鐘錶技術史

鐘錶是一種計時儀器。鐘錶技術史就是不斷改進計時方法和提高計時精度的歷史。它大致可分為：利用天文景象和流動物質的連續運動計時、全部採用機械件的非週期控制計時、週期控制計時3個主要時期。

利用天文景象和流動物質的連續運動計時時期（約公元前5000～公元1300）遠古時期，人類就以太陽、月亮等週而復始的等速運動來計量時間，過着“日出而作，日入而息”的生活。隨着農、牧業的發展，為了較準確地計量時間以安排生產活動，人們遂開始創造計時儀器。最早的計時儀器是利用天文景象來計時的。以後，又出現了各種利用流動物質的連續運動來計時的儀器。

利用天文景象計時階段人類最早使用的計時儀器是利用太陽的射影長短和方向來判斷時間的。前者稱為圭表，用來測量日中時間、定四季和辨方位；後者稱為日晷，用來測量時間。二者統稱為太陽鍾。

約在公元前2000年，巴比倫出現了太陽鍾。公元前1300～前1027年，中國殷商時期的甲骨文上，已有使用圭表的記載。《詩經·國風·定之方中》篇有，“定之方中，作於楚宮。揆之以日，作於楚室……”。確切記載使用圭表的時間為公元前659年。

公元前1300年，日晷在埃及和美索不達米亞地區出現。

利用流動物質的連續運動計時階段圭表等太陽鍾在陰天或夜間就失去效用。為此人們又發明了漏壺和沙漏、油燈鍾和蠟燭鍾等計時儀器。

漏壺又稱水鍾。最早的水鍾是一個簡單的容器，其底部有一小孔，水從小孔流出，人們按其流量計時。印度、埃及、中國和希臘先後製造過各種水鍾。埃及最早的水鍾約造於公元前1400年。水鍾外壁用象形文字刻着埃及的12個月、尼羅河氾濫的時期、播種收穫的時期等；內壁刻有與12個月對應的不同長度的12時辰的刻度。中國的《周禮·夏官司馬》篇中載有“摯壺氏”，“掌挈壺以令軍井，……。及冬，則以火爨鼎水，而沸之，而沃之”。這説明至遲在春秋時期，周王朝已設有專職管理漏壺的官員，且已注意到外界温度對漏壺計時的影響。中國現存最早的一件漏壺出自西漢中期。漏壺呈圓筒形，三蹄足，近底部伸出一細管。壺蓋和提樑均開有長方形孔，便於佈置刻箭。刻箭立於浮標上，能隨漏壺內盛水的增減而升降，從而指示時間。

公元1世紀左右有了沙漏,又稱沙鍾。它是利用沙從一個容器內通過一個小孔漏到另一個容器來計算時間的。一般用來測量時段，如一刻鐘、半小時等。

幾乎與沙鍾同時出現了油燈鍾和蠟燭鍾。油燈鍾是把時間刻度標在盛油的玻璃器皿側面，油的水平線因燃燒消耗而下降，據此可看出時間的流逝。蠟燭鍾是將時間刻度標在蠟燭的側面。蠟燭燃燒後逐漸縮短，據此可指示出時間。油燈鍾和蠟燭鍾統稱為火鍾。

上述這些鐘的計時精度雖然很低，但能適應當時的社會經濟發展，滿足人們生活的要求。

單純利用水的流動來計時有着許多不便。於是，人們逐漸發明了利用水作為動力，以驅動機械結構來計時。公元117年,中國東漢的張衡製造出大型天文計時儀器─漏水轉渾天儀。它用漏水驅動渾象進行天文測量，並通過齒輪等機械結構顯示日曆，初步具備了機械性計時器的作用。725年左右,中國唐代的一行和梁令瓚製成水運渾象。它以水力帶動渾象運轉，進行天文測量，並通過齒輪系和日、月、二輪環分別顯示日、月，通過兩個木偶分別擊鼓報刻、撞鐘報晨。水運渾象的自動報時，開創了中國獨特的天文鐘傳統。1086～1092年，中國北宋的蘇頌和韓公廉在京城開封製成一座水運儀象台。這座大型天文儀器，集渾儀、渾象和報時裝置於一身，是一座上窄下寬、底為正方形的高台木結構建築。全台分三隔：上安渾儀,中設渾象,下置報時裝置和動力機械。通過水力驅動機械系統，可以帶動木人按時持不同時辰牌出現於樓口,並採用搖鈴、敲鐘、擊鼓方式自動報時;夜間則用擊鉦報更。水運儀象台在計時儀器歷史上的主要貢獻是:採用由天關、天鎖、關舌等組成的天衡機構,控制樞輪作等速運動，接近於現代鐘錶的擒縱機構（見機械鐘錶機構）。水運儀象台也是世界上最古老的天文鐘。

1276年，中國元代的郭守敬製成大明燈漏。它是利用水力驅動，通過齒輪系及相當複雜的凸輪機構，帶動木偶進行“一刻鳴鐘、二刻鼓、三鉦、四鐃”的自動報時。

全部採用機械件的非週期控制計時時期 (1300～1675)這一時期，人們擺脱了以水為動力，而採用了重錘和發條作為驅動力，先後發明了全部由機械零件組成的塔鐘和時鐘等機械計時儀器。計時方法發展到非週期控制計時。計時精度明顯提高。

14世紀初，意大利的一些教堂開始使用塔鐘。1360年，德國符騰堡的H.de維克為法國國王查理五世製造了一隻大鐘，安裝在巴黎的皇家宮殿（即後來的法國高等法院）。這座大鐘的機芯是鐵製的,由一個500磅的重錘驅動，控制機構採用冕狀輪擒縱機構，鐘面僅有一根時針。它的出現標誌着鐘錶技術的巨大飛躍。在這以後到1500年左右，歐洲一些國家的主要城市都相繼安裝了這類塔鐘。

約在1500年，德國鎖匠P.亨萊因發明了發條，替代重錘作為鐘的動力，製造出人們能隨身攜帶的鐘。這是鐘錶技術上的又一次飛躍。從此以後，時鐘才逐步進入家庭用鐘的行列。

週期控制計時時期(1675年至今)週期控制計時即利用一些等時性好的振動現象，並以累計這些振動現象的振動數的方法來計量時間。這一時期，鐘錶結構、鐘錶理論以及精密加工技術、微電子技術等日臻成熟；各種機械鐘錶不斷出現和完善，各種電子鐘錶也相繼問世，鐘錶種類日益增多；鐘錶工業成為橫跨機械、電子、原子能等多種學科，並影響到精密加工、微電子技術等各個方面的工業門類；計時精度越來越高，最高精密度已達10。就計時精度的發展來説，這一時期大致可分為3個階段。

第一階段（17世紀末至18世紀中）這一階段的計時精度較前一時期明顯提高。

1582年，伽利略發現擺的等時性原理，奠定了計時學的理論基礎。1656～1657年，荷蘭物理學家C.惠更斯應用伽利略發現的原理，製成世界上第一隻擺鐘。1675年，惠更斯又首先成功地在鐘上採用了擺輪遊絲。由於這兩項重大發明，即把擺和擺輪遊絲振盪系統的頻率作為時間基準而用於鐘錶,使得鐘的走時精度大大提高,鐘的外形尺寸也因此可以縮小。這時，尺寸較小的懷錶開始流行起來。

鐘錶技術的另一個重大進展，是擒縱機構的改進。1670年，英國的W.克萊門特發明後退式擒縱機構，提高了鐘的走時精度。這種機構在今天的一些簡便的擺錘式掛鐘中仍有使用。1715年，英國G.格雷厄姆發明直進式擒縱機構。它能使鐘擺在擺動到平衡位置附近時受到一個衝量，而在擺動到其他部位時只受到很輕微的摩擦力。它彌補了後退式擒縱機構的不足之處，使鐘的走時精度得到了很大的提高。

16世紀末，由於遠洋航海事業的發達，促使人們開始尋求一種精度高的計時儀器，以便計算船隻在海洋中的經度位置。英國的J.哈里森經過多年的努力，於1735年成功地製成了第一隻航海天文鐘，但太笨重。後經不斷改進，第四隻鐘的體積已同現在的鬧鐘大小差不多。1761年，第四隻航海鍾在一次遠航試驗中，取得了歷時156天只差54秒的成就。

第二階段（18世紀中葉至20世紀初）這一階段的計時精度比第一階段又提高了一步。精密計時器開始朝商業性方向發展。

1765年，T.馬奇發明自由式擒縱機構，並於1840年在瑞士得到改進。1897年，C.E.紀堯姆發明了鐘錶用的鐵鎳合金等。由於這些成就,鐘錶走時精度又有提高,同時繼續向小型化方向發展。

這一階段，擺鐘開始迅速發展起來。天文擺鐘在18世紀中葉已經達到日差1/10秒的精度。到19世紀末，它的走時精度達到日差1/100秒的水平。

1840年，英國A.貝恩發明電鐘，開創了電技術在鐘錶領域的應用。此後，電鐘得到迅速發展。

第三階段（20世紀初至今）這一階段的計時精度已非常高，相應的計時儀器如天文鐘、原子鐘等的最高精度已達10。這時鐘表的含義已大大超越了早期鐘錶的含義。這個階段主要有以下3個特點。

①電技術的應用極大地提高擺鐘的走時精度，並使電鐘獲得大發展。1916年，美國H.E.沃倫對以往的電鐘進行改進,製成了同步電鐘。後來,這種電鐘在美國和歐洲迅速流行。電鐘的精度一般保持在日差幾秒之內。1921年，英國W.H.雪特製造出精密的天文擺鐘──雪特擺鐘(clock Shortt)。它是由兩隻擺鐘以子母鐘形式組成。子鍾由母鐘控制，並與母鐘同步,其精度達到日差0.001～0.002秒。這種擺鐘成為1924～1942年間格林威治天文台的標準鍾。

②設計適於大批量生產的手錶結構，使之獲得高精度並在全世界普及。20世紀初，瑞士開始研製手錶並大批量生產。第一次世界大戰期間，手錶因具有很高精度而開始受到人們的歡迎。大戰後，手錶開始在美國流行，隨後便在世界各地盛行起來。從1914年開始大量製造手錶，到1920年，手錶製造業已成為瑞士最重要的工業之一。到第二次世界大戰後，手錶幾乎取代了懷錶。

③隨着科學技術的發展，微電子技術開始被引入鐘錶中。採用音叉振盪器和石英諧振器作為計時器的時基。1922年，W.G.卡迪首先採用石英晶體作為頻率標準器。1929年，英國W.A.莫里森將石英晶體應用於計時，製成一隻環型的石英晶體計時器。1938年，英國國家物理所的L.愛森對這種石英鐘進行了改進，使之比雪特天文擺鐘走時更為精確。1942年，格林威治天文台用石英鐘代替雪特鍾，作為標準鍾。

1934年，美國C.E.克利頓和N.A.威廉斯發明原子鐘。1955年出現了銫原子鐘。它們的出現，使時間頻率計量精度又產生一個飛躍。此後，氫原子鐘、銣原子鐘等相繼出現，發展非常迅速。1967年起，以銫原子鐘的躍遷頻率為基礎，規定了原子時的秒長，併成為目前時間計量的標準。與石英鐘相比，原子鐘具有更高的頻率。原子鐘或原子頻率標準的頻率漂移已達到10或10。原子鐘的出現，是時間測量技術上一場重大的革命。

50年代半導體的發明和60年代微電子技術的發展，使鐘錶出現了劃時代的變化，鐘錶產品趨向於微型化、低能耗、高精度和多功能。1955年,擺輪遊絲電子錶（第一代電子錶）問世。1960年美國布洛瓦(Bulova)公司研製出音叉式電子錶（第二代電子錶）。它採用小型音叉作為振盪器，用電池作為能源，通過電子線路輸出脈衝電流驅動音叉振盪，然後通過其上的棘爪撥動棘輪，使輪系轉動，藉以計時。1967年，瑞士和日本分別研製出指針式石英電子錶（第三代電子錶），並於1969年由日本精工公司首先在市場出售。它採用石英諧振器作為振盪器，由它輸出的信號通過分頻器分頻，然後驅動步進電機帶動輪系轉動，藉以計時。1970年，美國哈密爾頓(Hamilton)公司研製成功數字式石英電子錶（第四代電子錶）。它是利用發光二極管(LED)作為顯示器件。同年，瑞士和日本又先後研製出液晶顯示 (LCD)的數字式石英電子錶。新的電子手錶的走時精度比機械手錶要高出幾個數量級，標誌鐘錶技術已達到新的高度；同時也標誌着現代鐘錶工業實際上已成為微電子技術、電子學與精密機械緊密配合的典型工業之一。

劉仙洲:中國在計時器方面的發明,《清華大學學報》，第3卷，第2期，北京，1957。

（英）李約瑟：《中國科學技術史》，第4卷，第1分冊，科學出版社，北京，1975。