计时工具的历史

千百年来，人类利用各种装置来计时和报时。目前正在使用的六十进制时间系统，大约可以追溯至公元前2000年的苏美尔。古埃及把一天分为二个部分，每一部分再分为12个小时，并使用大型方尖碑追踪太阳的移动。他们还发明了水钟（water clocks）。很可能是最初使用水钟的地方，后来在埃及以外的地方也有人使用水钟；古希腊人就经常使用叫作clepsydrae的水钟。约在同一时间，相信商朝已使用泄水型水钟──漏壶；而漏壶可能早在公元前2000年，从美索不达米亚传入。其他古代计时器包括有蜡烛钟──在中国、日本、英格兰，和伊拉克使用；日晷──在印度和西藏，以及欧洲一些地区广泛使用；此外，还有沙漏，运作原理和水钟一样。

最早期的计时工具日晷依靠太阳的阴影来报时，所以它们在多云的天气或夜间，没有用处；而且如果“晷针”跟地球的轴心不一致，这些计时工具要依季节的变化，而重新校准。

第一个使用擒纵器（escapement）的钟，于八世纪在中国出现。11世纪，穆斯林工程师发明以重量驱动（weight-driven）的钟。14世纪初，欧洲发明机械钟。直到20世纪，机械钟都是标准计时装置。在20世纪，发明了石英振荡器，然后是原子钟。石英振荡器最初只在实验室使用，可是由于它容易生产而且准确，所以后来用在手表上。原子钟比所有计时装置都准确，所以可以用于校准其他钟表；并且用来计算原子时和协调世界时。

## 早期的计时工具

许多古老的文明会观察天体──通常是太阳和月亮，以确定时间、日期和季节。现今在西方社会通用的六十进制时间系统，可追溯至约四千年前的美索不达米亚和古埃及；后来，中美洲地区开发类似的系统。

第一个日历，可能在冰河时代末期，由狩猎收集者创造。他们利用如树枝和骨头等工具，记录月相和季节。世界各地──特别是在史前时期的欧洲──都有石阵，例如英格兰的巨石阵。石阵相信是用来预测昼夜平分点（equinoxes）或至点（亦称二至点；solstices）等的时间。那些巨石文明（Megalith）没有留下历史纪录；因此，现代对他们的日历或计时方法，所知甚少。

<image>

<image>

### 公元前3500年至公元前500年

日影钟是第一个能够量度小时的装置。已知道最古老的日影钟来自埃及，用绿片岩制造。古埃及约在公元前3500年建造的方尖碑，也是最早的日影钟之一。

埃及的日影钟把白天分为十个部分，另外加上4个“微亮小时”── 早上 2个、傍晚 2个。有一种日影钟由一枝长杆和高架横杆组成，长竿上有5个不相等的记号，横杆的阴影会投射到记号之上。横杆在早上指向东方，在正午会指向西方。方尖碑的运作方式差不多：阴影投射到围绕它的记号上，埃及人从而可以计算时间。方尖碑可以指出上午或下午、夏至或冬至。

现在己知最古老的水钟，在法老阿蒙霍特普一世（公元前1525年至1504年）的墓中发现，这显示古埃及最先使用水钟。另一方面，相信沙漏也是由古埃及人发明。此外，埃及自公元前600年，开始使用叫作merkhet的铅垂线在晚间量度时间。这工具的铅垂线跟勾陈一（北极星）一致，形成南北子午圈。当特定的星宿横过线时，就能准确报时。

### 公元前500年至公元前1年

柏拉图把水钟（漏壶）引进古希腊之后，水钟成为古希腊广泛使用的计时工具。柏拉图也发明了一种以水钟为基础的闹钟。希腊人和新巴比伦王国保存计时记录，作为组成天体观察的重要部分。漏壶也用在希腊法庭，和后来的罗马法庭上。

虽然水钟比日影钟更好用──水钟在室内、夜间或天空多云的日子都可以使用；不过它们并不准确。因此，希腊人寻求方法改善他们的水钟。到了公元前325年，水钟的准确度大为改善，虽然仍然及不上日影钟。这时的钟有钟面，其上有时针，令人更容易读准时间。水钟较常见的问题是水压：当容器注满水时，增加的水压令水流更迅速。在公元前100年，希腊和罗马的钟表专家，开始解决这个问题；其后的几个世纪，在这一方面得到持续改善。为了抵消高水压增加的水流量做成的影响，装水的容器造成圆锥形状，上阔下窄。于是虽然水平面下降的距离相等，但当容器水满的时候，流出的水要比水半满的时候多。然而，还是有些问题没有得到解决：如温度的影响。天气寒冷的时候，水流比较缓慢，甚至可能冻结。

虽然希腊人和罗马人大大改进水钟的技术，他们仍然继续使用影子钟表。据说数学家和天文学家比提尼亚的狄奥多，发明了全球通用的日晷。这个日晷在地球上任何地方都能准确报时，不过现代对它所知甚少。罗马人在奥古斯都大帝统治期间，建造有史以来最大的日晷──奥古斯都日晷。其晷针是从赫利奥波利斯而来的方尖碑。

### 公元1－1500年

#### 水钟

李约瑟推测水钟──漏壶可能从两河流域传入中国，时间可能早达公元前二世纪的商代，最迟不会晚于公元前一世纪。由汉代（公元前202）开始，泄水型漏壶逐步被受水型漏壶取代，其特色是浮在受水壶水面上的漏箭，随水面上升指示时间。

#### 蜡烛钟

蜡烛钟在何处及何时首次使用己不可考。不过，最早提到蜡烛钟的，是一首写于520年的中国诗。诗中说，燃烧的蜡烛是夜间量度时间的方法。直到10世纪初，日本一直使用类似的蜡烛钟。

#### 香钟

远东地区除了使用水钟、机械钟和蜡烛钟外，也会使用香钟计时。中国大约在六世纪首先使用香钟。在日本的正仓院，仍保存了一个香钟，不过在其上的文字不是汉文，而是梵文。由于佛教经常使用梵文，因此爱德华．沙菲尔推测香钟在佛教仪式中使用，而且是由印度人发明。香钟跟蜡烛钟很相似，不过香烧均匀而且无火焰，因此在室内使用时，比蜡烛钟更准确和更安全。

#### 使用擒纵器的水钟

第一使用擒纵器的水钟，由密宗僧人兼数学家一行和政府官梁令瓒建于长安 这个擒纵器水钟是个天文数仪器。一行的擒纵器钟仍然是一个水钟，因此会受温度变化的影响。在976年，张思训解决了这个问题。他用汞（水银）取代水，汞在温度下降到摄氏零下39度（华氏零下38度）时，仍然是液体。

#### 天文钟

元祐元年（1086年）苏颂检验太史局的浑仪时，决心要将浑仪、浑象和报时装置结合。苏颂拜访吏部守当官韩公廉，取得张衡、张思训的“仪器法式大纲”。元祐三年（1088年）开始动工，元祐七年（1092年）“水运仪象台”竣工。

水运仪象台是一个类似于天文台，高约12米，宽7米，上下分三层；上层是浑天仪（天体测量之用），中层是浑象仪（天体运行演示），下层是司辰（自动报时器），全程用水力推动，可精确报时，李约瑟指这是欧洲天文钟的直接祖先。苏颂于绍圣初年著《新仪像法要》一书，详述水运仪象台的整体功能、零件150多种，60多幅插图。

水运仪象台原件在靖康之祸（1127年）时，金兵将水运仪象台掠往燕京（北京）置于司天台，在金朝贞祐二年（1214年）因不便运输被丢弃，而南宋时苏携保存的手稿因无人理解其中方法而无人能仿造。

## 近代计时工具

### 机械钟

<image>

<image>

机械钟由僧人一行和官员梁令瓒发明。至元明之时，计时器摆脱了天文仪器的结构形式，得到了突破性的新发展。元初郭守敬、明初詹希元创制了“大明灯漏”与“五轮沙漏”，采用机械结构，并增添盘、针来指示时间，其机械的先进性便明显地显示出来，时间性益见准确。

到14世纪，西方国家广泛使用机械钟。在十六世纪，奥斯曼帝国的科学家达兹·艾-丁发明机械闹钟。

### 摆钟

1583年，意大利人伽利略建立了著名的等时性理论，也就是钟摆的理论基础。1656年，荷兰的科学家克里斯蒂安·惠更斯应用伽利略的理论，设计了钟摆。第二年，在他的指导下，年轻钟匠哥士达（S. Coster）成功制造第一个摆钟。1675年，他又用游丝取代了原始的钟摆，这样就形成了以发条为动力、以游丝为调速机构，但摆钟外形较大，不方便携带

### 袋表

18世纪期间发明了各种各样的擒纵结构，为袋表（或称怀表）的发展奠定了基础。英国人乔治·葛咸（George Graham）在1726年完善工字轮擒纵结构；它和之前发明的垂直放置的机轴擒纵结构不同，所以使得袋表机芯相对变薄。另外，1757年左右，英国人汤马士·穆治（Thomas Mudge）发明了叉式擒纵结构，进一步提高了袋表计时的精确度。这期间一直到19世纪，产生了大批钟表生产厂家，为袋表的发展做出了贡献。

### 手表

1904年，飞行员阿尔拔图·桑托斯-杜蒙特要求他的朋友，法国制表匠路易士·卡地亚（Louis Cartier），设计一个他可以在飞行时使用的表。其实在1868年，百达翡丽已经发明了手表，不过当时这种女士的手镯表，只当作首饰。卡地亚创造了桑托斯（Santos）手表，第一只为男士设计而且实用的手表。

### 石英振荡器

1921年，华持·加廸（Walter G. Cady）制造第一个石英晶体谐振器。沃伦·马利逊（Warren Marrison J. W. Horton）和JW．霍顿（J. W. Horton）于1927年，在加拿大的贝尔实验室制造首个石英钟。之后几十年，因为由真空管组成的石英钟笨重，它只能设置于实验室中。

1967年瑞士人发表第一款石英表，1969年，精工制作了世界上第一个商业化生产的石英手表──雅士图（Astron）。它的准确性和低生产成本，石英钟表受欢迎。

### 原子钟

原子钟比所有计时装置都准确，数万年才会误差几秒钟，所以可以用于校准其他钟表。第一个原子钟于1949年发明，现陈列于史密森尼学会。美国国家标准局（又称国家标准技术研究所）的铯原子钟，每年的误差只有300亿分之一秒。

## 廷伸阅读

- Breasted, James H., "The Beginnings of Time Measurement and the Origins of Our Calendar", in Time and its Mysteries, a series of lectures presented by the James Arthur Foundation, New York University, New York: New York University Press, 1936, pp. 59–96.
- Lombardi, Michael A., NIST Time and Frequency Services, NIST Special Publication 432*, revised 2002.
- Merriam, John C., "Time and Change in History", Time and Its Mysteries, (see Breasted above), pp. 23–38.
- Millikan, Robert A., "Time", Time and Its Mysteries, (see Breasted above) pp. 3–22.
- Seidelmann, P. Kenneth, ed., Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac, Sausalito, Calif.: University Science Books, 1992.
- Snyder, Wilbert F. and Charles A. Bragaw, "In the Domains of Time and Frequency" (Chapter 8), Achievement in Radio, NIST Special Publication 555*, 1986.
- Thompson, David, The History of Watches, New York: Abbeville Press, 2008.

## 外部链接

- A walk through time
- Measuring time in ancient Egypt
- A history of the watch
- A basic Overview
- 古代计时工具