掌控时间

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2月 2012

Dominique Fléchon 的《掌控时间》一书记录了历史上对“时间”复杂的认知过程,同时也讲述了时间计量仪器的发展过程。这本配有精美插图的著作有近500页,从机械钟表的起源到当今著名瑞士钟表品牌制造的杰作,完整涵盖了人类时间计量仪器的发展史 。

我们的远古祖先包括两万多年前旧石器时代的狩猎者。由搜证到的用作雕刻的骨头碎片推断,那时的人们对每天时间的具体概念了解甚少,而满足于用标记来计算过去的天数。不过,随著新石器时代农业的诞生,人类对时间的掌控取得重大进步。早期农民需要通过预测季节周期来推断种植和收获庄稼的最佳时间。我们只需看看英国的巨石阵和爱尔兰的纽格莱奇幕等纪念碑式的宏伟遗迹,就能了解当时确定二至点的重要性。

随著文字的发明,人类由史前时期进入文明时期,让各大文明能够为后代记录事件,首个日历由此诞生。早在公元前3000年,两河流域已根据太阳运转、季节周期和月亮盈亏来使用日历。两千多年以后,古巴比伦人发明了同时运用太阳年与太阳月、一年为365.2469 天的另一种日历,后来被犹太人、阿拉伯人和基督教沿用。

由于太阳是一天开始和结束的标志,日晷(亦称影子时钟)就是人类早期发明的时间计量仪器之一。通过太阳光线在石板上留下的阴影所对应的刻度来读出具体时间。公元前16世纪,埃及人发明了漏壶(也叫水钟)来弥补日晷在晚上和阴天的不足。水钟里面的水(就是一个内部有刻度的水桶)慢慢从底部的小孔流出,让人能从内部刻度读出已经过去的时间。

公元前800年,雅典的建立开啓了一段教育和发明时期,至今仍为我们带来无限惊喜。古希腊人甚至制造了一个直到2000年通过特殊扫描仪才发现其中真正秘密的齿轮装置。钟表运作背后的机械理论早在当时已经出现。但是直到2000年之后人类才真正制造出一个可对应的驱动力。

罗马人曾试验过多种均告失败的日历(连续几年的天数相差多达30天)。后来凯撒大帝在全国呼吁寻找最具智慧的日历设计。结果,罗马儒略历与我们今天熟知的日历愈加接近,一年从一月一日开始,持续365天,每四年多一天。同时,现在我们还要感谢罗马人一周七天,星期天设为休息日的发明。

随著深入阅读《掌控时间》,我们发现古希腊与罗马时期和中世纪在成就上的巨大差距。下一个测量时间的重要发明星盘直到12世纪才出现,而这一发明却标示著欧洲文明进入“黑暗时代”。星盘可以显示天空的“真正时间”和星体位置,通过计量星体与地平线的角度还可以确定纬度。

机械钟表的发源地和发明者至今仍是一个未解之谜。然而,追溯到1386年英国的索里斯堡大教堂的机械钟设计,就能发现早在14世纪就出现的首个擒纵机构。这个“隐藏的链节”通过调节以重量为动力的回转轮,驱动齿轮传动链运动。首个擒纵机构属于机轴擒纵机构,机轴结构由一个顶杆和两个擒纵叉组成。冠状齿轮作用于机轴结构,推动平衡轮运动,从而带动钟摆运动,促使钟表内部振荡运动。

15世纪末,首次出现文字记载钟表中弹簧的应用,历史上的重要文书Almanus Manuscript描述了一批测时器,通过丰富的文字和插图展示了上弹簧发条的钟摆、月亮盈亏的显示、闹钟和首次出现的以分钟为单位的钟面。弹簧的使用有效地克服了钟表沉重这一缺点,引领钟表小型化的潮流,从而诞生了首个便携式时钟。

随著技术再一次高度密集发展,15世纪末第一个手表诞生,当时人们像项鍊一样佩戴手表。然而,1656年荷兰人Christiaan Huygens在加利略的钟摆结构基础上,通过改良和简化,发明了首个真正的机械钟表。钟摆结构的应用增加了钟表的准确性,从原来误差15分钟/天缩短到10或15秒钟。

时间的掌控对于人类与海洋的关系尤为重要,因为航海中谁能解决“经度问题”,谁就会取得优势。在沿海航行中,经度能帮助确定航船的具体位置。但是传统的“航位推测法”存在许多不足,产生的误差也经常导致海难。在航海中得知准确的时间似乎能解决这一难题,因为根据具体时间与当地正午时分的对比能够准确推算出具体经度。

带著这样的想法,法国国王路易十四派遣Christiaan Huygens尝试解决这一难题。 Huygens已经制造出可以用作助航设备的钟表,但他的钟摆并不能准确推算经度,因为锺表的运行受到航船摆动的影响。为了解决这一问题,他发明了摆轮游丝系统,后来成为机械钟表制造的核心技术。

1714年英国颁布经度法令,分配2万多英镑的奖励资金,鼓励人们尝试发明能够准确确定经度的方法(误差须保持在半经度以内)。 Jeremy Thacker尝试著把钟表放入真空容器中,他把自己的发明命名为“chronometer”,当时他认为这一名词以后会被用作形容高度精密的仪器,但是,他的发明并没有达到法令规定的精确度。

由温度引发的阻力是影响Thacker钟表精确度的原因,John Harrison通过他发明的一系列航海经度仪解决了这一问题。系列中最新一款是H4大尺寸怀表,在从Plymouth到Barbados的航海测试中,根据记录,这款怀表的误差为平均0.834秒/天,远远小于经度法令中规定的半经度所需3秒/天的误差。

经度问题解决之后,全球机械钟表制造行业开始专注于机械手表的小型化、简易化和其他方面的进一步改善。 19世纪末,Abraham Louis Breguet宝玑陆续发明了“永久”自动手表(1780)、万年历(1795)和陀飞轮(1801)。这些发明稳固了他在历史上作为最多产机械钟表创造者的地位,也为锺表的工业革新奠定了基础。

工业革命时期,钟表业由原来日内瓦几个钟表匠的小工作坊转变为更大型的工厂自动化生产。 Frédéric Japy推动了这一变化的进程。早期在瑞士Le Locle当Jean Jacques Perrelet的学徒,之后Japy在法国Beaucourt正式经营自己的生意,以较低的成本大规模生产钟表。随著Japy以多达十万个钟表大量占有市场,1801年瑞士钟表匠开始在纽沙特尔的Fontainemelon州建立自己的工厂。

随著工业化的推进,科技进程也不断加快。 1821年,出现又一重要新发明——计时器。法国钟表匠王Nicolas Rieussec专门为巴黎赛马发明了一款计时仪器,从而为计时器(chronoscope,亦被广泛误传为chronograph)的发展作铺垫。小型计时器被广泛应用于医学(用于把脉)、战争(测距)和工程(测量速率)。

1884年人类在时间的掌控上又向前迈进一步。在华盛顿举行的国际子午线会议上,经代表投票决定,格林尼治子午线被确定为世界本初子午线,正式确立了格林尼治子午线的参考地位。此前,早在1767年,英国第五任皇家天文学家Nevyl Maskelyne在首版《航海天文历》( Nautical Almanac)中已建议用格林尼治子午线作为参考,后来也被全球航海家沿用。会议还把全球划分为24个时区,时区制一直沿用至今。

20世纪末,腕表正式诞生,在机械钟表小型化的进程上开启了新的挑战,同时预示著腕表将被潜水员、飞行员、马球队员甚至是宇航员广泛使用,现在一些著名的瑞士钟表品牌还在生产相关的款型。然而,仅在30年时间里,首个石英电子钟表诞生,对瑞士钟表生产业带来前所未有的危机。仅仅20多年以后,首个原子钟出现,成为当时最精确的计时工具。

20世纪七八十年代,电子时代促进了钟表行业的发展,当时手表功能多样,可以用作闹铃、计算器、资料库甚至是电视遥控器。传统的机械表看似濒临灭绝的边缘。甚至高频石英手表也能用作航海计时器,机械钟表还有其他存活的可能性吗?

历史证明,Nicolas G. Hayek帮助振兴了瑞士手表产业,凭藉品牌Swatch斯沃琪有效应对了来自日本的强劲竞争对手。 斯沃琪以其简单、价格合理和不断更新的外观大受欢迎,之后更为一大批传统钟表品牌振兴奠定资金基础,最终斯沃琪成为全球最大的钟表制造集团。然而,有趣的是, 斯沃琪专门为日益依靠信息技术的全球化社会设计的互联网时间(“Beat”)一直没有得以流行。由此看来,我们一直以来都对每时每分每秒如此著迷,而这也是人类历史上一直努力的方向。

Dominique Fléchon在《掌控时间》的最后一章展示了瑞士主要钟表品牌的奢华款式,由此看来,机械钟表制造将越来越强大。虽然我们一直以来都很大程度地掌控著时间,但是在一个几平方厘米大的手表里面还有很大的发展可能。 De Bethune最近提出的革命性的résonique擒纵机构(详见本期Pierre Maillard的文章“蒙古包与方程式”)和今年巴塞尔表展上HYT展示的流体机械时计就是我们人类追求每分每秒更为精确的好例子。

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