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《时间之问26》从贾宝玉的怀表到居里兄弟的晶体 精选

已有 6998 次阅读 2018-4-21 13:39 |系统分类:科普集锦

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一周之后,老师和学生又见面了。

“上次我们说到机械钟和单摆。” 学生说道。

“对,机械钟里存在两种此消彼长,相生相克的机制。正是对这种机制的完善和改进,让机械钟走过了三个多世纪。这三个世纪也让机械钟从诞生地流传到全世界。” 老师说道。

“至今人们一提起时钟,首先想到的还是机械钟的模样。”

“对,一直到20世纪中机械钟仍是世界上使用最广泛的时钟。”

“那最早的机械钟是怎么传入中国的?”

“全球性航海的拓展拉开了各国文化交流的序幕。明朝万历年间,钟表随着传教士在开始进入了中国。自此,从皇宫到官宦之家都陆续装备上了这种时髦而华贵的时钟,就连曹雪芹的《红楼梦》里少不了高大的自鸣钟和小巧的怀表。”

“哦,对,上次我们聊到刘姥姥进大观园的那一回刘姥姥看到的座钟,除了这个,《红楼梦》里还有其它地方描写过这些罕见的西洋玩意吗?”

“有,总共十多处呢。比如第九十二回,冯紫英向贾政兜售一件自鸣钟,这“架钟表,有三尺多高,也是一个童儿拿着时辰牌,到什么时候儿就报什么时辰。里头还有消息人儿打十番儿”。这件钟表加上一件围屏,冯紫英说是可以做得贡品的,开口要价五千两银子!”

“这么贵,真是奇货可居!这“打十番”是什么意思?”

““打十番”应该是音乐盒,里面有多种乐器,到整点可以出来合奏。”

“难怪!除了这种摆钟,还有别的钟吗?”

“在第四十五回“风雨夕闷制风雨词”,黛玉正在作词,名曰《秋窗风雨夕》。吟罢搁笔,此时贾宝玉戴着大箬笠、身着蓑衣,冒雨来看黛玉。黛玉说:“谢你一天来几次瞧我,下雨还来。这会子夜深了,我也要歇着,你且请回去,明儿再来。” 宝玉听说回手向怀中徒出一个核桃大小的一个金表来,瞧了一瞧,那针已指到戌末亥初之间,忙又揣了。”

“哦,这核桃大的金表应该是一块怀表吧?”

早期的球形怀表

“嗯,对。那时的怀表还比较大,球形的。十六世纪, 德国纽仑堡人制成圆球型的“纽仑堡蛋”,标志着怀表的诞生。虽然怀表已经比自鸣钟小很多了,不过还是比较厚,所以看起来像一个核桃,而不是后来的像一块小圆饼。直到1710年英国人葛量汉(George Graham)发明了直进式擒纵装置,擒纵叉和轮齿在一个平面上,表身才由球形变成饼形。”

“有点意思。黛玉让宝玉先回去休息,已经很晚了吗?戌末亥初大概是什么时候?”

“大概是晚上九点钟左右。当然古人早睡早起,一般五更天不亮就起床,所以睡得也很早。”

“对了,我有个问题,西方钟表上是罗马字母或阿拉伯数字,而中国人则一直使用子丑寅卯的计时顺序,贾府的小姐公子们能看得懂吗?”

“嗯,这是个好问题。西方人早就考虑到了这一点,他们把钟表刻度全部改成了中国的十二个时辰名字。”

刻有中国时辰的钟表

“可是西方是24小时,中国是12时辰。”

“对,这样每两小时刚好对应一个时辰,而每个时辰的一半就是一“小”时,这就是为什么时辰前面要加一个“小”字。”

“啊!原来小时的“小”是这么来的!难怪“分”和“秒”就没有小分和小秒。”

“时辰和小时对应起来也很容易,子时就是午夜23:00-1:00;丑时就是1:00-3:00,寅时是3:00-5:00,卯时是5:00-7:00......”

子初:23:00~00:00 ;子正:00:00~01:00丑初:01:00~02:00 ;丑正:02:00~03:00寅初:03:00~04:00 ;寅正:04:00~05:00卯初:05:00~06:00 ;卯正:06:00~07:00辰初:07:00~08:00; 辰正:08:00~09:00巳初:09:00~10:00 ;巳正:10:00~11:00午初:11:00~12:00 ;午正:12:00~13:00未初:13:00~14:00 ;未正:14:00~15:00申初:15:00~16:00 ;申正:16:00~17:00酉初:17:00~18:00 ;酉正:18:00~19:00戌初:19:00~20:00 ;戌正:20:00~21:00亥初:21:00~22:00 ;亥正:22:00~23:00

“卯时是早上5:00-7:00。哦,俗话说的 “点卯”就是这么来的吗?”

“对,在《红楼梦》还真有一次清早点卯。”

“哦,是吗?因为什么事?”

“第十四回,王熙凤领命负责秦可卿丧事,给众人分派工作,这是王熙凤第一次处理这么大的事务,为了树立威信,她给奴婢们训话,要求每日做事必须守时。为此她要求清早卯正二刻点名,此外吃早饭、回事都有严格时间,过期不候。”

“不论大小事,我是皆有一定的时辰。横竖你们上房里也有时辰钟。卯正二刻我来点卯,巳正吃早饭,凡有领牌回事的只在午初刻。” --- 《红楼梦》第十四回《王熙凤协理宁国府》王熙凤训话

“卯正二刻是几点?”

“卯正二刻是早上6:30。”

“果然是点卯。”

“嗯,巳正10:00。”

“哦,起得这么早,忙活半天才吃早饭,遇到了王熙凤仆人也不好当啊。《红楼梦》里的人都睡得很早吗?” 学生说道。

“也不一定。比如第六十三回“寿怡红群芳开夜宴”,怡红院中,众小姐丫鬟给宝玉过生日,诸人夜聚博饮,掷殷子,占花名儿。玩得正起劲,只听有人叫门。原来是薛姨妈打发人来接黛玉的。众人因问几更了,人回:“二更以后了,钟打过十一下了。”宝玉犹不信,要过表来瞧了一瞧,已是子初初刻十分了。 ”

“子时就是23:00-1:00,这也挺晚了。不过子初初刻十分到底是几点几分了?”

“知道了规则也很容易计算。古代把每个时辰的第一小时称为“初”,第二小时称为“正”。例如子初就是23:00-24:00,而子正就是0:00-1:00。”

“哦,明白了,那后面的初刻又是什么呢?”

“你还记得吧?我们以前说过,在祖冲之那个年代,一昼夜分为100刻。”

“嗯,记得。”

“可是自从传教士利玛窦将西洋时钟引入中国,西方的计时方法也随之传入中国。西方的一刻是一小时的1/4,所以一昼夜96刻。为了协调时辰和西洋时钟,清朝顺治年间的新历法《时宪历》把一天100刻改为96刻。”

“这样一个小时就有四刻?”

“对,分别为初刻(0分)、一刻(15分)、二刻(30分)和三刻(45分)。”

“现在我搞懂了,初刻就是整点。”

“对,所以子初初刻十分就是23:10分了。”

“我猜,贾府这些时钟都很贵吧?”

“对,在《红楼梦》里,有一次王熙凤给贾母操持过生日,家里资金紧张凑不出钱,于是就把贾府里的一台金自鸣钟变卖,得钱五百六十两银子。”

“前儿老太太生日,太太急了两个月,想不出法儿来。还是我提了一句,后楼上现有些没要紧的大铜锡家伙四五箱子,拿去弄了三百银子,才把老太太遮羞礼儿搪塞过去了。我是你们知道的:那一个金自鸣钟卖了五百六十两银子。” ---《红楼梦》第七十二回

“哇,估计一般老百姓忙活几年都买不起一台钟!为什么那时钟表这么贵?”

“除了舶来品紧俏稀罕、钟表外观华丽,镶金镀银外,另外一个重要因素是机械时钟的轴承都会磨损,渐渐走不准。为了提高走时精度,一些高档钟表开始采用宝石作为轴承。”

“难怪!光机芯就让人买不起。”

“嗯,机械时钟就这毛病,无论发明什么结构的擒纵器和机轴,必定有磨损。”

“那怎么解决这个问题?只能另辟蹊径了?”

“对。要想减少磨损,就需要另外一种机制的时钟。这种新的物理机制要靠两位年轻的法国科学家兄弟来发现。他们是皮埃尔·居里(Pierre Curie)和他的哥哥雅克·居里(Jacques Curie)。兄弟两在1880年发现了晶体的一个特殊性质,此时皮埃尔·居里年仅21岁。”

雅克·居里(左)和皮埃尔·居里,以及他们的父母

“哦,他们有什么发现?”

“晶体的压电效应。居里夫人在《皮埃尔·居里》的传记里描述了这一发现的经过。”

皮埃尔·居里的哥哥取得学士学位后,在巴黎大学矿物系实验室做弗里代尔的助手。随后,皮埃尔和哥哥开始合作研究晶体... 这两位年轻的物理学家做了一系列实验,并成功地发现了一个前所未有的新现象:压电效应。即当晶体在对称轴方向上压缩或膨胀时,会产生极化电压。

--- 居里夫人《皮埃尔·居里传》

“这种压电效应意味着什么呢?”

“这意味着可以把机械变形转换为电压,就像单摆是在动能和势能之间转换,而压电效应能把振动的动能转换为电能。但这种新的能量转换方式与单摆不同,转换的过程中几乎没有磨损!居里兄弟发现的效应后来被称为正压电效应。”

“什么叫正压电效应?难道还有逆压电效应?”

“对。你一下就想到了!不过发现这个逆压电效应还要再等几年。”

“哦,那是谁发现的呢?”

“一个叫里普曼的科学家,他通过理论分析预言了逆压电效应应该也存在:晶体在受到电磁场作用时会出现非常微小的变形。”

压电效应引起的物体形变和两端电压的变化

“哦,刚好反过来,把电压转换为机械形变?”

“对。居里兄弟听到消息后,立即展开实验,他们成功观测到了晶体的逆压电效应,要知道这种形变极其微小,一般人很难用肉眼观察到。”

“正压电效应和逆压电效应,对于设计时钟有什么用处呢?”

“一个是从机械形变转换为电能,另一个是从电能转换为机械形变,二者对立互反所以有可能此消彼长,相生相克。”

“明白了,这也是机械时钟和单摆所具备的条件。一旦有了这个条件,就可以创造一种新型的时钟?”

“嗯,你说对了,这就是石英钟。1928年贝尔实验室的沃伦·马里森(Warren A. Marrison)发现了可以把这种压电效应来产生周期性的信号。这种计时方法完全不同于机械钟。”

“这是一种革命性、全新的东西?”

“对,这种变革完全可以同300多年前惠更斯发明的摆钟相媲美!而它的原理也非常简洁优雅。”

“是吗?它的原理是怎么样的?”

“只要在晶体外面施加一个正负相间的交流电压,就可以让晶体伸缩。反过来晶体的伸缩又会产生新的交流电压,这个交流电压又会激励晶体不停伸缩变形。二者此消彼长,却又相依相偎,周而复始。”

“如果把外加的交流电压去掉呢?石英晶体会停止振荡吗?”

“不会!一旦晶体的振动变形的频率和外加电压的频率相同,二者就会共振。即使撤掉外加电压,晶体的振动就足以自我维持,以此往复,同时晶体上会产生稳定频率的交流电压信号。”

“于是这稳定的周期信号就可以驱动时钟?”

“对。人们发现在所有的晶体中,石英晶体具有非常稳定的频率特性,频率值是32768赫兹,是做时钟的不二选择,以至于1939年英国格林尼治天文台也采用了石英钟作为计时标准,误差只有每天千分之二秒。”

“那这种石英钟会比机械钟还贵吗?”

“不,正好相反,石英和我们芯片里的硅一样,在沙子里很容易找到,所以价格低廉。从手机到电脑、从玩具到遥控器,几乎所有的电荷设备里都有一颗绿豆大小石英晶体。”

“才绿豆这么大!所以石英表也非常便于携带?”

“对。我们比较一下石英钟和摆钟,就会发现它们本质上一样的。”

“为什么呢?”

“摆钟利用的是单摆的固定频率,这个频率只与摆长有关,与幅度无关。”

“那石英钟呢?”

“而石英钟利用的石英晶体的固有振动频率32768赫兹,而且与振动幅度无关。”

“嗯,不过频率大小就相差太多了,石英晶体的32768赫兹远远高于单摆的振动频率。”

“对,所以石英晶体的用武之地远远超过了机械钟。它可以用在信号处理、自动控制等领域。不过对于无线通信来说,这频率还是小巫见大巫,太低了。”

“哦,是吗?无线通信的频率有多高?”

“就拿GSM通信来说吧,至少要900兆赫兹,是石英晶体的近3万倍,而蓝牙和Wifi的频率又是GSM的近3倍,达到了2.4GHz,甚至最新的Wifi达到了5GHz。”

“那这么高的频率又如何产生呢?”

“今天时间不多了,我们下次再聊吧。”

“好的,老师再见。”

“再见!”

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