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文明的起源:20.机械计时工具

来源:互联网添加时间:2020/06/22 点击:

人类创造的世界光彩夺目,绚丽耀眼,令人赞叹称奇。它为什么是现在的这个样子?迎着阳光,在现代文明精致的面庞和魁梧的身躯后面,有一条长长的影子,从那里,可以看到岁月、历史和长路。

时间是什么?答案可以很简单,时间就是时间。但是爱因斯坦用相对论把这个问题搞得复杂了,受过唯物教育但对科学只是一知半解的人(比如说我自己)甚至会失去对时间的任何形象化或者概念化的理解:我知道时间不是那么简单的,爱因斯坦认为时间与空间、运动速度和宇宙有关系,但我说不出来那是怎么回事,所以我根本不知道时间是什么。其实我们可以忽略科学家在一个小圈子里遵循某种规则玩的高智商游戏,而去讨论我们最熟悉的“时间”。

古时候的人们注意到太阳的往复出现,和太阳在白天天空的不同位置,产生了以此作为社会协调合作和遵守某些约定的一个标准。太阳在天空某个特定位置的时候决定了人们会去做某些事:起床、吃饭、劳作、休息。

中国历史上,在汉代以前,人们把一昼夜分为100刻,用漏壶、漏箭等设备确定此时为某刻;汉代及以后,除了保留百刻制,还设计了一种测定太阳方位和日影长度的器物——圭表,并给一昼夜再加了一个十二时辰的时间标准;大概在隋朝,发明了日晷(gui);北宋时又将十二时辰分解为二十四时辰,称24“小时”。

14世纪,欧洲出现了一种以“冠状擒纵机构”为核心和各种大小齿轮组成的计时装置(有人说“擒纵机构”起源于中国宋朝,比如李约瑟写的《中国科技史》,但只是一面之词,没有更多证据)。擒纵机构可以用lock-unlock 的循环来实现机械能量的传递,这项技术最初被作为钟的动力来源(是用某种重物的重力来提供)。

大约在1510年代,发条已经出现,但应用到钟表上可能还不成熟,因为还没有某种设计将擒纵机构从动力源转换成发条能量的控制器。

意大利天文学家伽利略(1564-1642)在1580年代发现的“摆的等时性原理”被荷兰物理学家惠更斯(1629-1695)利用起来在1650年代发明了摆钟,这时候擒纵机构开始被用来控制发条的能量有规律地缓慢地释放,而不至于快速消耗完。擒纵机构也是现代机械表的核心部分,它决定了计时的精确性。

14世纪及之后的欧洲使用的是时分秒的时间标准,那种能自己不断运行(也需要隔段时间人工恢复动力)的机械钟,最开始只有时针,大概在1470年代出现分针,1660年代出现秒针。同时,机械钟表的制作工艺不断提高,钟表体积和走时精确性都在得到优化,钟的大小从钟楼到座钟,到怀表再到腕表,而精确性方面,是由于大航海时代的海上航行需要用精确的时间计算经纬度的迫切需求。

1880年代,法国人皮埃尔·居里(1859-1906,居里夫人的丈夫)发现了压电效应,以及1920年代石英晶体振荡器的发明和应用,为钟表能够提供更高的精确度带来了可能。

(压电效应简单来说,就是有些特殊物质,你碰它一下,它就在自身产生电位差;你给它通电,它就振动。石英就具有压电效应。举个例子您一下子就明白:1块钱1个的打火机,用来引燃的电火花从何而来?打火机内有一个小装置,抽烟的人都见过:里面有一小坨能产生压电效应的压电陶瓷,打火时的按压就是为了产生振动,让压电陶瓷生压产电。)

石英表在1960年代出现。石英(二氧化硅晶体,是一种天然矿石)能在通电后发生有规律的震动,那么拿一个标准的一秒时间来测量石英的震动次数——测得是每秒32768次——就能反过来用石英每震动32768次作为让钟表的秒针齿轮转动一次的标准。当然,实际驱动秒针齿轮的是电力。现代电子行业的大部分电路都需要晶体振荡器,因为它能与时间映射。只有少数简单的不与时间产生联系的电路才不需要,比如最简单的手电筒。

时间是一个与世界每一个角落的人的生产和生活密切相关的概念,因此它对于每一个人都必须要有实用的意义。中午12点,就是对于一个地点,地面上的物体在阳光的照射下产生阴影最短的时候。

而我们知道地球是圆的,它在自转,也在围着太阳公转,因此,太阳会在地球上产生无数个不同时间的“12点”,同样也会产生无数个不同时间的其它时间。西班牙马德里和中国北京的每一个相同“时间数”都会发生在不同的“时间点”。这就是个问题。

地球上人们的联系已经如此紧密,可不能让时间的不同把大家给搞糊涂了,因此,就必须要有局部区域统一而在全球有规律可循的时间。

1883年,全球主要国家确立了这样一条有关于时间的规范:以纵贯南北极和英国格林尼治天文台的一条线为本初子午线(0度经线),向东每隔15度经线增加1小时,向西每隔15度经线减少1小时,分和秒不变,同经度时间一致,全球共24个时区(15*24=360度),180度经线为国际日期变更线。举个例子:北京经度约为东经115度,比0度要大8个15度,因此当格林尼治时间是12点时,北京时间就是20点。

上图是格林尼治时间GMT与世界时间的对照图。参照图顶的时间加减规则,可以以格林尼治时间计算世界其它各地的时间,可以以其它各地时间计算格林尼治时间,也可以以一地时间计算另一地时间。

下期预告:神奇的美洲是地球上最瑰丽的奇葩,它拥有世界上所有的气候类型,居住着热情乐观的人民。15世纪的末期,欧洲人才发现了这里,并把它纳入现代世界。我们将简述地理大发现的历史,并分析为什么中国没有选择发展海洋探险事业。期待您的垂阅!