計時工具的歷史

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
沙漏(最早期的計時工具之一)正在計時

千百年來,人類利用各種裝置來計時和報時。目前正在使用的六十進制時間系統,追溯至公元前大約2000年的蘇美爾古埃及把一天分為二個部份,每一部份再分為12個小時,並使用大型方尖碑追蹤太陽的移動。他們還發明了水鐘water clocks)。 Precinct of Amun-Re 很可能是最初使用水鐘的地方,後來在埃及以外的地方也有人使用水鐘;古希臘人就經常使用叫作clepsydrae的水鐘。約在同一時間,相信商朝已使用洩水型水鐘──漏壺;而漏壺可能早在公元前2000年,從美索不达米亚傳入。其他古代計時器包括有蠟燭鐘──在中国日本英格蘭,和伊拉克使用;日晷──在印度西藏,以及歐洲一些地區廣泛使用;此外,還有沙漏,運作原理和水鐘一樣。

最早期的計時工具依靠太陽的陰影來報時,所以它們在多雲的天氣或夜間,沒有用處;而且如果“晷針”跟地球的軸心不一致,這些計時工具要依季節的變化,而重新校準。

第一個使用擒縱器(escapement)的鐘,於八世紀在中國出現[1]。11世紀,穆斯林工程師發明以重量驅動(weight-driven)的鐘。14世紀初,歐洲發明機械鐘。直到20世紀,機械鐘都是標準計時裝置。在20世紀,發明了石英振盪器,然後是原子鐘。石英振盪器最初只在實驗室使用,可是由於它容易生產而且準確,所以後來用在手錶上。原子鐘比所有計時裝置都準確,所以可以用於校準其他鐘錶;並且用來計算原子时协调世界时

早期的計時工具[编辑]

夏至時巨石陣的日出

許多古老的文明會觀察天體──通常是太陽和月亮,以確定時間、日期和季節[2][3]。現今在西方社會通用的六十進制時間系統,可追溯至約四千年前的美索不達米亞古埃及 [2][4][5];後來,中美洲地區開發類似的系統[6]

第一個日曆,可能在冰河時代末期,由狩獵收集者(hunter-gatherers)創造。他們利用如樹枝和骨頭等工具,記錄月相和季節[3]。 世界各地──特別是在史前時期的歐洲──都有石陣,例如英格蘭的巨石陣。石陣相信是用來預測晝夜平分點(equinoxes)或至點(亦稱二至點;solstices)等的時間[7][3]。那些巨石文明(Megalith)沒有留下歷史紀錄;因此,現代對他們的日曆或計時方法,所知甚少[8]

Ancient Persian clock.Kariz.zibad
Ancient Persian clock

公元前3500年至公元前500年[编辑]

日影鐘是第一個能夠量度小時的裝置[9]。已知道最古老的日影鐘來自埃及,用綠片岩製造。古埃及約在公元前3500年建造的方尖碑,也是最早的日影鐘之一[10][3]

埃及的日影鐘把白天分為十個部分,另外加上4個“微亮小時”── 早上 2個、傍晚 2個。有一種日影鐘由一枝長桿和高架橫桿組成,長竿上有5個不相等的記號,橫桿的陰影會投射到記號之上。橫桿在早上指向東方,在正午會指向西方。方尖碑的運作方式差不多:陰影投射到圍繞它的記號上,埃及人從而可以計算時間。方尖碑可以指出上午或下午、夏至或冬至[3][11]

現在己知最古老的水鐘 ,在法老阿蒙霍一世(Amenhotep I)(公元前1525年至1504年)的墓中發現,這顯示古埃及最先使用水鐘[11][12][13]。另一方面,相信沙漏也是由古埃及人發明。此外,埃及自公元前600年,開始使用叫作merkhet的鉛垂線在晚間量度時間。這工具的鉛垂線跟勾陳一(北極星)一致,形成南北子午圈。當特定的星宿橫過線時,就能準確報時[11][14]


公元前500年至公元前1年[编辑]

柏拉圖把水鐘(漏壺)引進古希臘之後,水鐘成為古希臘廣泛使用的計時工具。柏拉圖也發明了一種以水鐘為基礎的鬧鐘[15][16]。希臘人和新巴比倫王國保存計時記錄,作為組成天體觀察的重要部分。漏壺也用在希臘法庭,和後來的羅馬法庭上。

雖然水鐘比日影鐘更好用──水鐘在室內、夜間或天空多雲的日子都可以使用;不過它他們不準確。因此,希臘人尋求方法改善他們的水鐘[17]。到了公元前325年,水鐘的準確度大為改善,雖然仍然及不上日影鐘。這時的鐘有鐘面,其上有時針,令人更容易讀準時間。水鐘較常見的問題是水壓:當容器注滿水時,增加的水壓令水流更迅速。在公元前100年,希臘和羅馬的鐘錶專家,開始解決這個問題;其後的幾個世紀,在這一方面得到持續改善。為了抵消高水壓增加的水流量做成的影響,裝水的容器造成圓錐形狀,上濶下窄。於是雖然水平面下降的距離相等,但當容器水滿的時候,流出的水要比水半滿的時候多。然而,還是有些問題沒有得到解決:如溫度的影響。天氣寒冷的時候,水流比較緩慢,甚至可能凍結[18]

雖然希臘人和羅馬人大大改進水鐘的技術,他們仍然繼續使用影子鐘錶。據說數學家天文學家比提尼亞的狄奧多(en:Theodosius of Bithynia),發明了全球通用的日晷。這個日晷在地球上任何地方都能準確報時,不過現代對它所知甚少[19]。羅馬人在奧古斯都大帝統治期間,建造有史以來最大的日晷──奧古斯都日晷(en:Solarium Augusti)。其晷針是從赫利奧波利斯(en:Heliopolis)而來的方尖碑[20]

公元1-1500年[编辑]

水鐘[编辑]

李約瑟推測水鐘──漏壺可能從美索不達米亞傳入中國,時間可能早達公元前二世紀的商代,最遲不會晚於公元前一世紀。由漢代(公元前202)開始,泄水型漏壺逐步被受水型漏壺取代,其特色是浮在受水壺水面上的漏箭,隨水面上升指示時間。

蠟燭鐘[编辑]

蠟燭鐘在何處及何時首次使用己不可考。不過,最早提到蠟燭鐘的,是一首寫於520年的中國詩。詩中說,燃燒的蠟燭是夜間量度時間的方法。直到10世紀初,日本一直使用類似的蠟燭鐘[21]

香鐘[编辑]

遠東地區除了使用水鐘、機械鐘和蠟燭鐘外,也會使用香鐘計時[22]。中國大約在六世紀首先使用香鐘。在日本的正仓院,仍保存了一個香鐘[23],不過在其上的文字不是中文,而是梵文[24]。由於佛教經常使用梵文,因此愛德華.沙菲爾推測香鐘在佛教儀式中使用,而且是由印度人發明[24]。香鐘跟蠟燭鐘很相似,不過香燒均勻而且無火焰,因此在室內使用時,比蠟燭鐘更準確和更安全[25]

使用擒縱器的水鐘[编辑]

第一使用擒纵器的水鐘,由密宗僧人兼數學家一行和政府官梁令瓚建於長安[26][27] 這個擒縱器水鐘是個天文數儀器。一行的擒縱器鐘仍然是一個水鐘,因此會受溫度變化的影響。在976年,張思訓解決了這個問題。他用(水銀)取代水,汞在溫度下降到攝氏零下39度(華氏零下38度)時,仍然是液體。

天文鐘[编辑]

元祐元年(1086年)蘇頌檢驗太史局的渾儀時,決心要將渾儀浑象和報時裝置結合。蘇頌拜訪吏部守當官韓公廉,取得張衡張思訓的“儀器法式大綱”。元祐三年(1088年)開始動工,元祐七年(1092年)「水運儀象台」竣工。

水運儀象台是一個類似於天文臺,高約12米,寬7米,上下分三層;上層是渾天儀(天體測量之用),中層是渾象儀(天體運行演示),下層是司辰(自動報時器),全程用水力推動,可精確報時,李約瑟指這是歐洲天文钟的直接祖先。蘇頌於紹聖初年著《新儀像法要》一書,詳述水運儀象台的整體功能、零件150多種,60多幅插圖。

水運儀象台原件在靖康之禍(1127年)時,金兵將水運儀象台掠往燕京(北京)置於司天台,在金朝貞祐二年(1214年)因不便運輸被丟棄,而南宋時蘇携保存的手稿因無人理解其中方法而無人能仿造。

近代計時工具[编辑]

機械鐘[编辑]

機械鐘由僧人一行和官員梁令瓚發明。至元明之時,計時器擺脫了天文儀器的結構形式,得到了突破性的新發展。元初郭守敬、明初詹希元創製了「大明燈漏」與「五輪沙漏」,採用機械結構,並增添盤、針來指示時間,其機械的先進性便明顯地顯示出來,時間性電益見準確。

到14世紀,西方國家廣泛使用機械鐘。在十六世紀,奧斯曼帝國的科學家達茲·艾-丁(Taqi al-Din)發明機械鬧鐘[28]

擺鐘[编辑]

1583年,意大利人伽利略建立了著名的等時性理論,也就是鐘擺的理論基礎。1656年,荷蘭的科學家克里斯蒂安·惠更斯(en: Christiaan Huygens)應用伽利略的理論,設計了鐘擺。第二年,在他的指導下,年輕鐘匠哥士達(S. Coster)成功製造第一個擺鐘。1675年,他又用遊絲取代了原始的鐘擺,這樣就形成了以發條為動力、以遊絲為調速機構的小型鐘,同時也為製造便於攜帶的袋錶提供了條件。

袋錶[编辑]

18世紀期間發明了各種各樣的擒縱結構,為袋錶(或稱懷錶)的發展奠定了基礎。英國人喬治·葛咸(George Graham)在1726年完善工字輪擒縱結構;它和之前發明的垂直放置的機軸擒縱結構不同,所以使得袋錶機芯相對變薄。另外,1757年左右,英國人湯馬士·穆治(Thomas Mudge)發明了叉式擒縱結構,進一步提高了袋錶計時的精確度。這期間一直到19世紀,產生了大批鐘錶生產廠家,為袋錶的發展做出了貢獻。

手錶[编辑]

1904年,飛行員阿爾拔圖·桑托斯-杜蒙特Alberto Santos-Dumont)要求他的朋友,法國製錶匠路易士·卡地亞(Louis Cartier),設計一個他可以在飛行時使用的錶[29]。其實在1868年,百达翡丽已經發明了手表,不過當時這種女士的手鐲錶,只當作首飾。卡地亞創造了桑托斯(Santos)手錶,第一隻為男士設計而且實用的手錶[30]

石英振盪器[编辑]

1921年,華持·加廸(Walter G. Cady)製造第一個石英晶体谐振器。沃倫·馬利遜(Warren Marrison J. W. Horton)和JW.霍頓(J. W. Horton)於1927年,在加拿大的贝尔实验室製造首個石英钟[31][32]。之後幾十年,因為由真空管組成的石英鐘笨重,它只能設置於實驗室中。

1967年瑞士人發表第一款石英錶,1969年,精工製作了世界上第一個商業化生產的石英手錶──雅士圖(Astron[33]。它的準確性和低生產成本,令石英鐘錶大受歡迎。

原子鐘[编辑]

原子鐘比所有計時裝置都準確,數萬年才會誤差幾秒鐘,所以可以用於校準其他鐘錶[34]。第一個原子鐘於1949年發明,現陳列於史密森尼学会。美國國家標準局(又稱國家標準技術研究所National Institute of Standards and Technology)的原子鐘,每年的誤差只有300億分之一秒。

註釋[编辑]

  1. ^ David Landes: “Revolution in Time: Clocks and the Making of the Modern World”, rev. and enlarged edition, Harvard University Press, Cambridge 2000, ISBN 0674002822, p.18f.
  2. ^ 2.0 2.1 Chobotov, p. 1
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Bruton, Eric. The History of Clocks and Watches 1982. New York: Crescent Books. 1979. ISBN 0-517-377446. 
  4. ^ Barnett, p. 102
  5. ^ Knight & Butler, p. 77
  6. ^ Aveni, p. 136
  7. ^ Ancient Calendars. National Institute of Standards and Technology. [2008-04-30]. 
  8. ^ Richards, p. 55
  9. ^ Major, p. 9
  10. ^ Sundial. Encyclopedia Britannica. [2008-04-04]. 
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 Earliest Clocks. A Walk Through Time. NIST Physics Laboratory. [2008-04-02]. 
  12. ^ Philbin, p. 128
  13. ^ Cotterell, pp. 59–61
  14. ^ Whitrow, p.28
  15. ^ O'Connor, J. J.; Robertson, E. F. Plato biography. School of Mathematics and Statistics, University of St. Andrews. [2007-11-29]. 
  16. ^ Hellemans, Alexander; Bunch, Bryan H. The History of Science and Technology: A Browser's Guide to the Great Discoveries, Inventions, and the People Who Made Them, From the Dawn of Time to Today. Boston: Houghton Mifflin. 2004: p. 65. ISBN 0-618-22123-9. 
  17. ^ Aveni, Anthony F. Empires of Time: Calendars, Clocks, and Cultures. Tauris Parke Paperbacks. 2000: p. 92 [2008-06-22]. ISBN 1860646026. 
  18. ^ Collier, James Lincoln. Clocks. Tarrytown, NY: Benchmark Books. 2003: p. 25. ISBN 0-7614-1538-6. 
  19. ^ O'Connor, J. J.; Robertson, E. F. Theodosius biography. School of Mathematics and Statistics, University of St. Andrews. [2008-04-01]. 
  20. ^ Buchner, Edmund. Solarium Augusti und Ara Pacis. Römische Mitteilungen. 1976, 83 (2): pp. 319–375 (German). }
  21. ^ Flamer, Keith. History of Time. International Watch Magazine. 2006 [2008-04-08]. 
  22. ^ Richards, p. 52
  23. ^ Pagani, Catherine. Eastern Magnificence and European Ingenuity: Clocks of Late Imperial China. University of Michigan Press. 2001: p. 209 [2008-06-21]. ISBN 0472112082. 
  24. ^ 24.0 24.1 Schafer, Edward. The Golden Peaches of Samarkand: A Study of T'ang Exotics. University of California Press. 1963: pp. 160–161. ISBN 0520054628. 
  25. ^ Chang, Edward; Lu, Yung-Hsiang. Visualizing Video Streams using Sand Glass Metaphor. Stanford University. December 1996 [2008-06-20]. 
  26. ^ American Society of Mechanical Engineers. Proceedings of the 2002 ASME Design Engineering Technical Conferences. American Society of Mechanical Engineers. 2002. ISBN 079183624X. 
  27. ^ Schafer, Edward H.. Great Ages of Man: Ancient China. New York: Time-Life Books. 1967: p. 128. 
  28. ^ Al-Hassani, Salim. The Astronomical Clock of Taqi Al-Din: Virtual Reconstruction. FSTC. 19 June 2008 [2008-07-02]. 
  29. ^ Silva de Mattos, Bento. Alberto Santos-Dumont. American Institute of Aeronautics and Astronautics. [2008-06-21]. 
  30. ^ Prochnow, Dave. Lego Mindstorms NXT Hacker's Guide. McGraw-Hill. 2006. ISBN 0071481478. 
  31. ^ Marrison, W. A.; Horton, J. W. Precision determination of frequency. I.R.E. Proc. February 1928, 16: pp. 137–154. 
  32. ^ Marrison, vol. 27 pp. 510–588
  33. ^ Electronic Quartz Wristwatch, 1969. IEEE History Center. [2007-08-31]. 
  34. ^ Dick, Stephen. Sky and Ocean Joined: The U.S. Naval Observatory, 1830–2000. Cambridge University Press. 2002: p. 484 [2008-06-20]. ISBN 0521815991. 

參考[编辑]

廷伸閱讀[编辑]

  • Andrews, William J. H. The Quest for Longitude. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. 1996. ISBN 978-0964432901. OCLC 59617314. 
  • Audoin, Claude; Guinot, Bernard. The Measurement of Time: Time, Frequency, and the Atomic Clock. Cambridge: Cambridge University Press. 2001: p. 346. ISBN 0521003970. 
  • Bartky, Ian R. The Adoption of Standard Time. Technology and Culture. 1989-01, 30: pp. 25–56. doi:10.2307/3105430. 
  • 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.
  • Cowan, Harrison J. Time and Its Measurements. Cleveland: World Publishing Company. 1958: p. 159. 
  • Dohrn-Van Rossum, Gerhard. History of the Hour: Clocks and Modern Temporal Orders. Chicago: University of Chicago Press. 1996: p. 463. ISBN 0226155102. 
  • Garver, Thomas H. Keeping Time. American Heritage of Invention & Technology. 1992-Fall, 8 (2): pp. 8–17. 
  • Goudsmit, Samuel A.; Claiborne, Robert; Millikan, Robert A.; et al. Time. New York: Time Inc. 1996. 
  • Hawkins, Gerald S. Stonehenge Decoded. Garden City, N.Y.: Doubleday. 1965: p. 202. ISBN 978-0385041270. 
  • Hellwig, Helmut; Evenson, Kenneth M.; Wineland, David J. Time, Frequency and Physical Measurement. Physics Today. 1978-12, 23: pp. 23–30. 
  • Hood, Peter. How Time Is Measured. London: Oxford University Press. 1955: p. 64. ISBN 0198366159. 
  • Howse, Derek. Greenwich Time and the Discovery of the Longitude. Philip Wilson Publishers, Ltd. 1980: p. 254. 
  • Humphrey, Henry; O'Meara-Humphrey, Deirdre. When is Now?: Experiments with Time and Timekeeping Devices. Doubleday Publishing. 1980: p. 79. ISBN 0385132158. 
  • Itano, Wayne M.; Ramsey, Norman F. Accurate Measurement of Time. Scientific American. 1993-07, 269: pp. 56–65. 
  • Jespersen, James; Hanson, D. Wayne. Special Issue on Time and Frequency. Proceedings of the IEEE. 1991-07, 74 (7). 
  • Jespersen, James; Fitz-Randolph, Jane. From Sundials to Atomic Clocks: Understanding Time and Frequency 2nd (revised) edition. Mineola, New York: Dover Publications. 2000: p. 345. ISBN 0486409139. 
  • Jones, Tony. Splitting the Second: The Story of Atomic Timekeeping. Bristol, UK: Institute of Physics Publishing. 2000: p. 199. ISBN 978-0750306409. 
  • Landes, Davis S. A Revolution in Time: Clocks and the Making of the Modern World. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. 2000: p. 518. ISBN 978-0674768000. 
  • Lombardi, Michael A., NIST Time and Frequency Services, NIST Special Publication 432*, revised 2002.
  • Mayr, Otto. The Origins of Feedback Control. Scientific American. 1970-10, 223 (10): pp. 110–118. 
  • 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.
  • Morris, Richard. Time's Arrows: Scientific Attitudes Toward Time. New York: Simon and Schuster. 1985: p. 240. ISBN 978-0671617660. 
  • Needham, Joseph; Ling, Wang; deSolla Price, Derek J. Heavenly Clockwork: The Great Astronomical Clocks of Medieval China. Cambridge: Cambridge University Press. 1986: p. 253. ISBN 978-0521322768. 
  • Parker, Richard Anthony. The Calendars of Ancient Egypt. University of Chicago. 1950. OCLC 2077978. 
  • Priestley, John Boynton. Man and Time. Garden City, New York: Doubleday. 1964: p. 319. 
  • Seidelmann, P. Kenneth, ed., Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac, Sausalito, Calif.: University Science Books, 1992.
  • Shallies, Michael. On Time: An Investigation into Scientific Knowledge and Human Experience. New York: Schocken Books. 1983: p. 208. ISBN 978-0805238532. 
  • Snyder, Wilbert F. and Charles A. Bragaw, "In the Domains of Time and Frequency" (Chapter 8), Achievement in Radio, NIST Special Publication 555*, 1986.
  • Sobel, Dava. Longitude. London, England: HarperPerennial. 2005: p. 208. ISBN 978-0007214228. OCLC 60795122. 
  • Thompson, David, The History of Watches, New York: Abbeville Press, 2008.
  • Waugh, Alexander. Time: Its Origin, Its Enigma, Its History. Carroll & Graf Publishing. 1998: p. 280. ISBN 0786707674. 

相關條目[编辑]

外部連結[编辑]

Template:Time-stub