从庞然大物到小巧精致
——计时工具的变迁史

◆本刊综合

人类的生存和发展离不开对时间的判断，古往今来，钟表在人类文明发展史上发挥着举足轻重的作用。随着人类社会科学技术的进步，“由大变小”的计时工具以及不断精进的计时方式，为人类带来了更多便利。

时钟里的“庞然大物”

在人类社会早期，古人对时间的概念主要是通过观察太阳、月亮、星星和季节的变化产生的，测量物体阴影在一天之中的变化和运动过程是人们最早掌握的计时方法。

日晷本义是指日影，是利用太阳的位置来测量时间的工具，主要由一根投射太阳阴影的指针、承受指针投影的投影面（即晷面）和晷面上的刻度线组成。随着太阳的移动，影子指示的时间也跟着变动。日晷每到夜间或阴雨天就失去它原本的功能，古人又发明了水钟。

漏刻就是一种水钟，其中“漏”是指带孔的壶，“刻”是指附有刻度的浮箭，主要通过均匀水流导致的水位变化来显示时间。后来又演变出水力推动机械计时的工具，圆明园的十二生肖兽首就是一个大型水力钟的组成部分，每颗兽首代表一个时辰。

图1 水运仪象台（图/新华网 刘默涵 摄）

北宋时期，苏颂设计制作了一款水运仪象台，它高约12 米，宽7 米，枢轮的直径为3.6 米，其顶层是可观测天体的浑仪，中间是可演示天体运行的浑象，底层是可自动报时的装置。水运仪象台代表了当时世界最高的机械设计水平和最高技术成就，被誉为“世界时钟之祖”。

1283 年，英格兰出现了最早由重力驱动的机械钟，也称“塔钟”。时钟大多以砝码作为动力装置，须将砝码吊起到足够的高度，让它逐渐下降，靠重力带动齿轮运转。伦敦大本钟所在的塔楼是世界上最知名的钟楼之一，与日晷，古埃及以碑为针、以地为表盘、重达上百吨的方尖碑一样，都是人们用来计时的“庞然大物”。

“小”和“精”的蜕变

15 世纪，人们研制了通过“由卷到舒”的过程产生动能的发条。当金属带制成的螺旋扭力弹簧成为动力源，钟表的体积开始呈几何级缩小，并衍生出发条动力时钟。“勃艮第钟”被认为是现存最早的发条动力钟。

早期便携式计时工具由两个半球组成，内置表盘上只有一根以小时计时的时针，每天的误差达几个小时。基于此，科学家开始研究计时工具的精度，他们基于伽利略单摆的等时性原理，制作了摆钟的原型，用钟摆取代重力齿轮。后来又发明了锚形擒纵，大大降低了钟摆摆动的幅度，固定了摆动的频率，提高了计时的准确性。钟摆和发条组成的擒纵机构成为现代机械钟表的核心。

从20 世纪30 年代起，随着晶体振荡器的成功研制，小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟，广泛应用在电子计时器和其他各种计时领域，成为人们日常生活中主要使用的计时装置。

在太空探测、通信导航、天文观测、工业自动化等领域，时间常常需要精准到万分之一秒，甚至百万分之一秒。原子钟是世界上已知的最精确的计时器，它采用了最准确的时间测量和频率标准，这也被认作是国际时间和频率转换的基准，广泛应用于控制电视广播和全球定位系统卫星的信号传递。

图2 我国第一台铷原子钟（图/上海光学精密机械研究所）

原子钟使计时标准从天文学的宏观领域转向了物理学的微观领域，历史由“天文秒”时代进入“原子秒”时代，人类对时间的测量和追踪正在越来越接近宇宙的本原。