計時簡史（下）

引子

在《計時簡史（上）》中，我們回顧了古人利用智慧和大自然的奧妙構建了計時工具，為生產、生活帶來了極大的便利，推動了社會的發展。但是，古代計時工具有很多局限性，尤其精度難以滿足需要。隨著社會的進步，人類開始系統地認識科學，直到進入科學大發現的近代，真正意義上的鐘錶才開始登上歷史舞台。

今天，就讓我們文接上回，來談談近代以來人類計時史的新篇章。

機械鐘

在科學大發現的時代，計時的故事開始於義大利的著名科學家伽利略。1582年伽利略在義大利比薩大教堂聽取佈道時，注意到教堂里有一盞高高懸掛在屋樑上的油燈，點燈人每天給燈加油，然後順手將燈一放，那盞燈就左右晃動起來。經過多日的仔細觀察，伽利略發現燈每次擺動一個來回的時間都差不多。通過簡單計算，他發現一個規律：不管振幅大小，吊燈來回擺動一次的時間都是相同的。在更嚴密的實驗基礎上，伽利略總結出以下規律：單擺周期的平方與擺繩的長度成正比，而與振幅大小和擺錘重量無關。

吊燈與伽利略

（圖片來源：松鷹 《伽利略：吊燈擺動的啟示》）

伽利略發現了單擺的運動規律後，他意識到可以利用這個性質製作計時器：他第一次把自由擺動的單擺當作音樂家的節拍器，而他的一位醫生朋友則把單擺作為計時器來測量病人的脈搏。伽利略雖然發現了單擺的運動規律，但是並未繼續將此原理實用化。荷蘭科學家惠更斯在伽利略的基礎上深入研究，於1656年製作出擺鐘[1]。

中國科技館「科技與生活」展廳的展品「老爺座鐘」收錄了不同樣式的擺鐘模型，時至今日雖然鐘擺已經不再擺動，但留下來的精細的錶盤結構依然訴說著時間的滄桑。

展廳展品—老爺座鐘

自伽利略的發現和惠更斯的發明以後，依靠擺的等時性，以發條為動力源的機械錶發展了近300年，由於鐘錶發展逐漸精細小型化，後期的機械鐘錶已經很難發現是利用擺的等時性來進行計時的，但其基本原理仍與惠更斯的第一座鐘別無二至。中國科技館「科技與生活」展廳內陳列有「巨型手錶」展品，鏤空的背面為觀眾展示手錶內部複雜的齒輪擒縱機構，如果大家有興趣可以前來仔細觀察手錶的轉動過程。

展廳展品—巨型手錶

機械鐘的發明將人類帶入一個新的計時時代。但是即使歷經了300餘年的發展，時至今日國標優等品機械手錶一周的誤差也仍在±40秒左右[2]。但是隨著人類生產生活對時間精度的要求進一步提高，我們必須從根本上做出創新。

石英鐘

聊到這裡，相信大家可以深入地感受到，想要實現精準計時的核心——就是找到一個穩定且短暫的運動周期作為標準。運動周期如果越短（或頻率越高），則可以測量的時間也越精確。

如果說機械鐘利用機械振動的周期來計時，那麼以石英鐘為代表的電子鐘，則是利用電學振蕩產生的周期性電信號來驅動指針轉動實現計時。最早電子鐘的振蕩電路由電感器和電容器構成，稱為LC電路，但是其頻率的穩定性卻不大好，因此石英鐘便應運而生——石英晶體在集成電路作用下，可以提供更加穩定且短暫的信號周期（頻率高達幾萬赫茲）。1929年，科學家們用石英晶體代替LC電路振蕩器製成了石英鐘，大大提高了計時的準確性。經過測試，一隻高精度的石英鐘錶，每年的誤差僅為3-5秒。1942年，著名的英國格林尼治天文台開始採用石英鐘作為計時工具[3]。在中國科技館「科技與生活」展廳就有一件石英鐘的展品，大家可以前來參觀。

展廳展品—石英鐘

同樣道理，如果我們要發明比石英鐘更加精準的計時工具，則需要發現比石英晶體所輸出的信號頻率更高更穩定的信號。

原子鐘

量子力學的發展為更精確的時間測量提供了條件，科學家在1949年發明了更精確的計時器——原子鐘。

展廳展品—原子鐘

原子鐘裡面提供穩定而短暫周期信號的物質是原子。根據量子理論：當原子中的電子在不同能級之間發生躍遷時，會發射或吸收固定頻率的電磁波，而且其頻率相當高（如：銫原子鐘的電磁波頻率大約是石英晶體所輸出信號頻率的2000倍[4]）。因此，原子鐘就利用原子吸收或發射的頻率超級穩定的電磁波作為計時的標準。中國科技館「科技與生活」展廳就陳列著一台「原子鐘」展品。1967年第十三屆國際計量大會通過了以銫原子為基礎的原子秒定義，即一秒鐘為「不受外界干擾的銫原子(133Cs)基態超精細能級間發生躍遷的電磁波頻率的9192631770個周期」[5]。

我們每天使用的北京時間的基準就取自於原子鐘，此外，在對時間要求特別精確的場合，比如全球定位系統（GPS）及互聯網的同步也都採用了原子鐘。原子鐘的精度可以達到百萬年甚至數千萬年才誤差1秒，這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。

至此，我們的計時簡史就告一段落了。希望大家在了解日晷、滴漏、機械鐘、石英鐘、原子鐘各自原理的基礎上，能親身感悟到科學技術給我們的生活帶來的福祉，同時我們也相信人類探索計時工具的腳步遠未停止。如果大家有興趣，歡迎來到中國科技館體驗計時工具的魅力。

參考文獻

[1]伽利略與單擺[J].王渝生.科學世界.2012(1)

[2]機械秒錶國家標準 GB/T 22773-2008

[3]石英鐘：精確把握每分每秒[J].科技成果縱橫.2003（2）

[4]世界上最準的鍾-原子鐘[J].盧敬叄.中國計量.1996（9）

[5]原子鐘研究及其進展[J].伊林、陳徐宗.科學.2005（5）

中國科學技術館展覽教育中心

劉帥、李光明供稿

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