大航海时代到20世纪初的计时革命

张武昌2026年1月1日 元旦假期 周四

 

 

计时的概念非常宽泛，可以以年、月、日为单位，本文主要以秒为单位。

古埃及将一日分为12时的白天和12时的夜晚，他们也这样子来区分四季。古希腊天文学家，包括希巴谷和托勒密，定义太阳日的24分之一为时。 以六十进制细分时，使得秒是一太阳日的86,400分之一。

公元 150 年左右，希腊 - 埃及数学家克劳狄乌斯·托勒密在其著作《天文学大成》中首次描述了秒的国际单位。他将秒，即分之一秒，定义为一分钟的六十分之一。他还绘制了包含经纬线的地图，奠定了地球坐标系统的基础。

 

大航海以前日晷和水漏

但是长久以来，人们计时的主要单位是小时，即将一天（日）分成小块（寸）。计时的工具为日晷[rì guǐ] （英语为sundial）和水（沙）漏（英语为hour glass timer）的方式计时。秒这个单位实在过于短小，在这些计时工具中无法达到这个精度。

 

重力机械钟

机械钟表的发明和应用是一个相对漫长的过程，伴随着人类社会科学技术的发展和人们对自然认识的提高。简而言之，机械钟是以弹簧（弹簧）变形恢复所释放的能量或下落重物的重力为能量，以机械转动系统为时间基准来测量时间和周期的机械机构。

 

据传机械钟起源于中国。西方（欧洲）有记录最早的钟造于996年，现存最早的钟造于1386年。都是修道院的修士建造的，因为他们准点吃饭祈祷，所以对时间有要求。没有表盘和指针，整点的时候发声。

 

大约在13世纪末的欧洲，这头“巨兽”发出了第一声心跳。最初的机械钟并非我们今日所见的精巧模样，而是由重锤、绳索和巨大齿轮构成的庞然大物，被安置在修道院和城市中心的钟楼里。它们没有表盘，更没有分针和秒针，唯一的任务就是每隔一小时敲响巨钟，向全城宣告时间的流逝。 其革命性的核心，在于一个名为擒纵机构的天才设计。我们可以将其想象成一个“开关”：

1. 动力来源：一个巨大的重锤在重力作用下缓缓下落，通过绳索驱动主齿轮持续转动。

2. 节奏控制：擒纵机构像一个周期性摆动的“卡销”，它以极快的频率一“擒”一“纵”，不断地卡住又释放主齿轮。

3. 结果：原本连续、不可控的下落力量，被转化成了一连串离散、均匀的“滴答”声。每一次“滴答”，都代表着一个标准的时间单位。

这第一次心跳虽然粗糙，但意义非凡。它宣告了人类不再仅仅是时间的观察者，而成为了时间的制造者。从此，时间不再是上帝的神秘恩赐，而是可以被人类用机械逻辑精确复制的产物。城市的节奏开始从教堂的钟声转向钟楼的准点报时，一种统一、纪律化的生活方式开始萌芽。

发条机械钟

15世纪，发条的发明是机械钟走出高塔、进入家庭的关键一步。它用一根盘绕的弹性钢带取代了笨重的重锤，这意味着 钟表不再需要依靠重力工作。动力被巧妙地储存在一个小小的金属盒里，钟表终于可以被平放、移动，甚至随身携带。 这场革命的最终产物，便是16世纪在德国纽伦堡诞生的怀表。这些被称为“纽伦堡蛋”的早期便携式时计，虽然体型笨重、走时不准，却是一种前所未有的身份象征。拥有它，意味着你不仅拥有财富，更拥有了“私人的时间”。时间第一次从公共领域被切割下来，装进了贵族的口袋里。

 

大航海到1900年

1492年，哥伦布发现了新大陆，大航海时代开启了。

在1500年代，钟表上出现了秒针，但是这时的一秒不要当真。

 

哥伦布走的是北纬28度这一条直直的航线。这是因为当时人可以测量纬度，却难以准确定位经度，船只通常要么沿着海岸线行驶，要么到达固定纬度之后，再沿着纬度圈行驶，否则很有可能迷航，遇到灭顶之灾。郑和下西洋也是如此，因为只能沿着海岸线走，所以最远只能到达非洲。由于定位不了经度，哥伦布发现美洲所引发的航海热，也随之引发灾难，大批船只迷路招致了毁灭，航海大国西班牙的损失尤其惨重。

纬度的概念与亚历山大大帝的东征密切相关。公元前334年，随军地理学家尼尔库斯发现沿着亚历山大东征的路线，由西向东季节变换与日照长短都很相仿。在绘制地图时，他首次在地球上划出了一条纬线，这条线从直布罗陀海峡起，沿着托鲁斯和喜马拉雅山脉一直到太平洋，标志着纬度的起源。赤道被定义为0°纬度，向北和向南分别增加至90°，形成了北纬和南纬的概念。

 

在航海历史上，测量经度一直是一个难题。早期的航海者能够通过太阳的高度测量纬度，但经度的测量则依赖于准确的时间记录。地球自转一周360度，要经历24个小时。

1530年，荷兰天文学家伽玛·弗里西斯（Gemma Frisius）提出了“以时间确定经度”的设想。根据地方时与经度差异的关系，如果知道两个地方时间差和地球自转的速度，就能知道经度差异。他设想携带钟表去航海，到达新的地点后利用太阳高度测量当地时间，再做对比就能知道到达地和出发地的经度差。可当时的钟表技术却无法支持这样一个“ 聪明的构想”。就连牛顿也认为，“钟表法”理论上是可行的，但是由于船只的运动，远洋途中湿度、温度和重力的不断变化，能够在这样状态中准确行走的钟表很难造出来。

 

为了解决这一问题，很多国家用悬赏的方式。

1598年西班牙国王菲利普三世宣布设立经度奖金，任何人只要找出海上测量经度的方法，就可以获得2000杜卡托的巨额奖励。

1610年，意大利天文学家伽利略经过6年的观察，发现木星的4颗卫星的转速和轨道都极有规律，可以以此定位经度。伽利略踌躇满志，将想法提交给西班牙来换取奖金，但是这个天才的想法竟然被冷落了。

1638年，伽利略把这个方法提交给了荷兰，1641年荷兰派科学家惠更斯拜访伽利略讨论可行性，但是没等两人会面，伽利略就已经去世了。

 

 

摆钟

17世纪出现了钟摆pendulum，据说，1582年，伽利略观察自己故乡的比萨大教堂天顶上吊灯的摆动，发现了单摆现象：摆锤的摆动具有等时性，即，虽然吊灯的摆动速度（幅度）会发生变化，但是每次摆动花费的时间（以自己的脉搏计时）是一致的。

 

 

伽利略·伽利莱（1564-1642）在生命的最后一年设计过一座摆钟，但是没有制作出来，他的儿子在 1649 年完成了制作）。

 

 

伽利略生前没有给出单摆运动的具体公式，这项工作最终由荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯Christiaan Huygens完成，他推导出了我们今天在课本上见到的单摆周期公式：

 

T=2π（l/g)1/2

 

其中，l是单摆的长度（摆球重心到固定点之间的距离），g为当地的重力加速度。摆动周期与物体质量无关，并且与摆长的平方根成正比。

 

1638年，伽利略把观星法估计经度的思路提交给了荷兰，1641年荷兰派科学家惠更斯拜访伽利略讨论可行性，但是没等两人会面，伽利略就已经去世了。

 

 

1657年，28岁的惠更斯把重力摆引入机械钟，发明了摆钟。摆钟的精确度是欧洲以前计时器的100倍，将每天平均15分钟的误差，改进到每周大约一分钟的误差，每天误差最多15秒。被认为是第一次（较为）精确的计数秒，此时秒的可测量性进入人们的视野。

 

 

Reconstruction of Huygens' pendulum timepiece, illustrated in his Horologium treatise of 1658. The clock is controlled by a pendulum and driven by a weight.

惠更斯的摆钟复制件

 

像大多数发明一样，关于谁首先发明摆钟存在竞争性主张。荷兰人萨洛蒙·克洛斯特就是其中之一，但由于他之前与惠更斯合作过，看来他不太可能是原创发明者。惠更斯在他的著作《Horologium》（1657 年）中向更广泛的科学界展示了他的摆钟，该书前言将最初的创意归功于伽利略。惠更斯于 1673 年发表了另一本关于摆钟的重要著作，即他的《Horologium Oscillatorium》。

尽管摆钟在计时方面取得了巨大进步，但它仍然不够精确，无法满足航行的需求。像惠更斯这样的发明家曾努力制造能够承受海上颠簸和湿度的摆钟，但这些尝试普遍未能成功。无论如何，每天损失10到15秒对于航海家准确确定经度（东西位置）来说远远不够。

本质上，要确定经度，航海家需要知道他们所在地的当地时间，并将其与参考时间进行比较，通常是与已知地点（如船只的家乡港口）的时间进行比较。随着船只开始环球航行，一个不准确的时钟在单次航行中可能会损失大量时间。寻找经度成为几个国家的国家级项目，并为能够发明出精确计时仪器的发明家提供奖金。甚至像东印度公司这样的私营公司也为发明家提供资金，以制造精确的时间测量工具。

平衡轮计时

1659 年，他又制造出另一种全新的时钟，它不是用摆来计时，而是采用一根在弹簧的拉动下振动的轮子————即所谓平衡轮，来计时。为了使平衡轮能持续振动，惠更斯又发明了擒纵轮，它的作用是，当平衡轮每次经过平衡位置时，擒纵轮就轻触它一下，以补充能量，从而维持其不断振动。

自此，惠更斯提出的平衡轮和擒纵轮成为传统钟表的核心结构，直到现在，这一结构仍然是所有机械钟表的技术标准。

 

平衡轮与擒纵轮结构示意图

 

惠更斯在 1675 年利用平衡弹簧的新原理，成功制作了一款小型便携式计时器。这种弹簧能够有效地模拟摆钟的作用，但可以在非常小的空间内实现，并且不受手表外部运动的影响。当惠更斯首次绘制他的弹簧驱动手表草图时，他在日记中写道：“我找到了！”（阿基米德发现浮力时喊的话）。

 

惠更斯向巴黎皇家学院展示了他新手表的工作模型。不幸的是，随后他与英国科学家、臭名昭著的律师罗伯特·胡克（1635-1703）就手表弹簧机制产生了优先权争议。胡克声称他在1658年就有了这个想法，但由于未能找到为该项目提供资金的投资人，所以没有将其付诸实践。可能是胡克和惠更斯的共同朋友罗伯特·默里（1608-1673）将胡克的计划传达给了惠更斯。为了证明他的主张，胡克在1675年建造了一座弹簧驱动钟，由汤姆森协助，汤姆森为格林尼治天文台制作了第一批钟表。第三位发明家，巴黎钟表匠伊萨克·图雷特，也声称开发了一种新型手表。惠更斯雇佣了图雷特制作他的发明模型，因此这位法国人的优先权主张非常可疑。

 

最终，没有发明家获得专利，各地的钟表匠现在都在制造带有摆轮弹簧的时间装置。

 

一个使用平衡弹簧的钟表机制。由托马斯·汤姆森（1639-1713）制造。这类钟表，其中这个是最早幸存的之一，比摆钟大大提高了精度。制造于 1675 年至 1679 年之间。/ 谢谢 科学博物馆（伦敦），知识共享许可

 

摆轮弹簧提高了精度并减小了钟表的大小。这些装置现在精确到足以在表盘上安装分钟和秒针。然而，对于航海来说，它们仍然不够好，因为几秒钟的误差就会导致地理位置上的巨大差异。

 

但令人遗憾的是，直到惠更斯去世，他都并没能成功地研制出适合海上航行条件、精确到可以测量经度的航海计时器。

 

没有达成最终目标，这也许是惠更斯的一大遗憾。

 

惠更斯和胡克制作航海钟的失败反倒坚定了其他人尝试其他道路的信心。

 

 

航海钟

 

 

1707年，英国海军上将克劳迪斯里·肖维尔率领舰队在地中海打败了法国舰队。可是在返航途中遇到了大雾，有12天见不到太阳。船员们只能通过对航速的估算，判断自己的位置。

当将军惊恐地发现舰队驶进了锡利群岛中间时，为时已晚，在大雾弥漫的晚上，整个舰队的5艘军舰有4艘撞上暗礁并迅速沉没，1600多名水兵被淹死，肖维尔也死在锡利群岛。锡利群岛（The Isles of Scilly），又称夕利群岛，是英格兰康沃尔郡西南方约40-58公里处的岛群，由50余座小岛及礁石构成，总面积16平方公里。行政上为英格兰单一政区，议会兼具区郡职能。

 

这个事件引起了英国举国震惊，为了解决如何在海上确定航船的经度这个难题，英国国会于1714年成立了一个“经度委员会”（Longitude Board），著名科学家牛顿做顾问，通过了《经度法案》，以法律的名义宣布：任何人只要能找出在海上测量经度的方法，误差在1度以内的奖1万英镑；误差在2/3度以内的奖1.5万英镑；误差在0.5度以内的奖2万英镑。而2万英镑，相当于当时一位船长200年的收入。

 

1729 年，布拉德雷利用光行差法测算出光速大约为 30.1 万公里/秒，这已经非常接近光速的准确值了。

 

 

 

约翰·哈里森（John Harrison，1693-1776）出现了。27岁时，他为当地一位爵士在庄园里建造了一座塔钟，每个月误差不超过1秒钟，准确性远远超过格林尼治天文台的钟。

 

在“经度委员会”的资助下，哈里森于1735年，成功地做出来了第一台航海钟H1，很好地解决了误差、船只晃动、暴晒高温等问题。H1 重达42公斤，被装在一个长宽高均为1.3米左右的铜壳内。后来，经过不断更新和改进，哈里森相继造出H2、H3。

直到1759年，耗时6年建造完成的、世界上最精美的航海钟表H4问世了。这是个大号的怀表，直径13厘米，重1.45公斤，可以很容易地装进一个银表盒里随身携带。不使用钟摆，并在热胀冷缩和润滑等方面做了技术改进。每次上满弦可以走时30小时。

A series of Marine Chronometer devices made by John Harrison – H1 to H4

 

1761年海试，哈里森的儿子威廉带着H4，登上了前往牙买加的“德普特福德号”战舰。经过81天的颠簸航行，当船队抵达目的地时，H4所指示的格林尼治时间与当地时间计算出的经度，误差仅为5.1秒，换算成距离，还不到2英里。这个精度远远超过了经度法案最高奖项的要求。

 

 

然而，经度委员会中的天文学家派系，尤其是马斯基林，对这个“小盒子”的成功持怀疑态度。他们认为这可能只是一次侥幸，一个机械装置的稳定性无法与永恒的天体运行规律相提并论。他们设置了重重障碍，拒绝向哈里森颁发全额奖金。委员会要求进行第二次试航，并强迫哈里森公开H4的所有设计秘密，以便他人能够复制。哈里森忍辱负重，一一照办。在第二次前往巴巴多斯的航行中，H4再次以无可挑剔的精准度证明了自己。即便如此，委员会依然百般刁难，只肯支付一半的奖金，

 

在走投无路的情况下，哈里森做出了一个惊人的决定——他通过朋友联系上了国王乔治三世。国王亲自测试了哈里森的第五台计时器H5后，被其卓越的性能所折服。在国王的亲自干预下，议会最终绕过了经度委员会，在1773年额外授予了哈里森一笔巨款，使他获得的奖金总额接近2万英镑的全奖。此时，距离《经度法案》颁布已过去了近60年，哈里森也已是80岁高龄。这位来自乡间的木匠，用一生的执着，终于战胜了学术权威和官僚体系，为自己的发明赢得了应有的荣耀。

2002年，BBC组织的100个最伟大的英国人公众投票中，约翰·哈里森排名第39位。

英国海军部与哈里森意见一致，尽管政府在“经度奖”问题上拖延不决，但他们还是委托约翰·阿诺德大规模生产哈里森的航海计时器，并从此向所有皇家海军舰艇发放这种计时器。

然而，哈里森的航海钟设计存在诸多制造上的技术难题，最终被证明不适合大规模生产，造价非常昂贵，并没有真正装配给海轮。

 

罗伊的重大改进棘爪擒纵钟表

在海上确定经度是法国当时的一项重要任务。得益于鲁伊耶·德·梅斯莱的遗赠，法国科学院从 1714 年起开始设立奖项，以鼓励改进航海技术和开展科学研究航行。这一举措恰逢英国议会设立类似奖项之前。到 18 世纪 60 年代，两位竞争的钟表匠——皮皮埃尔·勒·罗伊Pierre Le Roy(1717 - 1785)和费迪南德·伯托德——设计出了适用于航海的计时器，并于 1769 年和 1771 年进行了测试航行。

由于一些意想不到的困难，罗伊多年来一直未能成功制造出一款真正的精密航海钟。1764 年，他终于完成了一款“航海钟”，其配备了使用汞的自动温度补偿摆轮。后来，他发明了一种创新的双金属分离式摆轮，其设计灵感来源于哈里森此前开发的双金属补偿机制。罗伊于 1766 年完成了一款航海钟，该钟具备了现代航海钟的诸多要素——一种专门的擒纵机构、一种专门的摆轮弹簧以及一种能补偿温度变化的摆轮。1769 年，学院因他的这一成果授予他梅斯莱奖。与哈里森的时计一样，勒罗伊的时计结构复杂，而且他的作品并未被他人直接复制。

费迪南德·伯托德是一位在巴黎工作的瑞士侨民，他在英国见到了约翰·哈里森最早的航海钟，并随后自行制造了类似的钟表。他的时计在海试中从未超过皮埃尔·勒罗伊的时计，但伯托德制造的数量远超他的对手。他声称自己超过 50 件的时钟参与了 80 次航行。伯托德的一款罕见的重力驱动式航海钟启发了波士顿钟表匠威廉·邦德制作了一款同样风格的航海钟。

但是罗伊发明了革命性的钟表棘爪擒纵机构，这是一种创新的止动式擒纵机构，该机构配备了一种机制，能够减轻温度剧烈变化时擒纵轮对摆轮造成的冲击，并且还设有摆轮杆以保持主发条扭矩的恒定。这从根本上解决了颠簸和温度对钟表误差的影响，今天的机械钟还在使用这个原理。

对于法国来说，这实在是一大憾事。勒罗伊原本花了 20 年时间进行研究，却因缺乏资金而被迫放弃。与英吉利海峡彼岸的其他同时代人不同，法国政府并未对勒罗伊的事业给予任何支持。

 

这一个简单的机构，就省下了哈里森钟里面一大堆零件，也让远洋航行的船只能用上精密确定经度的航海钟了。

 

便宜的航海钟marine chronometer

英国人约翰·阿诺德和托马斯·恩肖采用了配备勒罗伊发明的前沿式止动摆轮装置的航海钟技术。随后他们将这一设计推广开来，从而能够大量供应价格低廉的航海钟。

阿诺德和厄恩肖通过改进勒罗伊的棘爪擒纵机构，制造出了约 1000 只价格低廉的航海钟。他们摒弃了传统的枢轴式棘爪，采用了弹簧式棘爪擒纵机构，这种设计通过弹簧的弹性力使擒纵轮的齿移动，从而提高了精度和质量。

到1825年，航海钟发明60多年后，英国的舰船普遍用上航海钟。从1530年“以时间确定经度”的设想的提出，没想到，一个“经度钟”竟制约了远洋航海近三百年。

 

 

 

 

这一制造业项目帮助英国在海上确立了全球霸权地位。哈里森发明了当时性能最佳的技术应用，而勒罗伊则设计出了现代精密计时器中那些富有创意但至关重要的机制，比如止动擒纵机构、分离擒纵机构和补偿式游丝。这些进步，再加上政府对敌对国家技术的借鉴政策，使英国最终确立了霸权地位。在 1860 年，英国皇家海军就已部署了超过 200 艘舰船，据说其拥有的精密计时器多达 800 台。

 

凭借在准确且自由地航行海洋方面的新能力，英国统治着七大海域。借助工业革命的当代进步，它也成为了世界的工厂。精密计时器的开发和制造在英国的成就中发挥了重要作用。

 

格林威治时间GMT

经度钟的使用除了精确计时之外，还需要陆地上的时间参考线，经线。这个参考线被称为prime meridian，本初经线，或者本初子午线。

到了 19 世纪，英国已成为世界领先的海上强国。其海军的主导地位促使格林威治子午线的使用日益增多。1675 年，国王查理二世在伦敦的格林威治建立了皇家天文台，旨在改进海上导航。该天文台成为天文学研究和导航的关键中心。由于英国广泛的全球贸易网络，其子午线的地位愈发重要。

1767 年，英国海军部采用了格林威治子午线。他们将其确立为英国航海图的官方本初子午线。这一决定进一步巩固了其地位。到 19 世纪初，格林威治子午线在英国地图上得到了广泛使用。其影响力随着其他国家采用英国的航海图用于国际贸易和探险而传播开来。

然而，其他国家，如法国、西班牙和美国，仍继续使用自己的国家子午线。导航和计时没有统一的全球标准，这给全球通信和旅行带来了诸多麻烦。

 

随着 19 世纪的推进，建立一个标准化的经度和时间体系的需求变得愈发明显。尤其是在电报、铁路和蒸汽船出现之后，这种需求就显得尤为必要。这些创新手段使世界之间的联系比以往任何时候都更加紧密。不同国家采用不同的经线会导致混乱，因为铁路时刻表、电报系统和地图都需要保持同步。

在 1870 年，普鲁霍瓦天文台台长奥托·斯特鲁夫向俄罗斯地理学会提交了一份关于五条经线的研究报告——其中三条经线在当时被广泛使用，分别是格林威治经线、巴黎经线和耶罗经线（定义为巴黎经线西侧 20°），还有格林威治经线加 30°（西）以及格林威治反经线（格林威治经线加 180°）。斯特鲁夫的研究不仅考虑了地理学家的需求，还考虑了航海家和天文学家的需求。他偏爱格林威治经线，但他也清楚地意识到，其他国家中那些无法或不愿放弃本国经线的人可能会提出反对意见。正如伊恩·巴特基在其著作《一个时代适用于所有》中所说，斯特鲁夫的研究“可以被视为后来长达半个世纪的争论中的第一枪，这场争论旨在让全世界采用格林威治作为经度的通用经线”。

1884 年，国际子午线会议在华盛顿特区召开，来自 25 个国家的代表出席了会议。会议的主要目标是设立一个用于航海和计时的单一标准子午线。包括巴黎和华盛顿在内的几个城市被提议作为选定子午线的可能地点。但经过长时间的辩论，与会代表一致投票支持格林威治。

选择格林威治有以下几个原因：1.  英国航海图的普及情况：到那时，全球超过三分之二的船只所使用的地图和航海图都以格林威治子午线为基准。2.  天文及科学影响：格林威治皇家天文台已成为天文研究领域的领军机构，进一步提升了其在国际上的声誉。3.  实际考量：格林威治经线的使用早已十分普遍，这使得各国能够较为顺利地采用这一经线，而不会造成太大混乱。

最终投票将格林威治经线确定为本初子午线。同时，还确立了我们如今所使用的时区体系。大家一致同意将地球划分为 24 个时区。每个时区的经度间隔为 15 度。格林威治标准时间（GMT）是标准参考时间。影响与遗产

采用格林威治子午线这一决定对全球导航、时间计量和地图绘制产生了深远的影响。它确立了一种统一的方法。这种方法使得全球的交流和旅行更加高效。现在所有人都以同一个参考点为基础开展工作。此外，时区系统使得世界各地的时钟能够同步。这种同步对于现代工业的发展至关重要。它对于交通和通信网络也必不可少。

尽管大多数国家都欣然接受了格林威治子午线，但法国却抵制了数十年。直到 1911 年，它仍继续使用巴黎子午线来绘制地图和进行时间计量。

到了 20 世纪初，格林威治子午线已成为全球公认的标准。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自张武昌科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-39359-1516725.html

上一篇：核与核寻