時鐘的歷史─時鐘的設計

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時鐘的故事

古人計時得抬頭問天探詢日月的遞移，觀察星星的擺陣。現代人計時則低下頭來詢問手錶裡機械的輪轉，還有原子的振盪。這麼一抬頭、一垂眉，幾千年過去了，人類計算時間的工具不僅縮小上千倍，也精準了上兆倍

－（2002.11號，《科學人》，p.88）

時間，是一種相對或絕對的概念，早在三十五億年前人類主宰世界，便開始受到時間的約束。即使你不用時鐘來測量，時間仍照樣存在並繼續流向未來。時間的無所不在與人類演進之間的關係密不可分。生理時鐘存在於植物與動物的細胞中，這種時鐘使生物得以對瞬息萬變的環境採取適當的反應、調節作息並生存下來。時鐘的發明讓人類能具體地掌握時間，改善生活，如：音樂初學者使用節拍器幫助他們用固定的節奏演奏音樂、航海家靠著精確的時鐘分辨出航向與位置、蒸汽時代的火車利用時鐘發明出統一時區避免誤點，以及利用衛星即時更新全球時間等都是。

人類在測定時間上的研究帶動了科技與科學的演變

古代人對時間的重視開始於農耕時代。古埃及人、中國人、希臘人以及羅馬人為了測定日夜的區別，發明了日晷、水鐘與其它早期計時工具，之後由西方世界繼承了這些偉大科技發明。直到13世紀，由於需要更為可靠的計時工具，中世紀的工匠們發明了機械鐘。雖然這項發明已可滿足修道院與都市生活的需求，但對於科學應用來說，它還是不夠精確，仍不足以信賴；這個問題到了以鐘擺來控制機械的運行之後才獲得解決。由於計時器的精確性逐漸提高，船隻在海洋中的定位問題也得到解決，並且繼續在往後的工業革命中扮演關鍵性的角色，將人類的科技文明向前推進一大步。
現今，高度精確的計時器為我們大部分電子儀器校準時間。幾乎所有的電腦都有一個石英鐘為整部電腦的運作校時，而從全球定位系統（GPS，Global Position System）衛星傳送下來的時間訊號，不但為高精密度的航行儀器校時，這項功能還遍及手機、即時股市交易與全國電力配置網。這些以時間為基礎的科技事物整合得完美無缺，已成為我們日常生活中重要的一環，不容我們忽視。

計時器（時鐘）發展圖像

大約在3000年以前（西元前16世紀），埃及的城鎮上就以方尖碑和日規作為測定時間的日晷（sundial），利用日影將一天的時間劃分成均等的間隔。希臘人則在西元15世紀發明水鐘（漏壺，clepsydra），尖錐形的漏壺將穩定的水注入圓桶內，藉著水位升高的浮力帶動齒軌，連動齒輪軸心來指示時間。西元2世紀，拖勒密設計象限儀（astrolabe）來量測日月的周期運行，開創了以量測「周而復始的週期現象」來定義時間。西元1090年，中國宋代蘇頌建水運儀象台，以水激輪、輪轉製成中國唯一有說明的自動水運天文儀象及自動報時天文台，可隨地球自轉的追蹤觀星裝置，比西方鐘錶早了600年；而其發明的「擒縱器」更比現代鐘錶內的「卡子」早1000年。有歷史紀錄的蠟燭鐘（candle clock）出現在西元9世紀，雖不能真正持續精確計時，當時有人即將之用作響鈴的設計。沙漏（sandglass）在西元14世紀在歐洲出現，利用兩個玻璃杯狀的蛋型容器相互連接，連接處僅以一個細小的孔使細沙通過，用為一段時間定時之用。第一座機械鐘（mechanical clock）被認為是在西元1270年左右歐洲人所發明，利用纏繞在主齒輪鼓重錘上的力量帶動時鐘轉動，控制擒縱器的法碼可調整轉動的快慢。

在西元14世紀，歐洲出現了彈簧鐘（spring clock），利用彈簧釋放出的力量取代重力，然而彈簧扭緊後鬆開的力量並一致，不符精確計時的要求，後來17世紀荷蘭著名的天文學家惠更斯發明一種類似鐘擺的螺型平衡彈簧解決了問題。事實上惠更斯最主要的發明在於擺鐘（pendulum clock）的設計，利用規律的擺錘調整秒差，使機械鐘的計時功能更為精準，配合擒縱器的作用，至此時鐘的機械設計已臻完備。現代，石英電子鐘（quartz clock）的設計即是建立在機械鐘的基本結構上；此外科學家們也開發出所謂的原子鐘（atomic clock），使科學儀器的校準分毫不差。

▓ 對於以下各種計時裝置的形式，連連看你對他們的認識：