前段時間歐米茄（omega）和斯沃琪（Swatch）的聯名款非常火爆 引發不少人搶購。盡管鍾錶已經淡齣瞭不少人的生活 看瞭30年鍾錶，還不知道它是如何準確計時的？ - 趣味新聞網

前段時間歐米茄（omega）和斯沃琪（Swatch）的聯名款非常火爆，引發不少人搶購。盡管鍾錶已經淡齣瞭不少人的生活，平時看時間有手機就夠瞭，但還是有不少人需要鍾錶。

從個人佩戴的手錶到傢中牆上懸掛的石英錶，從廣場大屏幕上的電子錶到塔樓裏的機械鍾，鍾錶有著各式各樣的形態。

現代鍾錶的誕生高度依賴於工業革命的蓬勃發展。即使是最廉價、結構最簡陋的現代鍾錶，其內部結構之精巧，也足以令古代的能工巧匠嘆服。而在工業革命之前，計時裝置的發展經曆瞭一段漫長的歲月。

為瞭搞清楚鍾錶準確計時的原理，我們不妨先來瞭解下古人的計時方法吧！

古代的計時裝置

日齣而作、日落而息的農業勞作讓古人很久便發現瞭太陽的運行規律。人們發明瞭圭錶、日晷等儀器，通過測量指針影子的長度和角度來判斷太陽在天空中的方位，從而得知當前的時間和季節。古代的東西方文明都很早便學會瞭製造這類計時裝置。

古埃及的日晷 圖源：維基百科

北京故宮中的日晷 圖源：維基百科

位於澳大利亞墨爾本的日晷 圖源：維基百科

這種利用影子計時的方法誤差較大，在陰天也無法正常工作。為此，人們又藉助均勻流動的水流和沙子製成瞭漏壺、刻漏、沙漏等計時裝置，就連緩慢燃燒的燭火也可以用來計時。

西漢時期的漏壺 圖源：文獻[1]

中國考古不過，水流、沙流的流動並非嚴格均勻的，燭火的燃燒也容易受燃燒物和空氣流動影響，終究不是完美的計時裝置。自然界中到底有沒有一些既精準、又方便利用的勻速變化著的事物呢？意大利科學傢伽利略給齣瞭答案。

擺動的時鍾

大約600年前，伽利略無意間發現當教堂裏的吊燈在隨風搖擺時，每次來迴擺動的時間總是相近的。意識到這個現象非同尋常，伽利略隨後準備瞭許多不同質量的重物和不同長度的繩索，將這些物件組閤成瞭各種不同樣式的單擺，然後分彆測量它們的擺動規律。最終伽利略發現瞭單擺的等時性原理：對於任意的單擺而言，隻要它的繩索長度不變，那麼每次擺動的時間都是相對一緻的，而與懸掛哪種重物無關。

單擺的擺動速度要比太陽升落、水流、沙子和火燭等現象更容易觀測且更精準，它遵循著最基本的力學規律，齣現誤差也比較小，所以非常適閤用來製作計時工具。

伽利略所設想的擺鍾示意圖 圖源：維基百科

在伽利略之後，荷蘭科學傢惠更斯於1658年造齣瞭第一座擺鍾，並齣版瞭《擺鍾論》一書，詳細介紹瞭擺鍾的製作方法。後來，在英國科學傢鬍剋、鍾錶匠威廉・剋萊門特和約瑟夫・尼伯等人的改進下，擺鍾製作技術日趨成熟，並逐漸進入韆傢萬戶，成為瞭常見的計時工具。

惠更斯擺鍾的復製品 圖源：芝加哥科學與工業博物館/蓋蒂圖片社eferrit

擒縱機構――擺鍾的心髒

那麼，單擺內部所蘊含的時間信號是如何傳遞給錶盤指針的呢？ 這要歸功於被稱為鍾錶的“心髒”的擒縱機構瞭。在擺鍾內部，擺錘通過擒縱機構獲取動力，並可在擒縱機構的幫助下控製錶盤指針的轉動，從而實現指示時間的功能。

傳統的錨式擒縱機構如下圖所示。其中黃色的齒輪叫做擒縱輪，輪軸與發條能驅動裝置相連；灰色的錨狀結構叫做擒縱叉，與擺鍾的擺錘相連。

錨式擒縱機構的原理 圖源：維基百科發條等裝置的驅動作用下，擒縱輪傾嚮於發生自由鏇轉運動，不過被擒縱叉限製住瞭。隨著擺錘的來迴擺動，擒縱叉每次隻會釋放一個輪齒，因此擒縱輪被迫一點一點地鏇轉，每次轉動的角度和所需時間都是基本一樣的。如此一來，擺錘的時間信號便通過擒縱輪傳遞給瞭擺鍾的其他機械結構，最終由錶盤指針來指示時間。而擒縱叉對擒縱輪的這一製動和釋放環節就是“擒”和“縱”名稱的由來。同時，在擒縱叉控製擒縱輪轉動的時候，擒縱輪的輪齒又反過來對擒縱叉施加瞭推動作用，從而使擺錘獲得瞭持續擺動的能力。怎麼樣，擒縱機構的設計非常精巧吧！

擺鍾的進一步進化

擺鍾無法滿足所有場閤下的計時需求。例如，擺鍾的體積非常龐大，不利於隨身攜帶；擺錘的擺動容易受到外界振動的影響，所以不能安放在馬車、輪船上；隨著科技的發展，擺鍾的準確性也逐漸力不從心，無法滿足較高的精度要求。針對擺鍾小型化的問題，惠更斯進一步將擺錘改良成瞭體積小巧的擺輪。這種裝置可以做等時性的圓周運動，因此可以用來代替擺錘的作用。擺輪與一種叫做遊絲的螺鏇狀細彈簧結構安裝在一起，可以更精準地運行。這樣一來，笨重的擺鍾便進化成瞭小巧的腕錶、懷錶、掛鍾等。那麼， 如何提高鍾錶的精度，使它可以精確測量十分之一秒、百分之一秒甚至韆分之一秒以上呢？ 1918年，法國物理學傢朗之萬發現，如果給石英晶體接通交變電流，石英晶體就會開始高頻、穩定地振動，不怎麼受溫度、濕度和外界震動的影響。如此，人們便發現瞭石英晶體應用於高精度鍾錶的可能性。1928年，貝爾電話實驗室的研究人員沃倫・馬裏森將機械鍾錶裏的擺輪-遊絲係統替換成瞭石英晶體，發明齣瞭石英鍾錶。在電流的激勵下，石英晶體可以做到每秒振動1韆萬次。通過安裝電信號放大、調節和轉換電路，便可以將這種高頻振動轉化成我們所需要的低頻振動，讓秒針每秒走動一次。由於這種高頻振動是石英晶體的物理特性，所以隻要保證瞭石英晶體的純度，便可以實現高精度計時。從此之後，石英錶由於其質量可靠、成本低廉的優勢，迅速顛覆瞭傳統鍾錶市場，與機械錶平分鞦色，頗受人們喜愛。

石英錶（左側）內部比機械錶（右側）更簡單 圖源：medium

目前，高質量的石英錶可以達到正負十萬分之一秒的誤差，也就是運行270年纔會齣現正負1秒的誤差。即使是質量較差的石英錶，它的誤差也會在一萬分之一秒之內，完全可以滿足我們的日常生活的需求。不過在一些對時間準確度要求非常高的高科技領域，石英錶的精度就不再夠用瞭。例如，在北鬥全球定位係統中，多個導航衛星之間需要互相傳遞電波信號來確認位置。由於電波信號的傳輸具有延遲現象，因此需要精確計算延遲時間。經測算，倘若導航衛星所攜帶鍾錶的誤差為百萬分之一秒，那麼北鬥導航的定位誤差足有300米之多。所以，石英錶是無法勝任導航任務的。為此，科學傢們又提齣利用原子的能級振蕩來製作原子鍾。與石英晶體的振動相比，原子能級振蕩是一種更為接近物質本原的物理現象，具有無可比擬的精確度。製造於1999年的銫原子鍾已經可以達到運行兩韆萬年不差一秒；而2020年科學傢藉助量子糾纏設計的高精度原子鍾則達到瞭運行140億年不差一秒的精度。

這個釷原子鍾隻需要一個微不可察的釷原子便可以實現高精度計時 圖源：scitechdaily

自然界中存在著大量周期變化著的現象，從宏觀的日月運行、單擺晃動，到微觀的晶體振動、原子振蕩，鍾錶的準確計時能力離不開這些掌控著世間萬物的物理運動規律。希望在不遠的將來，我們可以發現一些更加精妙的周期現象，並以此製造齣更加奇妙的鍾錶！

參考文獻：

[1] 呂章申主編. 文物裏的古代中國 中 秦至五代時期[M]. 北京：中國社會科學齣版社, 2010.

[2] 郭治編著. 鍾錶史[M]. 瀋陽：遼寜少年兒童齣版社, 1996.06.

[3] （蘇聯）И.С.彆遼科夫著；劉元亨，李寶善，羅耀傑，喬萬勝等譯. 鍾錶機構[M]. 北京：中國財政經濟齣版社, 1963.11.