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。盡管鐘表已經淡出了不少人的生活，平時看時間有手機就夠了，但還是有不少人需要鐘表。

從個人佩戴的手表到家中牆上懸挂的石英表，從廣場大屏幕上的電子表到塔樓裡的機械鐘，鐘表有着各式各樣的形态。

現代鐘表的誕生高度依賴于工業革命的蓬勃發展。即使是最廉價、結構最簡陋的現代鐘表，其内部結構之精巧，也足以令古代的能工巧匠歎服。而在工業革命之前，計時裝置的發展經曆了一段漫長的歲月。

為了搞清楚鐘表準确計時的原理，我們不妨先來了解下古人的計時方法吧！

古代的計時裝置

日出而作、日落而息的農業勞作讓古人很久便發現了太陽的運行規律。人們發明了圭表、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了制造這類計時裝置。

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

位于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，人們又借助均勻流動的水流和沙子制成了漏壺、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、沙流的流動并非嚴格均勻的，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着的事物呢？意大利科學家伽利略給出了答案。

擺動的時鐘

大約600年前，伽利略無意間發現當教堂裡的吊燈在随風搖擺時，每次來回擺動的時間總是相近的。意識到這個現象非同尋常，伽利略随後準備了許多不同質量的重物和不同長度的繩索，将這些物件組合成了各種不同樣式的單擺，然後分别測量它們的擺動規律。最終伽利略發現了單擺的等時性原理：對于任意的單擺而言，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，而與懸挂哪種重物無關。

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，它遵循着最基本的力學規律，出現誤差也比較小，所以非常适合用來制作計時工具。

伽利略所設想的擺鐘示意圖 圖源：維基百科

在伽利略之後，荷蘭科學家惠更斯于1658年造出了第一座擺鐘，并出版了《擺鐘論》一書，詳細介紹了擺鐘的制作方法。後來，在英國科學家胡克、鐘表匠威廉·克萊門特和約瑟夫·尼伯等人的改進下，擺鐘制作技術日趨成熟，并逐漸進入千家萬戶，成為了常見的計時工具。

惠更斯擺鐘的複制品 圖源：芝加哥科學與工業博物館/蓋蒂圖片社eferrit

擒縱機構——擺鐘的心髒

那麼，單擺内部所蘊含的時間信号是如何傳遞給表盤指針的呢？這要歸功于被稱為鐘表的“心髒”的擒縱機構了。在擺鐘内部，擺錘通過擒縱機構獲取動力，并可在擒縱機構的幫助下控制表盤指針的轉動，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，與擺鐘的擺錘相連。

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，擒縱輪傾向于發生自由旋轉運動，不過被擒縱叉限制住了。随着擺錘的來回擺動，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旋轉，每次轉動的角度和所需時間都是基本一樣的。如此一來，擺錘的時間信号便通過擒縱輪傳遞給了擺鐘的其他機械結構，最終由表盤指針來指示時間。而擒縱叉對擒縱輪的這一制動和釋放環節就是“擒”和“縱”名稱的由來。同時，在擒縱叉控制擒縱輪轉動的時候，擒縱輪的輪齒又反過來對擒縱叉施加了推動作用，從而使擺錘獲得了持續擺動的能力。怎麼樣，擒縱機構的設計非常精巧吧！

擺鐘的進一步進化
擺鐘無法滿足所有場合下的計時需求。例如，擺鐘的體積非常龐大，不利于随身攜帶；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；随着科技的發展，擺鐘的準确性也逐漸力不從心，無法滿足較高的精度要求。針對擺鐘小型化的問題，惠更斯進一步将擺錘改良成了體積小巧的擺輪。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旋狀細彈簧結構安裝在一起，可以更精準地運行。這樣一來，笨重的擺鐘便進化成了小巧的腕表、懷表、挂鐘等。那麼，如何提高鐘表的精度，使它可以精确測量十分之一秒、百分之一秒甚至千分之一秒以上呢？1918年，法國物理學家朗之萬發現，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，人們便發現了石英晶體應用于高精度鐘表的可能性。1928年，貝爾電話實驗室的研究人員沃倫·馬裡森将機械鐘表裡的擺輪-遊絲系統替換成了石英晶體，發明出了石英鐘表。在電流的激勵下，石英晶體可以做到每秒振動1千萬次。通過安裝電信号放大、調節和轉換電路，便可以将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。由于這種高頻振動是石英晶體的物理特性，所以隻要保證了石英晶體的純度，便可以實現高精度計時。從此之後，石英表由于其質量可靠、成本低廉的優勢，迅速颠覆了傳統鐘表市場，與機械表平分秋色，頗受人們喜愛。

目前，高質量的石英表可以達到正負十萬分之一秒的誤差，也就是運行270年才會出現正負1秒的誤差。即使是質量較差的石英表，它的誤差也會在一萬分之一秒之内，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确度要求非常高的高科技領域，石英表的精度就不再夠用了。例如，在北鬥全球定位系統中，多個導航衛星之間需要互相傳遞電波信号來确認位置。由于電波信号的傳輸具有延遲現象，因此需要精确計算延遲時間。經測算，倘若導航衛星所攜帶鐘表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，石英表是無法勝任導航任務的。為此，科學家們又提出利用原子的能級振蕩來制作原子鐘。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，具有無可比拟的精确度。制造于1999年的铯原子鐘已經可以達到運行兩千萬年不差一秒；而2020年科學家借助量子糾纏設計的高精度原子鐘則達到了運行140億年不差一秒的精度。

這個钍原子鐘隻需要一個微不可察的钍原子便可以實現高精度計時 圖源：scitechdaily

自然界中存在着大量周期變化着的現象，從宏觀的日月運行、單擺晃動，到微觀的晶體振動、原子振蕩，鐘表的準确計時能力離不開這些掌控着世間萬物的物理運動規律。希望在不遠的将來，我們可以發現一些更加精妙的周期現象，并以此制造出更加奇妙的鐘表！
參考文獻：

[1] 呂章申主編. 文物裡的古代中國 中 秦至五代時期[M]. 北京：中國社會科學出版社, 2010.

[2] 郭治編著. 鐘表史[M]. 沈陽：遼甯少年兒童出版社, 1996.06.

[3] （蘇聯）И.С.别遼科夫著；劉元亨，李寶善，羅耀傑，喬萬勝等譯. 鐘表機構[M]. 北京：中國财政經濟出版社, 1963.11.