34鐘表和力學(xué)的發(fā)展

1、鐘表和力學(xué)的發(fā)展莎士比亞寫的戲劇朱利奧·凱撒的第二幕第二場(chǎng)中有一段對(duì)話：凱：現(xiàn)在幾點(diǎn)了？布：凱撒，已敲過(guò)八點(diǎn)了。其實(shí)在凱撒的時(shí)代（公元前一世紀(jì)）根本就還沒(méi)有報(bào)時(shí)鐘。能自動(dòng)敲點(diǎn)報(bào)時(shí)的鐘大約是那時(shí)代往后一千四百多年才發(fā)明的。莎翁以自己的生活經(jīng)驗(yàn)寫他之前一千六百多年的事，由于沒(méi)有注意計(jì)時(shí)器的歷史發(fā)展進(jìn)程，因而鬧出了笑話。猶如我們現(xiàn)在寫莎翁打電話一樣荒唐可笑。在現(xiàn)代社會(huì)中，鐘表不僅是科學(xué)技術(shù)中重要的計(jì)時(shí)手段，而且已經(jīng)變成日常生活的必須品了。然而人類計(jì)時(shí)的發(fā)展是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歲月的，本文就是要著重談?wù)勁c鐘表發(fā)展歷史有關(guān)的一些問(wèn)題。計(jì)時(shí)手段的發(fā)展和力學(xué)的學(xué)科發(fā)展有著十分密切的聯(lián)系。力學(xué)的發(fā)展依賴于計(jì)

2、時(shí)，力學(xué)的發(fā)展又反過(guò)來(lái)促進(jìn)計(jì)時(shí)的發(fā)展與革新。我們常說(shuō)，力學(xué)是研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。所謂機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物體在空間中、在時(shí)間過(guò)程中發(fā)生的位置變化。力學(xué)又可以分為動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)兩個(gè)部門。靜力學(xué)是研究平衡的學(xué)問(wèn)，和時(shí)間的關(guān)系不大，所以大約在16世紀(jì)，在較精密的計(jì)時(shí)裝置發(fā)明之前，斯蒂芬（Simon Stivin,15481620）以發(fā)現(xiàn)了力的平行四邊形合成道理而宣告靜力學(xué)的系統(tǒng)化。在他的靜力學(xué)專著中只用到了幾何學(xué)。而動(dòng)力學(xué)就不同了，它的確立必然要和精密的時(shí)間量度項(xiàng)聯(lián)系。所以動(dòng)力學(xué)的發(fā)展同精密計(jì)時(shí)手段的發(fā)展是相輔相成的。為了說(shuō)明精密計(jì)時(shí)同力學(xué)發(fā)展的關(guān)系，讓我們首先觀察一架現(xiàn)代的計(jì)時(shí)裝置由哪些部分組成。拿任何

3、鐘表來(lái)說(shuō)，它一般由三部分組成，這就是動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分和控制部分。先從控制部分說(shuō)起，它是計(jì)時(shí)器的心臟。它具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)裝置，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的依時(shí)間均勻地直線運(yùn)動(dòng)或等時(shí)地周期運(yùn)動(dòng)裝置。這部分提供計(jì)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)還要有一個(gè)稱為卡子（擒縱器）的機(jī)構(gòu)，用來(lái)使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)同步。其次是傳動(dòng)部分，用以將標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的轉(zhuǎn)換顯示出來(lái)。例如打更、舉旗、指針和文字顯示等。最后就是動(dòng)力部分。這部分提供自動(dòng)計(jì)時(shí)器的原動(dòng)力或能源。嚴(yán)格地說(shuō)，這三部分都是和力學(xué)不可分的。從遠(yuǎn)古起它們就在發(fā)展并且積累了相當(dāng)多的知識(shí)。大約在中國(guó)的南宋時(shí)代，有一位學(xué)者薛季宣（11341173）總結(jié)當(dāng)時(shí)的計(jì)時(shí)手段時(shí)說(shuō)

4、：“晷漏有四，曰銅漏、曰香篆、曰表圭、曰輥彈。”這段話被稍后的南宋學(xué)者王應(yīng)麟摘錄于小學(xué)紺珠中。這里“晷漏”是計(jì)時(shí)器的總稱。所說(shuō)的四種方式我們分別介紹如下?！般~漏”是一種用來(lái)計(jì)時(shí)的貯水銅制容器。下部有孔，水不斷泄漏。水位下降，指示水位的刻度便可以告訴你時(shí)刻。此類裝置在古代西方與中國(guó)都有考古發(fā)現(xiàn)。最早出土的漏壺在埃及，大約成器于公元前3400年。其形狀為頂端大底部小的截錐體。由于水位高時(shí)水流得快，低時(shí)流得慢，這樣可以使水位大致保持均勻下降。中國(guó)出土最早的漏壺大約在西漢，之后一直到明代還在使用。古書上形容大臣們按時(shí)去早朝為“待漏”。漏壺后來(lái)也有以沙代水的，稱為沙漏。“香篆”是以點(diǎn)燃一種用木屑加膠制成

5、的條狀物（稱為“香”）來(lái)計(jì)時(shí)的。中國(guó)最早用香作為祭祀與禱告的用品，即“香煙繚繞，以達(dá)神明”，以后才用以計(jì)時(shí)。看香燃燒的長(zhǎng)度來(lái)確定時(shí)刻。用香還能制成一種“鬧鐘”。方法是在香的某個(gè)長(zhǎng)度上系一段線，線的另一頭系一小銅球，當(dāng)香燃燒到系線處便將線燒斷，這時(shí)小銅球便落在下面預(yù)置的盤中，發(fā)出響聲。在西方雖然沒(méi)有燒香一說(shuō)，但古代有以燃燒蠟燭的長(zhǎng)度來(lái)計(jì)時(shí)的辦法。“圭表”是測(cè)日影長(zhǎng)度和角度的儀器。直立者為圭表，斜立者且底盤有分度者為日晷。它們是一切儀器中最為古老的。以測(cè)日影長(zhǎng)度和角度定時(shí)間的辦法起源很早，東西方都在距今約三四千年以前。前面介紹的這三種計(jì)時(shí)辦法，“香篆”和“圭表”都不準(zhǔn)確。前者同是一根香，燃燒速度受

6、氣溫氣流的影響很大，何況不同的香燃燒速度有很大的不同。而后者因?yàn)橛白拥倪吔缒：灰诇y(cè)準(zhǔn)，而且在陰天就失敗。比較起來(lái)銅漏相對(duì)好一點(diǎn)。所以據(jù)周禮所記，中國(guó)古代從周朝開(kāi)始就已經(jīng)有專門掌管時(shí)刻的官職，如“夏官掣壺氏”等。一直到明末以后，漏壺才逐漸被現(xiàn)代鐘表所代替。 以上三種計(jì)時(shí)方式還有一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是觀察不方便。銅漏的刻度是在壺的內(nèi)壁，古時(shí)不像現(xiàn)在有玻璃器皿，觀察刻度比較方便。怎樣才能使漏壺的度量變?yōu)橐子谟^察的標(biāo)志，從漢到明的一前多年中，頗有人動(dòng)過(guò)不少腦筋，通過(guò)十分復(fù)雜的機(jī)構(gòu)以達(dá)到這一目的。這就是所謂“輥彈”，也就是現(xiàn)代鐘表的前身。最早的機(jī)械輥彈，要數(shù)東漢張衡（78139）所造的渾象儀了。它利用漏壺

7、流水來(lái)驅(qū)動(dòng)，以一套復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)使之均勻地繞極軸旋轉(zhuǎn)，可以調(diào)整使其旋轉(zhuǎn)速度和天球旋轉(zhuǎn)速度大致一樣。這樣一來(lái)，晝夜星辰出沒(méi)都可以實(shí)際顯示出來(lái)，因此它又被稱為水轉(zhuǎn)渾天儀。不僅如此，它還可以表演月亮盈虧，所以實(shí)際上還相當(dāng)于一架粗制的帶日歷的大鐘。繼張衡之后，三國(guó)時(shí)吳國(guó)的陸績(jī)、葛衡，宋代的錢樂(lè)之，梁代的陶宏景，隋朝的耿詢，唐代的高僧一行和梁令瓚，北宋的張思訓(xùn)，都做過(guò)渾天儀，而且每次都有所改進(jìn)。 最為巧妙的是北宋人蘇頌（10201101）于1088年設(shè)計(jì)制造的水運(yùn)儀象臺(tái)。它的構(gòu)造在蘇頌著的新儀象法要中描述得很詳細(xì)。50年代我國(guó)學(xué)者王振鐸等將它復(fù)原于北京歷史博物館陳列。西方類似的機(jī)械打點(diǎn)鐘最早出現(xiàn)在1

8、335年意大利米蘭的一個(gè)教堂的鐘樓?，F(xiàn)在讓我們從前述的三部分來(lái)看鐘表的發(fā)展。能源和傳動(dòng)，誠(chéng)然都和力學(xué)有關(guān)，而鐘表所用的能源大多是水和重錘的勢(shì)能。傳動(dòng)部分是齒輪、鏈條或滑輪。這兩部分雖然后來(lái)還有很大的改進(jìn)，但為提高精密度，它們的改進(jìn)尚不起關(guān)鍵作用。至于控制部分，應(yīng)當(dāng)提到的是在蘇頌的水運(yùn)儀象臺(tái)上，已經(jīng)有了卡子（擒縱器）的機(jī)構(gòu)。這是一件了不起的發(fā)明。它使傳動(dòng)和時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)漏壺的狀態(tài)嚴(yán)格同步，每漏滿一個(gè)水斗，在它的控制下具有36個(gè)格子的樞輪嚴(yán)格轉(zhuǎn)動(dòng)一格。據(jù)西方學(xué)者李約瑟的考證，公元725年唐代高僧一行就發(fā)明了它，這早于西方類似的發(fā)明至少600年。西方在1335年米蘭教堂的鐘樓，還沒(méi)有卡子，它的速度是

9、靠傳動(dòng)末級(jí)的摩擦力來(lái)控制的。西方鐘表的卡子大約是1396年在法國(guó)發(fā)明的。然而，以上的原始鐘表的精度還是十分可憐的。其根本原因是，不管是漏壺還是西方傳動(dòng)末級(jí)的摩擦力都不容易精確調(diào)整，誤差很大。于是為尋求標(biāo)準(zhǔn)等時(shí)運(yùn)動(dòng)的重任便歷史性地落在力學(xué)家的身上。伽利略（15641642）是研究擺的運(yùn)動(dòng)的第一人。他在17歲時(shí)，作為比薩大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生，對(duì)擺的振動(dòng)發(fā)生了興趣，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到了擺的小擺動(dòng)周期與擺長(zhǎng)成正比的結(jié)論，從而在理論上為鐘表的核心裝置擺奠定了理論基礎(chǔ)。這標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。伽利略又是精確研究動(dòng)力學(xué)的第一人，他對(duì)自由落體也和對(duì)擺的研究一樣，同樣標(biāo)志著人類對(duì)動(dòng)力學(xué)研究的開(kāi)始。 1641年，伽利

10、略建議利用擺的等時(shí)性制造鐘。但是他未能完成，一年后便逝世了。他的這項(xiàng)遺志便由他的兒子文生橋來(lái)繼承。而文生橋工作慢慢吞吞，8年后于1649年才著手這項(xiàng)工作，不久也去世了。于是制造擺鐘的任務(wù)便歷史性地由荷蘭學(xué)者惠更斯（16291695）擔(dān)當(dāng)了。1657年，年僅27歲由于發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)而知名的年輕學(xué)者惠更斯完成了擺鐘的設(shè)計(jì)。同年，荷蘭的鐘表匠制成了首架擺鐘。次年，惠更斯出版了他的專著擺鐘。在這本書中，惠更斯不僅詳細(xì)描述了擺鐘的機(jī)構(gòu)，更重要的是發(fā)表了一系列關(guān)于單擺與動(dòng)力學(xué)的重要研究結(jié)果。例如，惠更斯系統(tǒng)地研究了圓周運(yùn)動(dòng)，引進(jìn)了向心力和向心加速度的概念。他在理論上論證了單擺的等時(shí)性并給出了其周期T （r/

11、g）（1/2）的公式，其中r為擺長(zhǎng)，g為重力加速度。隨后，惠更斯又發(fā)現(xiàn)在大擺動(dòng)時(shí)單擺的周期不再是常數(shù)，并給出了在大擺動(dòng)時(shí)也有等周期的擺線理論。所以，我們可以毫不夸張地說(shuō)，惠更斯在動(dòng)力學(xué)研究上是伽利略的直接繼承人。擺鐘的發(fā)明對(duì)鐘表精度的改進(jìn)是非常了不起的。在此之前，最好的鐘一晝夜誤差大約15分鐘，而當(dāng)時(shí)最好的擺鐘可以調(diào)整到一晝夜誤差不大于10秒。至此我們才可以說(shuō)，我們確實(shí)有了研究地球上物體運(yùn)動(dòng)的精確計(jì)時(shí)裝置。談到鐘表的改進(jìn)，還應(yīng)當(dāng)提到一位力學(xué)家，即英國(guó)學(xué)者胡克（16351703）。他于1676年發(fā)表了對(duì)于彈簧的研究結(jié)果，后人稱之為胡克定律，即彈簧的伸長(zhǎng)與外力成正比關(guān)系。胡克對(duì)彈簧研究的開(kāi)創(chuàng)性的工

12、作，使人們對(duì)彈簧了解得越來(lái)越多。隨之而來(lái)的是出現(xiàn)了兩項(xiàng)改進(jìn)：一項(xiàng)是彈簧發(fā)條貯能器的改進(jìn)，另一項(xiàng)是彈簧（或游絲）擺輪的發(fā)明。1674年惠更斯制成基于彈簧擺輪的鐘表。有了這兩項(xiàng)改進(jìn)，鐘表可以造得更為輕巧，例如，可以在顛簸環(huán)境下工作的鐘和可以隨身攜帶的懷表以及手表的出現(xiàn)。1707年，英國(guó)海軍艦隊(duì)發(fā)生了一次慘禍，有三只船失事，超過(guò)2000人死亡。原因是艦隊(duì)的位置出了差錯(cuò)。1714年英國(guó)國(guó)會(huì)懸賞二萬(wàn)英鎊：誰(shuí)要是能夠找到在海中精確測(cè)定經(jīng)度的方法，他就可以得到這筆獎(jiǎng)金。條件是到達(dá)西印度的6個(gè)星期的航行后，誤差不得大于30英里。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)天文觀測(cè)儀器已經(jīng)可以十分精確地測(cè)定天上星球的位置了。對(duì)于船舶所在的緯度

13、可以直接由觀測(cè)星球得到。對(duì)于所在地的經(jīng)度，由于星球在天上隨時(shí)間在均勻地運(yùn)動(dòng)，所以問(wèn)題歸結(jié)于能否制造一架精確的可以攜帶的鐘。這種鐘稱為天文鐘。技高一籌的鐘表匠哈里森（16931776）于1761年以他改進(jìn)的鐘從倫敦到牙買加的9星期的航海旅程中時(shí)鐘僅差5秒，從而贏得了國(guó)會(huì)的懸賞。18世紀(jì)時(shí)，歐洲鐘表進(jìn)入了市場(chǎng)，有了從教堂、航海、家庭擺設(shè)到個(gè)人佩戴等各式各樣的鐘表。之后鐘表做得越來(lái)越精巧，可以戴在手腕上的手表也出現(xiàn)了。迄今200多年間，鐘表用于測(cè)量各種物理量。測(cè)量聲速、光速、各種振動(dòng)頻率、周期、各種物體的運(yùn)動(dòng)以及體育運(yùn)動(dòng)。此外它還廣泛地用于航海、航。各門學(xué)科和各門技術(shù)的發(fā)展無(wú)不得益于鐘表的幫助。從另

14、一角度講，鐘表的發(fā)展和改進(jìn)可以說(shuō)揭開(kāi)了現(xiàn)代技術(shù)的序幕。由于對(duì)于它的需求，需要加工大量的鐘表另配件，于是產(chǎn)生了現(xiàn)代車床和現(xiàn)代金屬加工技術(shù)。另一方面，鐘表發(fā)展又為歐洲的現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展培訓(xùn)了人才。蒸汽機(jī)的發(fā)明者英國(guó)人瓦特（17361819）、紡織機(jī)的發(fā)明者英國(guó)人阿克賴特（17321792）、以蒸汽機(jī)為動(dòng)力的輪船的發(fā)明者美國(guó)人富爾頓（17651848）等，他們青少年時(shí)代都曾經(jīng)當(dāng)過(guò)修表學(xué)徒或制作匠。有一種流行的觀點(diǎn)是很有道理的，即認(rèn)為歐洲的近代科學(xué)技術(shù)的起源是古希臘的思辨?zhèn)鹘y(tǒng)與歐洲的手工業(yè)傳統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。前者是以達(dá)·芬奇、伽利略、惠更斯與牛頓的動(dòng)力學(xué)發(fā)展為代表，而后者便是以鐘表工業(yè)的發(fā)展所培養(yǎng)

15、起的一代新技術(shù)人才。至于中國(guó)，在鐘表方面雖曾有過(guò)光輝的歷史，有最早的水轉(zhuǎn)渾天儀、水轉(zhuǎn)儀象臺(tái)，有最早發(fā)明的卡子，然而由于這些設(shè)備與裝置始終限于皇宮之內(nèi)，沒(méi)有走向市場(chǎng)，所以在宋以后，經(jīng)元明兩代兵荒馬亂便漸漸失傳了。舊時(shí)中國(guó)各行各業(yè)都供奉一個(gè)行業(yè)的開(kāi)山祖師爺，如，木工供魯班、戲劇界供唐明皇、農(nóng)民供神農(nóng)氏等。而舊時(shí)上海的鐘表鋪里供奉的祖師爺，不是張衡，也不是蘇頌，卻是一位虬髯戟張的洋人。那便是1601年向明萬(wàn)歷皇帝進(jìn)貢兩架自鳴鐘的意大利傳教士利瑪竇（15521610）。中國(guó)的鐘表在中斷了自己的歷史傳統(tǒng)后，不得不從此重新引進(jìn)。利瑪竇帶來(lái)的鐘還不是惠更斯的擺鐘。利瑪竇來(lái)中國(guó)后，與徐光啟合作首譯歐幾里德的幾

16、何原本。隨后又在他的建議下羅馬教皇派懂自然科學(xué)的傳教士源源東來(lái)。所以他不僅給中國(guó)人帶來(lái)了鐘表，而且可以說(shuō)實(shí)是西學(xué)東漸的祖師爺。在他之后，明清兩代皇帝不斷從西方引進(jìn)鐘表新產(chǎn)品?？滴趸实塾幸皇讘蝾}自鳴鐘詩(shī)：晝夜循環(huán)勝刻漏，綢繆婉轉(zhuǎn)報(bào)時(shí)全，陰晴不改忠腸性，萬(wàn)里遙來(lái)二百年。（此器至中國(guó)二百年矣）。這里康熙皇帝認(rèn)為自鳴鐘勝過(guò)刻漏，而且他說(shuō)傳來(lái)中國(guó)已經(jīng)二百年了，與通常由利瑪竇攜來(lái)之說(shuō)不同?？滴趸实凼呛苤匾曃瘴鞣降目茖W(xué)技術(shù)的，仿效西方也很快。中國(guó)最早自己生產(chǎn)鐘表是康熙三十年（1691年）的事。那是距惠更斯發(fā)明擺鐘之后僅30年左右。早期的鐘表也大半只供宮廷使用。至今在故宮鐘表展室中陳列的那些豪華與精巧的洋人

17、貢品與內(nèi)府打造的鐘表，便是那時(shí)期中外鐘表歷史的見(jiàn)證。 如前所述，鐘表的發(fā)展同力學(xué)具有十分密切的關(guān)系。中國(guó)人較早認(rèn)識(shí)清楚這種關(guān)系的是清代經(jīng)學(xué)大師阮元（17641849）。他在自鳴鐘說(shuō)一文中敘述了自鳴鐘的構(gòu)造并特別強(qiáng)調(diào)其原理與力學(xué)有關(guān)。他說(shuō)：“西洋之制器也，其精者曰重學(xué)。重學(xué)者以重輕為學(xué)術(shù)，凡奇器皆出乎此?！薄岸髦貙W(xué)以為用也，曰輪、曰螺。是以自鳴鐘之理則重學(xué)也，其用則輪也螺也?！比钤@里所說(shuō)的重學(xué)即現(xiàn)今的力學(xué)。這段話的基本意思發(fā)展了1627年（明天啟七年）西人鄧玉函和華人王征合譯的遠(yuǎn)西奇器圖說(shuō)中“能通此學(xué)（指重學(xué)）者，知機(jī)器之所以然”的思想。遺憾的是，對(duì)阮元等的看法，理解的人很少。力學(xué)在中國(guó)的傳播仍然很慢，至本世紀(jì)20年代，隨著近代教育的興起，才開(kāi)始力學(xué)知識(shí)的普及與傳播。擺鐘在人類文明史上立下了汗馬功勞，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷300年。在自然科學(xué)與技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域無(wú)一沒(méi)有它的貢獻(xiàn)。然而從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，鐘表的心臟擺，不得不讓位于更精密的時(shí)標(biāo)石英晶體振動(dòng)或原子振蕩。說(shuō)到這里，也許有人會(huì)以為擺鐘退位了，力學(xué)似乎也退出了鐘的歷史舞臺(tái)。其實(shí)不然。晶體振動(dòng)與原子鐘中的原子軌跡計(jì)算問(wèn)題涉及更為復(fù)雜更精細(xì)的力學(xué)理論與計(jì)算。如果說(shuō)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的擺鐘，可以控制在每年誤差在一秒以內(nèi)，那么，美、德、加拿大等國(guó)以及隨后于1980年我國(guó)