉控制擒纵轮转动的时候，擒纵轮的轮齿又反过来对擒纵叉施加了推动作用，从而使摆锤获得了持续摆动的能力。怎么样，擒纵机构的设计非常精巧吧！

摆钟的进一步进化
摆钟无法满足所有场合下的计时需求。例如，摆钟的体积非常庞大，不利于随身携带；摆锤的摆动容易受到外界振动的影响，所以不能安放在马车、轮船上；随着科技的发展，摆钟的准确性也逐渐力不从心，无法满足较高的精度要求。针对摆钟小型化的问题，惠更斯进一步将摆锤改良成了体积小巧的摆轮。这种装置可以做等时性的圆周运动，因此可以用来代替摆锤的作用。摆轮与一种叫做游丝的螺旋状细弹簧结构安装在一起，可以更精准地运行。这样一来，笨重的摆钟便进化成了小巧的腕表、怀表、挂钟等。那么，如何提高钟表的精度，使它可以精确测量十分之一秒、百分之一秒甚至千分之一秒以上呢？1918年，法国物理学家朗之万发现，如果给石英晶体接通交变电流，石英晶体就会开始高频、稳定地振动，不怎么受温度、湿度和外界震动的影响。如此，人们便发现了石英晶体应用于高精度钟表的可能性。1928年，贝尔电话实验室的研究人员沃伦·马里森将机械钟表里的摆轮-游丝系统替换成了石英晶体，发明出了石英钟表。在电流的激励下，石英晶体可以做到每秒振动1千万次。通过安装电信号放大、调节和转换电路，便可以将这种高频振动转化成我们所需要的低频振动，让秒针每秒走动一次。由于这种高频振动是石英晶体的物理特性，所以只要保证了石英晶体的纯度，便可以实现高精度计时。从此之后，石英表由于其质量可靠、成本低廉的优势，迅速颠覆了传统钟表市场，与机械表平分秋色，颇受人们喜爱。

目前，高质量的石英表可以达到正负十万分之一秒的误差，也就是运行270年才会出现正负1秒的误差。即使是质量较差的石英表，它的误差也会在一万分之一秒之内，完全可以满足我们的日常生活的需求。不过在一些对时间准确度要求非常高的高科技领域，石英表的精度就不再够用了。例如，在北斗全球定位系统中，多个导航卫星之间需要互相传递电波信号来确认位置。由于电波信号的传输具有延迟现象，因此需要精确计算延迟时间。经测算，倘若导航卫星所携带钟表的误差为百万分之一秒，那么北斗导航的定位误差足有300米之多。所以，石英表是无法胜任导航任务的。为此，科学家们又提出利用原子的能级振荡来制作原子钟。与石英晶体的振动相比，原子能级振荡是一种更为接近物质本原的物理现象，具有无可比拟的精确度。制造于1999年的铯原子钟已经可以达到运行两千万年不差一秒；而2020年科学家借助量子纠缠设计的高精度原子钟则达到了运行140亿年不差一秒的精度。

这个钍原子钟只需要一个微不可察的钍原子便可以实现高精度计时 图源：scitechdaily

自然界中存在着大量周期变化着的现象，从宏观的日月运行、单摆晃动，到微观的晶体振动、原子振荡，钟表的准确计时能力离不开这些掌控着世间万物的物理运动规律。希望在不远的将来，我们可以发现一些更加精妙的周期现象，并以此制造出更加奇妙的钟表！
参考文献：

[1] 吕章申主编. 文物里的古代中国 中 秦至五代时期[M]. 北京：中国社会科学出版社, 2010.

[2] 郭治编著. 钟表史[M]. 沈阳：辽宁少年儿童出版社, 1996.06.

[3] （苏联）И.С.别辽科夫著；刘元亨，李宝善，罗耀杰，乔万胜等译. 钟表机构[M]. 北京：中国财政经济出版社, 1963.11.