計(jì)時(shí)工具的演變周志敏第1頁(yè)/共18頁(yè)時(shí)間觀念時(shí)間觀念是來(lái)自人類觀察感知到的自然時(shí)間或物理時(shí)間。人類生活在地球上，肯定很早就對(duì)寒暑更替、日升月落這些時(shí)間現(xiàn)象有了感受，所以人有時(shí)間觀念肯定是很早的事情，在人類社會(huì)形成的時(shí)候，我相信就已經(jīng)有一定的時(shí)間觀念了。而四季、月圓缺和日升落，應(yīng)該自然而然成為最早的時(shí)間標(biāo)志吧。第2頁(yè)/共18頁(yè)這是北京古觀象臺(tái)的圭表。圭表被認(rèn)為是日晷的前身，但它的具體誕生年代無(wú)從考證，最早的記錄出現(xiàn)在約三千年前的西周。水平放置用于讀數(shù)的叫圭，指向北方，直立的桿叫表。它的主要用途是劃分季節(jié)和制訂歷法。元朝郭守敬對(duì)圭表進(jìn)行了改良，解決了表影邊緣不清晰的問題，使測(cè)量精度大大提高。圭表的使用一直延續(xù)到明清時(shí)期。第3頁(yè)/共18頁(yè)古中國(guó)、希臘和羅馬也各自發(fā)明了日晷。公元前3500年到500年，它是各地廣泛使用的計(jì)時(shí)工具。晷面上的一系列的同心圓讓節(jié)點(diǎn)（指針的端點(diǎn)）指示出日期，這樣的日晷不僅是鐘表，還可以當(dāng)成日歷來(lái)使用，晷影顯示時(shí)間，節(jié)點(diǎn)顯示日期。上圖是紫禁城中的日晷，這是一種赤道式日晷，指針平行于地球自轉(zhuǎn)軸，盤面平行于赤道。夏季，陽(yáng)光照射在盤面北側(cè)，冬季陽(yáng)光照射在南側(cè)，因此計(jì)時(shí)的只有一個(gè)盤面，在分點(diǎn)前后讀取時(shí)間就不那么方便了。第4頁(yè)/共18頁(yè)這是平面式日晷，需要經(jīng)過計(jì)算來(lái)確定安裝的方位。大約在中世紀(jì)前后，人們發(fā)明了便于攜帶的日晷。這是最早的折疊式日晷。這個(gè)黃銅日晷是1742年都柏林制造的，當(dāng)時(shí)的許多便攜式日晷附有指南針，以精確確定方向。在北半球，日影順時(shí)針移動(dòng)，在南半球則是逆時(shí)針移動(dòng)。在南半球的夏季，均時(shí)差（日晷顯示的時(shí)間和鐘表測(cè)算的時(shí)間的差值）比較大，因此日晷在南半球相對(duì)少見。一些精密的日晷被稱作日光天文鐘，有的離世界時(shí)相差僅僅一分鐘。用影子測(cè)算時(shí)間直觀而方便，但它依賴于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，在陰雨天無(wú)法發(fā)揮作用。第5頁(yè)/共18頁(yè)最早的機(jī)械計(jì)時(shí)工具是漏壺，也叫水鐘，歷史久遠(yuǎn)得無(wú)法考證它的發(fā)源地和誕生年代。關(guān)于它的歷史記載最早可以追溯到公元前16世紀(jì)的古巴比倫和古埃及，但沒有保留下來(lái)的實(shí)物。最簡(jiǎn)單的水鐘的工作原理是讓水流出容器，通過容器中剩余的水量判斷時(shí)間，這種叫做泄水型漏壺，后來(lái)逐漸被受水型漏壺取代。上圖為雅典古代市場(chǎng)博物館陳列的泄水型水鐘，制造于公元前5世紀(jì)晚期陶土制水鐘的復(fù)原品古波斯的水鐘，中間有一個(gè)孔的碗漂浮在水面上，碗里盛滿水的時(shí)候它會(huì)下沉，需要把碗撈起來(lái)繼續(xù)計(jì)時(shí)。人們用小石子記錄碗下沉的次數(shù)。希臘人和羅馬人為注入式水鐘加上了傳動(dòng)和擒縱裝置，提高了它的精度。擒縱器簡(jiǎn)圖第6頁(yè)/共18頁(yè)改進(jìn)后的精確水鐘逐漸傳入歐洲。李約瑟認(rèn)為水鐘可能在周朝由美索不達(dá)米亞傳入中國(guó)，也有人認(rèn)為中國(guó)人獨(dú)立發(fā)明并改進(jìn)了水鐘，并傳到了日本和韓國(guó)。圖為元延祐銅漏壺，多級(jí)設(shè)計(jì)能夠保證泄水壺的水壓穩(wěn)定，使計(jì)時(shí)更加精確。這組漏壺原置于廣州，現(xiàn)藏中國(guó)歷史博物館。1090年（北宋時(shí)期），蘇頌復(fù)原的水運(yùn)儀象臺(tái)完工，耗時(shí)兩年。它最早是東漢張衡設(shè)計(jì)制作的，后來(lái)失傳。它不僅是一個(gè)精確的計(jì)時(shí)工具，還能觀測(cè)天體運(yùn)行，顯示天文信息，堪稱最早的天文演象館和天文鐘。可惜的是，這臺(tái)水運(yùn)儀象臺(tái)在靖康之亂后被毀，后人沒能再?gòu)?fù)制成功。第7頁(yè)/共18頁(yè)沙漏最早出現(xiàn)于中國(guó)、希臘、意大利等地，有人認(rèn)為它發(fā)源于中世紀(jì)的歐洲，最早可能出現(xiàn)于公元8世紀(jì)，但它直到14世紀(jì)才憑借航海和手工業(yè)的突飛猛進(jìn)，在歐洲廣泛普及。最早的文字記錄是當(dāng)時(shí)的航海日志。由于船只顛簸和海上天氣多變，日晷和水鐘并不適合用于航海，沙漏因此成為船員的最佳選擇。這是意大利畫家安布羅吉奧·洛倫澤蒂的作品《好政府的寓言：錫耶納的公社》局部，節(jié)制女神捧著沙漏。這幅畫創(chuàng)作于1338年，是關(guān)于沙漏最早的歷史圖片記載。當(dāng)時(shí)沙漏在陸地上主要用于為宗教活動(dòng)和會(huì)議計(jì)時(shí)。麥哲倫航海時(shí)在船隊(duì)的每一艘船上放置了18個(gè)沙漏。最著名的沙漏大概是元代書法家詹希元于1360年制作的五輪沙漏。根據(jù)宋濂的《五輪沙漏銘》，他在中輪上添加了一個(gè)機(jī)械撥動(dòng)裝置，使站立在沙漏上的兩個(gè)木人能夠擊鼓報(bào)時(shí)。據(jù)游潛的《博物志補(bǔ)》，詹希元是為了解決漏壺中的水冬天會(huì)結(jié)冰的問題而發(fā)明沙漏的，這是中國(guó)最早的沙漏。公元1500年后，由于機(jī)械鐘表的普及，沙漏漸漸衰落了。第8頁(yè)/共18頁(yè)為了擺脫環(huán)境的影響，人們開始尋求更加穩(wěn)定的計(jì)時(shí)工具，所以對(duì)普適性物理規(guī)律的利用可以說(shuō)是一種必然。利用重力的水鐘可以說(shuō)是機(jī)械鐘表最早的嘗試，而現(xiàn)代鐘表的歷史應(yīng)該從擒縱器開始。它能穩(wěn)定地釋放機(jī)械能，像脈搏一樣實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)。它最早由古希臘拜占庭的斐羅（PhiloofByzantium）發(fā)明，用水力驅(qū)動(dòng)，但最初卻被應(yīng)用于機(jī)械式盥洗臺(tái)上的注水裝置。1502年，德國(guó)鎖匠和鐘表制作者PeterHenlein用鐵和螺旋彈簧制作了第一個(gè)懷表。左圖的懷表也是他的作品，大約制作于1510年。因?yàn)镻eterHenlein的家鄉(xiāng)是紐倫堡，最早的懷表也被稱為紐倫堡蛋（Nuremburgegg）。第9頁(yè)/共18頁(yè)鐘表制造業(yè)在15和16世紀(jì)飛速發(fā)展。下圖為法國(guó)大革命期間的時(shí)鐘，外圈有24個(gè)小時(shí)，內(nèi)圈采用十進(jìn)制。伽利略在1582年發(fā)現(xiàn)了單擺等時(shí)性原理，1656年，荷蘭物理學(xué)獎(jiǎng)惠更斯在此基礎(chǔ)上給出了單擺的運(yùn)動(dòng)方程，并設(shè)計(jì)了擺鐘。它運(yùn)用了單擺的原理，用彈簧驅(qū)動(dòng)。1657年，儀器制造商SalomonCoster據(jù)此制作了擺鐘。直到二十世紀(jì)30年代，擺鐘都是世界上最精確的時(shí)鐘。1868年，百達(dá)翡麗制作了世界上第一塊手表，將它送給了匈牙利的一位伯爵夫人。那段時(shí)間，手表一直是一種女士裝飾品。第10頁(yè)/共18頁(yè)鐘表的技術(shù)逐漸成熟后一大波的品牌開始出現(xiàn)百達(dá)翡麗、寶璣、萬(wàn)國(guó)、愛彼、卡地亞、勞力士、江詩(shī)丹頓、伯爵、積家、歐米茄第11頁(yè)/共18頁(yè)1695年，英國(guó)湯姆平發(fā)明了工字輪擒縱機(jī)構(gòu)。后來(lái)，同國(guó)的格雷厄姆發(fā)明了靜止式擒縱機(jī)構(gòu)。1728到1759年，航海鐘問世。1765年，自由錨式擒縱機(jī)構(gòu)誕生。1797年，美國(guó)人伊萊·特里（EliTerry）獲得一個(gè)鐘的專利權(quán)。他被視為美國(guó)鐘表業(yè)的始祖。1840年，英國(guó)的鐘表匠貝恩發(fā)明了電鐘。1946年，美國(guó)的物理學(xué)家利比博士弄清楚了原子鐘的原理。于兩年后，創(chuàng)造出了世界上第一座原子鐘，原子鐘至今也是最先進(jìn)的鐘。它的運(yùn)轉(zhuǎn)是借助銫、氨原子的天然振動(dòng)而完成的，它可以在300年內(nèi)都能準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn)，誤差十分小。18到19世紀(jì)，鐘表制造業(yè)逐步實(shí)行了工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)，開始進(jìn)入石英化時(shí)期。21世紀(jì)，根據(jù)原子鐘原理而研制的能自動(dòng)對(duì)時(shí)的電波鐘表技術(shù)逐漸成熟。第12頁(yè)/共18頁(yè)十九世紀(jì)末期，中國(guó)造鐘工藝達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。1875年由上?！懊览A”作坊制造的南京鐘，屏風(fēng)式樣，鐘面鍍金，鐫刻花紋，以造型古樸典雅、民族風(fēng)格鮮明和報(bào)時(shí)清脆、走時(shí)準(zhǔn)確而聞名于海內(nèi)外，曾于1903年在巴拿馬國(guó)際博覽會(huì)上獲特別獎(jiǎng)。新中國(guó)成立后，我國(guó)鐘表工業(yè)得到迅速發(fā)展，取得了令人矚目的成績(jī)。1955年由天津、上海試制出第一批國(guó)產(chǎn)手表。經(jīng)過三十多年來(lái)不斷地進(jìn)行技術(shù)改造和技術(shù)改進(jìn)，我國(guó)手表行業(yè)已形成具有相當(dāng)生產(chǎn)能力和配套完整的工業(yè)體系。1988年手表產(chǎn)量達(dá)6700多萬(wàn)只，其中石英電子表2900多萬(wàn)只，手表產(chǎn)量居世界第四位。在品種方面，已成批生產(chǎn)機(jī)械男表、女表、日歷表、雙歷表、自動(dòng)表、懷表、秒表、數(shù)字式和指針式石英表等。在質(zhì)量上，手表的走時(shí)精度已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的水平，現(xiàn)較為出名的有東風(fēng)、上海、寶石花、海鷗等牌號(hào)。第13頁(yè)/共18頁(yè)從1924年2月5日開始，英國(guó)格林尼治皇家天文臺(tái)外面的24小時(shí)制電子時(shí)鐘每小時(shí)向全世界發(fā)送一次調(diào)時(shí)信息，定義了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。1927年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的WarrenMarrison和J.W.Horton根據(jù)石英晶體的正反壓電效應(yīng)發(fā)明了石英鐘。1967年，瑞士人根據(jù)同樣的原理制作了第一塊石英表。石英鐘表在溫度變化不大的情況下每天的誤差不到0.5秒。原子鐘的出現(xiàn)終結(jié)了石英鐘的輝煌。世界上第一座原子鐘建于1949年，位于美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所。第一座準(zhǔn)確的原子鐘于1955年建造，位于英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室。1967年，第十三屆國(guó)際度量衡會(huì)議采用銫-133原子鐘所發(fā)出特定波長(zhǎng)的頻率，作為秒的基準(zhǔn)依據(jù)。當(dāng)此原子鐘某特定波長(zhǎng)所發(fā)出的光振動(dòng)9,192,631,770次所經(jīng)過的時(shí)間，定義為一秒。下圖為瑞士的銫原子鐘，每三千萬(wàn)年才會(huì)誤差1秒，這是人類計(jì)時(shí)技術(shù)目前能夠達(dá)到的頂峰了。第14頁(yè)/共18頁(yè)MOTO360AppleWatch現(xiàn)在智能設(shè)備的發(fā)展讓時(shí)間有了更多的表現(xiàn)形式。第15頁(yè)/共18頁(yè)從日出而作日落而息，到今天用原子的脈搏精確測(cè)量時(shí)間，人類探索自然的腳步從未停止。我們永遠(yuǎn)在接近絕對(duì)零度，接近