锁不住的时间，记得住的故事

　　这是一首上世纪六十年代的流行歌曲的歌词，证明了这自然界的一切事物都是有需求的，就连上帝创造万物，都得喊一声：光！而人类作为万物至尊，百兽之王，其发展的历史其实也是一部欲望发展史，是一部生产工具的演变历史，是一部××的历史。（前面的××可以联想，但是不能关联。）

　　估计人类从诞生那一刻起，就发现了这个世界会有白天和黑夜，白天可以追求一下物质生活，打打猎、采摘果子，晚上呢，追求一下精神生活，跳跳舞、创造新生代。在这样一次次的黑白交替中，时间这个概念开始逐渐体现出来。时间的初步概念是有了，但量度还需要明确。计量时间，也就成为了人们在今后生活发展中的一个必需品。据说在很久很久以前（反正是没有记载的），史前人就在木棍和骨头上刻点标记来计时，这个计时应该只是人们心理对时间的一个大致估算，因为时间这个东西，那个时候还真不好掌控。

　　计量时间，现在被定义为一项科学。要想准确地记录时间，你得给年、月、日这些东西都对应一项运动的周期，而这个对应的方式，就隶属于天文学的研究范畴了，推算日月星辰之运行以定岁时节候的方法是什么？历法啊！而历法这个东西，如果扯开去，绝对能够让人头脑崩溃。对于大众只需要知道，时间的计量是根据历法来制定的，接下来《Geek》要讲述的，则是一段计时工具的发展史。

　　靠天吃饭

　　靠天吃饭，不仅是农作物的生长，还有时间的计算也是。打开四大古典名著之一的《三国演义》，罗贯中先生在小说的第十五回“太史慈酣斗小霸王 孙伯符大战严白虎”中曾有这样一段描写：策执慈手笑曰：“神亭相战之时，若公获我，还相害否？”慈笑曰：“未可知也。”策大笑，请入帐，邀之上坐，设宴款待。慈曰：“刘君新破，士卒离心。某欲自往收拾余众，以助明公。不识能相信否？”策起谢曰：“此诚策所愿也。今与公约：明日日中，望公来还。”慈应诺而去。诸终曰：“太史慈此去必不来矣。”策曰：“子义乃信义之士，必不背我。”众皆未信。次日，立竿于营门以候日影。恰将日中，太史慈引一千余众到寨。

　　这段描写主要讲述的是孙策的识人和太史慈的忠义，留心一下其中关于时间的元素，就会发现这里有两个值得注意的地方，一是计量时间的方法“立竿于营门以候日影”。二是这两个虎将约定时间的时候用到了“日中”这个名词。插个杆子放在门前来算时间，这算是什么？告诉大家，这就是初级阶段的计时工具，名字叫做土圭，它是通过杆影的移动规律、影的长短，来定冬至、夏至日，当然也有确定时间的作用。所谓日中，正是当时中国古人计量时间所使用的十二个时辰之一，也就是现在的中午（11 ~13点）。

　　这种通过太阳的投影和方位计时的工具还有很多，咱们都把他叫做太阳钟。太阳钟在相当一段长的时间内，都是人类计量时间的主要工具。刚才咱们所说的“竿影测日”是最初级的阶段，在《尚书·尧典》中，尧帝时期（公元前2357~2258年）就有土圭使用的历史，不过尧帝时期本来就是传说中的故事，尚书也是后人编写的，所以这东西可信度并不十分高，但从其他相关文献中也能看出来，中国人确实很早就开始使用土圭来计量时间了，有文字记载的可以追溯到春秋战国时期。

　　当然这种插杆子的方式肯定不能满足人们对时间精确计量的需要，土圭还得升级，升级之后的名字叫做圭表。圭表是由直立平放的表和一个正南北方向平放的圭（也叫做尺）所组成，这个看似简单的工具着实不简单，中国人就用这东西测出了一个回归年长度是365.25日。看到圭表的形象描述，很多朋友就会想到另一项我们熟悉的计量工具了：日晷。日晷是以太阳投向刻度盘的阴影为基础的。通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动时，投向晷面的晷针影子也会慢慢地由西向东移动。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。

　　两者的主要区别是：圭表根据日影的长短判别方向测定季节、全年日数和冬至、夏至所在的日子，推算历法，它对农业生产有着很大的帮助；而日晷的应用，主要是根据日影的位置，以指定当时的时辰或刻数，可以作为人们衡量时间、安排时间的一个依据。换句话说，日晷是用作精确测量时间刻度的。有多精确，一个制作精良、设计合理的日晷可以用来校对现在人们佩戴的电子表，这就是日晷的威力。这项伟大的发明，据说在公元前两千年，古巴比伦人就开始使用了，《Geek》觉得这个的真实性还需要考证，不然这太伤害当时还在往地上插棍子的中华儿女的心了。

　　作为一种精确测量时间的工具，日晷在设计和安装的时候都需要依靠严格的科学计算，而且根据地理位置的不同，还需要安置不同类型的日晷才能准确计量时间。这其中最难分划的就是日晷的刻度，根据现代人的研究找出了几种常见日晷的刻度划分方法，《Geek》在此提供给大家，供大家YY一下。

　　地理纬度=φ，指时针的高度=H，要刻划的时间与正午的差值=T；时间线与指时针的夹角=A，距离=D。

　　（1）水平式日晷：最常用的日晷，采用水平式的刻度盘，日晷轴的倾斜度，依使用地的纬度设定，刻度需要利用三角函数计算才能确定，适合低纬度的使用。

　　TAN（A）=TAN（T）×SIN（φ）

　　（2）赤道式日晷：依照使用地的纬度，将指时针朝向北极固定，观察轴投影在垂直于轴的圆盘上的刻度来判断时间的装置。盘上的刻度等分，每小时相当与十五度，正午线垂直朝下，适合中低纬度的使用。

　　（3）极地晷：指时针投影的平面与指时针平行（地平面的夹角与地理纬度相同），朝向正北。时间的刻画可以用简单的几何图来处理，适合各种不同的纬度使用。

　　D=H×TAN（15×T）

　　（4）南向垂直日晷：刻度盘面朝向正南且垂直地面，较适合在中纬度（30～60度）使用。

　　TAN（A）=TAN（T）×COS（φ）

　　现在我们所说的太阳钟似乎一个个都是庞然大物，其实并不全都如此。早在公元前1500年，埃及人就发明了携带式的日晷，而后来这种移动日晷也得到了不少发展，公元1742年，都柏林的数学仪器制造商还在制造这种便携式的日晷。而到了现代，一些国家的特种部队也习惯在刀具上刻上一个简易日晷，以便在手表失效的时候也能确定大致时间。而在2008年北京奥运会的开幕式上，焰火激活的日晷也令人们再次感受到了这种古老计时工具的风韵，那是多么宝贵的文化遗产啊！

　　动力引入

　　从小爹妈就告诉我们：靠天吃饭不是好汉。太阳钟的缺点就是一到阴天下雨或者夜晚的时候，就无法计量时间了。所以人们不得不去追求制造另外一种不受天气条件影响的计时工具。而这种工具，其实诞生得也非常早，这种计时工具的原理就是利用流动物质的连续运动来进行计时，而水作为最常见的流动物质，自然被聪明的文明古国人民所利用，印度、希腊、中国、埃及都曾制造过水钟。最早的水钟非常简单，水从一个底部有孔的容器流入另一个容器，流入容器中拥有时间刻度尺，流量就可以用来表示时间。

　　与水钟原理接近的，是大家所熟悉的沙漏计时，在一些外国电影的片段中，经常看到在决斗的时候，会用沙漏来计时，而咱们中国人的决斗，往往是烧柱香计时。其实在沙漏计时方面，中国后来也出现过很强大的工具版本，明朝初期詹希元设计的“五轮沙漏”甚至都有了些机械钟的味道。与水钟、沙钟等工具接近的还有火钟，火钟有油灯钟和蜡烛钟这两个分类。油灯钟是把时间刻度标在盛油的玻璃器皿侧面，蜡烛钟是将时间刻度标在蜡烛的侧面，两者都是通过燃烧消耗来计量时间。

　　值得一提的是，中国人在水钟方面发挥了自己的聪明才智，把它和天文测算时间再次联合到了一起，开创了天文钟这个神奇的东东。公元117年，东汉张衡制造出大型天文计时仪器：漏水转浑天仪。它用漏水驱动浑象进行天文测量，并通过齿轮等机械结构显示日历。公元725年，唐代的一行法师（密宗教理的组织者、天文学家）和梁令瓒制成水运浑象，这个机器以水力带动浑象运转，进行天文测量，并通过齿轮系和日、月二轮环分别显示日、月，通过两个木偶分别击鼓报刻、撞钟报晨。公元1088年，苏颂和韩公廉在北宋的京城汴京制成一座水运仪象台。

　　这座大型天文仪器，集浑仪、浑象和报时装置于一身，是一座上窄下宽、底为正方形的高台木结构建筑。通过水力驱动机械系统，可以带动木人按时持不同时辰牌出现于楼口，并采用摇铃、敲钟、击鼓方式自动报时。夜间则用击钲报更。这台水运仪象台的天衡机构可以控制枢轮作等速运动，这和现代钟表内部的擒纵机构非常相似，智慧的中国人民终于闪亮了一把。中国人制造的这些天文钟，已然具备了机械钟的雏形，但机械钟的报点声音，还是在欧洲悠悠响起。

　　机械力量

　　日晷会受到天气的影响，所以人们开始转用水钟计时，可水在冬天的时候还会结冰，人们又用沙钟来记时，但它们都太受客观条件的约束。人类在生产工作中需要有一个不知疲倦、不畏风雨的公仆式计时工具，这个时候的关键字指向了“机械”这两个字。1283年，英格兰贝德福郡的丹斯塔布修道院，人类历史上第一座以砝码带动的机械钟敲响。推动机械钟产生的，正是罗马天主教会。

　　在很多童鞋的脑海里，过去的教会一直都是与科学为敌的。不过由于各种需要，教会也推动了不少新事物的发展，机械钟就是其中之一。因为修道士们要按照教规准时祈祷，所以有了需要才会有发明，机械钟应需求而生。

　　到了1300年，许多工匠在意大利为大大小小的教堂建造钟塔（或称钟楼），其目的是提醒人们祷告的时间。由于最初计时是以敲钟来指示时间，因此这个新机器就用拉丁语的“c l o c c a”（敲钟的意思）来命名，后来采用英语为母语的国家为了方便大家理解就采取相近读音的“clock”来代表。这种新计时装置中最具革命性的一个部件，既不是提供动力源的下垂砝码，也不是传动力量的齿轮，而是“擒纵器”。经由它才能控制齿轮的转动，将由振荡器运动的力量传递出去；因为有了擒纵器，才使得这种新的机械计时器能够调节速度以达到准确计时的目的。可惜的是这样伟大的发明又是一个无名案，没有资料记载是谁发明了这个伟大的东东。

　　这个最先为众多信徒提供方便的机械塔钟， 主要是依靠“ 重力势能” 和“ 动力”相互转化来达到运行的目的。简单的说就是把一个重锤用绳索悬挂在钟上，然后向一侧拉高，由于地球引力的影响它会往下摆动，而到达最低位置后还有速度，不可能直接停在那儿（就好像汽车刹车不能一下子停下来一样），然后它会继续冲过最低点，再摆至最高位置才向回摆。受到重力的影响使它减速到零，如此，就能不停的摆动了。按照这样的模式，这个重锤是可以永远摆下去地，但是由于阻力的存在，摆动会逐渐减小直到停止，所以需要寻找一个新的动力源来给它不断的提供动力。

　　亨莱因创造物质基础，伽利略奠定了理论基础，接下来该让荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安·惠更斯登场了。从天文学家这个头衔我们就可以知道，惠更斯同志很喜欢抬头仰望星空。在长期的工作中，他意识到时间测量的准确性是影响他总结天文规律的一个重要因素。前辈伽利略已经验证了钟摆的等时性，而惠更斯这些年也没有白研究，经过不少日夜的奋斗，终于设计出了世界上第一个摆钟。惠更斯发明的摆钟，在机芯结构部分包括了走时和报时两大系统。走时系统包括走时原动、传动、擒纵调速、上条拨针和指针5个部分，其中擒纵调速由擒纵机构和摆锤振动系统组成，合称擒纵调速器；报时系统由报时原动机构、传动机构、控制机构、打点机构和调速器等5个部分组成。重要的是摆钟的体积缩小，小到已经可以作为装饰品放在家中了，这样人们就不用再依靠教堂的钟声来知道时间，对于时间的概念也越来越清楚。

　　过了几年，惠更斯又用游丝取代了原始的钟摆。这种新装置使摆钟不再依靠重力，不依靠重力意味着什么，意味着钟表在移动中也可以保持时间测量的稳定性，便携机械表越来越有实现的可能性了。这样就形成了以发条为动力、以游丝为调整机构的小型钟，同时也为制造便于携带的袋表创造了条件。

　　机械钟的传动示意图后退式擒纵机构从前面的介绍中我们知道，要将摆的动力输送到前面的齿轮组合中去，中间必须要有一个擒纵器调速的东东，它直接决定着走时的准确性。既然改良机械钟的终极目标就是为提高走时准确性，那么它的改进就显得特别重要。最先出现的是后退式擒纵机构，主要用于低精度摆钟。它的叉瓦锁面和冲面是同一平面（工作面）；进瓦的工作面是一圆柱面，其圆心与擒纵叉的转动中心不重合；出瓦的工作面是一平面。后来又有钟表匠发明了直进式擒纵，它能使钟摆在摆动到平衡位置附近时受到一个冲量，而在摆动到其他部位时只受到很轻微的摩擦力。它弥补了后退式擒纵的不足之处，使钟的走时精度再次得到提高。咱们来简单概括一下擒纵系统，这东西其实就是一个动力传动系统的开关，“擒”来锁定主传动链，“纵”来释放，通过擒纵的一开一关来控制钟表的机械运动周期，令表针以一定的平均速度转动，从而能够指示准确的时间。没有最准，只有更准，所以这个开关在机械表的发展历史中不断被改进，时至如今，已经有数百种擒纵机构应用在现代机械表中。

　　当动力源（发条）、机械（游丝），再加上构造革新，适合大家携带的机械袋表终于出现了，而这其中为广大人民群众所熟悉的，应该就是怀表了。现在不少影片里都会出现怀表的身影，而在清朝晚期，怀表更成为中国绅士必备品。那时人们只是把它看成是一件首饰，还没有完全认识到它的实用价值。直到进入20世纪，随着钟表制作工艺水平以及科技和文明的巨大变革，才使腕表地位的确立有了可能。

　　当时护士们为了能准时地给病人喂药，就将小怀表挂在胸前，这时候人们已经开始注重表的实用性，要求方便、准确、耐用。不过那些爱美的女士们显然对怀表没有什么兴趣，于是又有厂商开始动脑筋，把固定装置从表链换成表带，手表逐渐出现在了市场中。到了第一次世界大战的时候，手表的便携性和高精度受到了人们的追捧；在世界大战后，手表迅速流行，而瑞士则成为了手表工业最大的赢家，各种工厂和小作坊把制表业推动到了巅峰。在第二次世界大战打完之后，手表就完全取代了怀表。而这个时代的机械表，也几乎发展到了极致，剩下的只是细节的精雕细琢。

　　手表与摆钟只是在外形上发生变化，其内部的机械还是有很多异曲同工之处。就像很多童鞋印象深刻的上条，就是通过拨动手表右边的一个圆头，一圈一圈地旋转，直到无法转动为止。如果想要调整时间，只要把圆头向外一拉，就可以调整分钟和时钟的位置了。这个圆头被称为柄头，它通过一根柄与上条拨针连接。而上条拨针就是就是卷紧原动中的发条和拨动时针、分针以校正钟表所指示时间的机构。上条时，立轮和离合轮处于啮合状态。拨针时，离合轮和立轮脱开而与拨针轮啮合。

　　科学时光

　　邓爷爷说科学技术是第一生产力，随着生产力的提高，手表也开始进入新的形态。上世纪50年代中期，一种新型计时器出现，这种计时工具用采用电池作为动力源，其他机构和电子表相差无多，这就是第一代电子表。

　　到了1960年，美国的布洛瓦公司开始出售“音叉电子手表”。它采用小型音叉作为振荡器，用电池作为能源，通过电子线路输出脉冲电流驱动音叉振荡，然后通过其上的齿爪拨动齿轮，使轮系转动。举一个例子，音叉每秒振动300次，齿轮上设有300个小齿，音叉推动齿轮前进一步，秒针也就移动了一次，这样计时就得以实现，这被称为第二代电子手表。不过利用电学震荡来计时，稳定性并不太好，于是人们开始琢磨用更稳定的方式来升华电子表。

　　这次突破的基础早就有了，1880年法国的居里兄弟就发现了压电效应（压电效应分为正压电效应和逆压电效应）。后来科学家们研究发现，当在石英晶片的极板上接上交流电场，且加交变电压的频率与石英晶片的固有频率相等时，就会产生共振，这就是“压电共振”。石英晶体每秒的振动次数是32768次，如果可以设计简易的电路来计算它振动的次数，每数到32768次或其倍数时，电路会传出讯息，让秒针往前走一秒，这样来计量时间无疑也是一个准确的方法。说到这里大家也都明白了，这就是石英表。它输出的信号通过分频器分频，然后驱动步进电机带动轮系转动来计时。

　　石英表诞生于1969年，制作商是日本的精工公司。1970年，美国哈密尔顿公司研制成功数字式石英电子表，它利用发光二极管作为显示器件。同年，瑞士和日本又先后研制出液晶显示的数字式石英电子表。这也就是咱们如今能够在大街上随处可见的电子表形态了。电子表的走时精度要比机械表高出几个数量级，计时工具已经可以满足人们的生活需要了。不过有一个群体绝对不会满足，这是他们的工作内容和性质决定了，那就是伟大的“科学家”。

　　虽然许多小朋友从小就想当科学家，但当上的却没有几个。科学家都是有怪癖的人，他们会不断制造麻烦，再去解决麻烦。时间测量已经越来越准确了，可有个蛋疼的科学家却把时间测量的准确定义给颠覆了，这个人叫做爱因斯坦，在人类历史上最具影响力的100人排名中，名列第四，前三名都是伟大的教主，其实爱因斯坦也是，科学教的。

　　石英表的准确度已经到了千分之一秒，虽然看起来很精确，但其实远远不够，起码是满足不了科学家们研究爱因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个小时，要比海平面处完全相同的一个时钟平均要快三千万分之一秒，就是这个小数点后的N位促使科学家们还得改进测量时间的办法。这一次他们拿出来的解决意见是：通过原子本身的微小振动来控制计时钟。没办法，要不这么干，就跟不上爱因斯坦老爷子的思路。

　　第二次世界大战结束后，美国国家标准局和英国国家物理实验室宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成了第一个原子钟，但这个钟得有一大堆设备的支持，实用性大打折扣。而科学家扎卡来亚斯推出的小型原子钟就好得多，这个钟可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室。1954年，他与美国马萨诸塞州的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。1956年，该公司开始出售这种产品，并在四年内售出50个。

　　发展至今，原子钟已经十分精确，其误差为10万年内不大于1秒。铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟，都已成功地应用于太空、卫星以及地面控制。现今为止，在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟，这也是G P S卫星系统中采取的设备。这三种原子钟的运作原理基本一致，以铯原子钟为例，它是利用磁铁将铯原子的两个基态能阶分离，处在单一能阶的铯原子在飞跃微波共振腔与微波相互作用后，一部份铯原子会跃升到另一个能阶，这铯原子跃升到另一能阶的比例就代表微波频率与铯原子共振频率的重迭程度，若是两频率能完全相同一致，这时的微波频率就可以实现秒的定义。听起来相当复杂的一个东西，不然专业性怎么体现呢！

　　最后，让《Geek》再来介绍一下目前世界上最精确的钟表，它的名字是NIST F-1。很遗NIST-F1精确得让人无法形容让我们换一个方式来结束这篇科普文章，从语文的角度形成首尾呼应。

　　我们都爱时间的美丽，但也恨时间的无情！憾，大家从这个表上是看不到钟点时间标识的，它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。这家伙要比铯原子钟还要准确，设计原理依旧是以激光致冷技术将铯原子团囚锢在一起，再将冷原子团往上喷形成喷泉，并在其路径上摆设微波共振腔。在喷泉式铯原子钟里，原子因为极低温，速度同时也变得很慢，与微波作用时间特长，因此讯号分辨率可以比铯原子钟好许多。在2000万年内，它既不会少1秒也不会多1秒，其精度之高真是令人惊叹。不过制造NIST F-1的科学家们同样制造了新麻烦，因为地球运转也不是均匀一致的，因此从天文观测的世界时间也是非均匀时间，然而原子钟所呈现的是高均匀性的时间。所以每过一段时期，原子时刻与自然时刻就会变得不一致。天啊！这就是科学家造的孽，又为解决这个问题创造了人为的条件。