34.钟表与力学的发展.docVIP

PAGE  PAGE 7 钟表和力学的发展 莎士比亚写的戏剧《朱利奥·凯撒》的第二幕第二场中有一段对话： 凯：……现在几点了？ 布：凯撒，已敲过八点了。 其实在凯撒的时代（公元前一世纪）根本就还没有报时钟。能自动敲点报时的钟大约是那时代往后一千四百多年才发明的。莎翁以自己的生活经验写他之前一千六百多年的事，由于没有注意计时器的历史发展进程，因而闹出了笑话。犹如我们现在写莎翁打电话一样荒唐可笑。 在现代社会中，钟表不仅是科学技术中重要的计时手段，而且已经变成日常生活的必须品了。然而人类计时的发展是经过漫长的岁月的，本文就是要着重谈谈与钟表发展历史有关的一些问题。 计时手段的发展和力学的学科发展有着十分密切的联系。力学的发展依赖于计时，力学的发展又反过来促进计时的发展与革新。 我们常说，力学是研究物质机械运动的学科。所谓机械运动是物体在空间中、在时间过程中发生的位置变化。力学又可以分为动力学和静力学两个部门。 静力学是研究平衡的学问，和时间的关系不大，所以大约在16世纪，在较精密的计时装置发明之前，斯蒂芬（Simon Stivin,1548－1620）以发现了力的平行四边形合成道理而宣告静力学的系统化。在他的《静力学》专著中只用到了几何学。 而动力学就不同了，它的确立必然要和精密的时间量度项联系。所以动力学的发展同精密计时手段的发展是相辅相成的。 为了说明精密计时同力学发展的关系，让我们首先观察一架现代的计时装置由哪些部分组成。拿任何钟表来说，它一般由三部分组成，这就是动力部分、传动部分和控制部分。 先从控制部分说起，它是计时器的心脏。它具有一个标准的运动装置，是一个标准的依时间均匀地直线运动或等时地周期运动装置。这部分提供计时系统运动的标准。同时还要有一个称为卡子（擒纵器）的机构，用来使系统的运动和标准的运动同步。 其次是传动部分，用以将标准运动的时间经过经过复杂的转换显示出来。例如打更、举旗、指针和文字显示等。 最后就是动力部分。这部分提供自动计时器的原动力或能源。 严格地说，这三部分都是和力学不可分的。从远古起它们就在发展并且积累了相当多的知识。 大约在中国的南宋时代，有一位学者薛季宣（1134－1173）总结当时的计时手段时说：“晷漏有四，曰铜漏、曰香篆、曰表圭、曰辊弹。”这段话被稍后的南宋学者王应麟摘录于《小学绀珠》中。这里“晷漏”是计时器的总称。所说的四种方式我们分别介绍如下。 “铜漏”是一种用来计时的贮水铜制容器。下部有孔，水不断泄漏。水位下降，指示水位的刻度便可以告诉你时刻。此类装置在古代西方与中国都有考古发现。最早出土的漏壶在埃及，大约成器于公元前3400年。其形状为顶端大底部小的截锥体。由于水位高时水流得快，低时流得慢，这样可以使水位大致保持均匀下降。中国出土最早的漏壶大约在西汉，之后一直到明代还在使用。古书上形容大臣们按时去早朝为“待漏”。漏壶后来也有以沙代水的，称为沙漏。 “香篆”是以点燃一种用木屑加胶制成的条状物（称为“香”）来计时的。中国最早用香作为祭祀与祷告的用品，即“香烟缭绕，以达神明”，以后才用以计时。看香燃烧的长度来确定时刻。用香还能制成一种“闹钟”。方法是在香的某个长度上系一段线，线的另一头系一小铜球，当香燃烧到系线处便将线烧断，这时小铜球便落在下面预置的盘中，发出响声。在西方虽然没有烧香一说，但古代有以燃烧蜡烛的长度来计时的办法。 “圭表”是测日影长度和角度的仪器。直立者为圭表，斜立者且底盘有分度者为日晷。它们是一切仪器中最为古老的。以测日影长度和角度定时间的办法起源很早，东西方都在距今约三四千年以前。 前面介绍的这三种计时办法，“香篆”和“圭表”都不准确。前者同是一根香，燃烧速度受气温气流的影响很大，何况不同的香燃烧速度有很大的不同。而后者因为影子的边界模糊不易测准，而且在阴天就失败。比较起来铜漏相对好一点。所以据《周礼》所记，中国古代从周朝开始就已经有专门掌管时刻的官职，如“夏官掣壶氏”等。一直到明末以后，漏壶才逐渐被现代钟表所代替。 以上三种计时方式还有一个共同的缺点就是观察不方便。铜漏的刻度是在壶的内壁，古时不像现在有玻璃器皿，观察刻度比较方便。怎样才能使漏壶的度量变为易于观察的标志，从汉到明的一前多年中，颇有人动过不少脑筋，通过十分复杂的机构以达到这一目的。这就是所谓“辊弹”，也就是现代钟表的前身。 最早的机械辊弹，要数东汉张衡（78－139）所造的浑象仪了。它利用漏壶流水来驱动，以一套复杂的齿轮系统传动使之均匀地绕极轴旋转，可以调整使其旋转速度和天球旋转速度大致一样。这样一来，昼夜星辰出没都可以实际显示出来，因此它又被称为水转浑天仪。不仅如此，它还可以表演月亮盈亏，所以实际上还相当于一架粗制的带日历的大钟。继张衡之后，三国时吴国的陆绩、葛衡，宋代