为什么15分钟叫一刻钟？古代用漏壶的滴水计时，水面的升降显示到刻度尺上，一天共100刻。水滴下来发出“滴答滴答”的声音，而钟表的指针转动时发出“嘀嗒嘀嗒”的声音，从滴答到嘀嗒，人类走过了怎样的历程？
一周之后，老师和学生又见面了。他们坐下后，老师说：
“我们接着上次的聊，上次我们说到哪里了？”
“各种不同的时钟---无论是机械钟、石英钟还是原子钟---都能自主地、无休止地运行。”
“对。你还记得吗？这些时钟不仅仅是科学发明的结果，还出现在许多文学著作里。比如在《红楼梦》里，对当时的西洋的摆钟---当时叫自鸣钟---就有许多有趣的描述。”
自鸣钟
“是吗？我还以为自鸣钟进入中国是近代的事情呢？《红楼梦》里都有哪些描述？”
“不知你是否记得，刘姥姥进大观园时见到了一个奇怪的玩意，刘姥姥被它吓了一跳，曹雪芹的描写非常有意思。”
“刘姥姥只听见‘咯当’‘咯当’的响声，大有似乎打柜筛面的一般，不免东瞧西望的。忽见堂屋中柱子上挂着一个匣子，底下又坠着一个秤砣般一物，却不住的乱幌。
刘姥姥心中想着：‘这是什么爱物儿？有甚用呢？’
正呆时，只听得‘当’的一声，又若金钟铜磬一般，不防倒唬的一展眼。接着又是一连八九下。”
---《红楼梦·第六回 刘姥姥一进荣国府》
“嗯，那报时的当当声，着实让刘姥姥好生奇怪。不过，曹雪芹写作的清朝时，钟表就已经进入中国人的家中了吗？”
“其实比清朝更早的明朝末年，钟表就进入中国了。”
“哦，是吗？没想到哦，是什么人引入中国的？”
“明万历年间，传教士罗明坚和利玛窦第一次把钟表带入了中国。之所以选择钟表，是因为那时的钟表可是非常稀罕之物，便于他们作为稀有礼物进献给高官和万历皇帝。”
“为什么传教士选择进献钟表而不是别的礼物？”
“因为当时中国人自认为“天朝物产丰盈，无所不有”，但当他们第一次见到钟表这种会自己走动的仪器时惊讶得瞪大了眼睛。钟表指示的时间比起滴漏准确得多，到了正点还有小人自动出来敲钟报时，很有意思。”
“嗯，这成功俘获了当时骄傲的中国人。利玛窦的钟表礼物很管用吗？”
利玛窦
“对，明朝对外国人管理非常严格，不能长时间在中国停留，更不能擅自进入京城。但自鸣钟让利玛窦做了一次非常成功的“钟表外交”，钟表、世界地图等其它来自西方的礼物让他顺利打开了通往紫禁城的大门。利玛窦来到中国的近20年后终于得到了万历皇帝的接见。”
“万历皇帝喜欢利玛窦进献的自鸣钟吗？”
“非常喜爱。利玛窦进献了两件自鸣钟，一件 是钟楼式的，高度甚至超过了宫殿的门梁，所以它被安置在御花园，皇帝还特意为之修建了钟楼。另一件比较小巧，应该是台式的，外置木框，镶有吉祥的动物，每一刻钟鸣一次。皇帝一直把这个小钟放在自己的房间里。皇帝赏赐了京城的一处房屋给利玛窦居住，以便出故障时能随时来宫中修理。”
“哦，利玛窦传教士成了钟表匠！”
“对，自此以后京城所有修理钟表的都把利玛窦作为钟表的祖师爷，就像木匠把鲁班封为祖师爷一样。不少钟表店铺里会悬挂一幅黑袍人的画像，此人正是利玛窦。”
“利玛窦进献的是什么样的摆钟？是我们上次提到的惠更斯发明的摆钟吗？”
“应该不是。因为利玛窦是1601年进献的自鸣钟，而惠更斯发明摆钟要等到1656年的圣诞节。”
“如果不是惠更斯的摆钟，那会是什么样的时钟呢？”
“应该是用重物的重力驱动的机械钟。这种钟最早出现于13世纪的欧洲。有记录可循的第一座重力驱动的机械钟安装在英国贝德福德郡的邓斯特布尔修道院内，时间是于1283年。”
“有意思，在中国最早的时钟出现在皇宫和贵族家里，而西方最早的时钟是装在修道院，为什么不是装在欧洲的皇宫里呢？”
“因为罗马教会对祷告时间有着严格的规定，修士们迫切需要一种精准的计时仪器。而此时教会又聚集着大量懂知识的人才，而且财大气粗，又有闲暇时间去研究这新玩意。”
“哦，原来如此。”
“从14世纪初开始，欧洲各地的教堂里开始安装机械钟。这与中国的机械钟被深藏宫廷的命运正好相反，欧洲的时钟一开始就走向了市井。”
“这种机械钟到底是怎么工作的？”
“说来话长，这要先从机械钟之前的水钟开始说起。”
“水钟是什么？”
“如果你没有听过水钟，一定听说过刻漏了吧？”
“漏刻？我们常说的“午时三刻”，就是用这种仪器来计时的？”
“对。古代中国的漏刻其实是两部分，“漏”是一个盛水的壶，下面有小孔，水只能很缓慢地滴下来，发出“滴答滴答”的声音，速度较为均匀，所以用来计时。而“刻”是浮在水面的刻度尺，随着水面下降，刻度尺也下降，用来指示时间。不过以后也有改为上浮型的，原理一样。漏完一壶水的时间称为一刻。一昼夜是100刻。”
漏刻
“100刻？让我算算，一昼夜是24小时，也就是24x60=14400分钟，那每一刻就是14.4分钟。和现在的一刻15分钟很接近哦。”
“是的。”
“可是有个问题，水快要漏完的时候，水压变低，水流会变慢，这样计时不准了吧？”
“对，用单只水壶有这个问题。解决方法也很容易，采用多级漏壶。多只漏壶从上到下，上面漏壶的水漏到下面一级，依次漏下去，保证最后一级时钟是满水位的。这样最后一级漏出的水流始终是匀速的。你记得有一种卫生间的洗手池是不会溢出水的吗？”
“哦？想起了了，是因为在洗手池壁上有一个小洞，水位上升到那个位置就会自动流出。水位始终不会超出小洞的高度。”
“对。多级漏壶也采用了这种机制来保证水位的恒定。”
“如果是日常使用，漏壶的计时精度不会要求太高吧？”
“嗯，不过在天文观测上，对时间的要求就非常高了，分秒不能差。所以对漏刻的精度就远远不够了。在古代中国有浑天仪，浑仪测量天体球面坐标，而浑象则用来演示天象。为了观测天象还需要借助计时装置。1090年，宋朝大臣苏颂把这几个仪器的功能集合起来，发明并制作了一台能自动计时和进行天象观测的装置：水运仪象台。”
“还能自动计时？这不就是机械钟表的功能了吗？”
“对。从名字上可以看出，它是水力驱动的。李约瑟甚至认为：水运仪象台说明中国人独立发明了水利驱动的时钟，是“欧洲中世纪天文钟的鼻祖”。”
“它是怎么计时的？”
“它不再采用漏壶的水均匀流出的方法，而是用均匀的水流流入一个水斗中，当水斗积满水后，反转驱动齿轮装置旋转，经过传动装置，就能让整部机器中的浑仪、浑象和报时装置自动运行起来。”
“哇，真是奇妙的设计。既保留了匀速的水流的特性，又实现了动力驱动。”
“像我们刚才说的自鸣钟的定时鸣叫的功能，这台水运仪象台也能实现！它有五层木阁，每一层都有若干木人，共有162个木人，到了一定时刻，就有木人出来击打钟鼓报时，或者指示星辰。”
“哇！太精良了。它一定不小吧？”
“嗯，据说整个水运仪象台高12米，宽7米，上狭下广，呈四方形，相当于一座四层楼的建筑。整个分为三层，上层屋子放置浑仪，下层放置报时装置和动力机构。中间一层是密室，方式浑象。最新奇的是顶层屋顶隔板可以开启或关闭，就像现在的天文台的屋顶一样可以活动，便于观测星空。”
水运仪象台复原物 --国立自然科学博物馆
“哇，这已经有了现代天文台的雏形了。”
“是啊。浑象一昼夜自转一周，可以形象演示了天象变化，也是现代天文台的跟踪装置的祖先。而它的擒纵装置又是后世钟表的关键部件。苏颂等人创造的水运仪象台堪称科技史上的创举。”
“这座水运仪象台现在还在吗？”
“它建成后，在当时的首都开封使用了三十多年。之后金兵攻下了开封府，水运仪象台被金兵缴获、拆运到了燕京也就是今天的北京。但经过长途运输，一些零件已经损毁，所以无法复原了。之后南宋也曾想把他复原，但没有成功。”
“苏颂没有留下建造说明吗？”
“有。苏颂写了一本《新仪象法要》，记录了它的总体和构造，描述了制作方法，并绘制了详尽的机械图纸。全书绘制了一百多种机械零件，包括透视图和示意图。从这些图纸中，人们知道水运仪象台每25秒落一斗水，每刻钟转一周，一昼夜转96周，带动昼夜机轮、浑象、浑仪转一周，这与地球运动大体一致。新中国以来，许多学者和单位也尝试复原水运仪象台，可以运转起来，但不能长时间运转，所以说没有完全成功复原。”
“真可惜。”
“除此之外，苏颂在《新仪象法要》里还有一项非常重要的天文学成就，他记录了全天星图，共14幅。这些图示流传下来的古代全天星图中保留最完整的一份。而且苏颂星图的数量在当时世界上是最多的，一共记录了一千四百六十四颗星。除此之外，苏颂还编纂了我国最早、最完整的医药专著《图经本草》。”
“横跨数个领域，不简单！”
“李约瑟在《中国科学技术史》中说给与了苏颂的发明公正的评价。”
我们借此机会声明，我们以前关于“钟表装置...完全是十四世纪早期欧洲的发明”的说法是错误的。使用轴叶擒纵器重力传动机械时钟是十四世纪在欧洲发明的。可是在中国许多世纪之前，就已有了装有另一种擒纵器的水力传动机械时钟。
“嗯。李约瑟提到的欧洲使用轴叶擒纵器的重力传动机械时钟是怎么回事？”
“这是一件很有意思的事情。你还会看到，时钟的演变就像生物的演变一样循序渐进。最早的漏刻，完全靠滴水来计时，有滴答滴答的声音，而后来的水钟则把水力转换为机械运动来计时，既有水力又有机械力，而后来欧洲的机械钟则完全使用机械力来运转计时，就只有嘀嗒嘀嗒的声音了。”
“用水力驱动计时有什么缺陷吗？”
“嗯，水钟的最大缺陷是到了冬天会结冰，就无法使用了。所有欧洲人找到了一种替代物：重力。”
“重力？可是重力并不是匀速的呀！一个物体在自由落体时，只受到重力，是会加速运动的，加速运动的物体怎么匀速地计时呢？”
“嗯，这是个好问题！重力只是提供一种动力，要想提供匀速运动，就要想办法对重力减速，不让它一直加速，才能达到目的。”
“那如何减速呢？”
“这就轮到擒纵器发挥作用了。这种装置的擒纵器主要由两个部件组成。一个形状像国王的王冠，王冠是一个圆圈，上面一圈是锯齿。”
擒纵器
“所以冠轮就是这样得名的？”
“对。还有一个部件叫心轴，负责带动冠轮转动。”
“它们怎么运转的？”
“重物下垂拉动绳索，进而拉动心轴转动，并且带动冠轮一起转动，冠轮上的齿轮与一个擒纵叉犬牙交错。当二者啮合在一起时，心轴停止转动，重物停止下落。就会听到“嘀”的一声。”
“那怎么继续转下去呢？”
“但是在重力矩的作用下，冠轮又会重新开始转动，这样冠轮上面的锯齿滑动，就把本来啮合在一起的擒纵叉释放了出来，这样就转动了心轴，但随后擒纵叉又被下一个锯齿卡住，这就又发出了“嗒”一声。”
“这样就可以循环往复下去？”
“对，这个过程中只要“嘀”和“嗒”的间隔周期相等，就可以把单向的重力运动转换为“嘀嗒嘀嗒”的冠轮的周期转动。”
“擒纵器这个名字很有意思。”
“对，一擒一纵之间，冠轮时转时停，而最终时钟得以滴滴答答地行进。”
“如果重物落到地了，怎么办呢？”
“重新提起来挂上即可。不过早期的重力机械钟都是庞然大物，不仅昂贵，而且擒纵轮等装置需要巨大的维护费用。只有教堂等地才装有这样的时钟。”
“他们的精度如何？”
“很差。一天之内的误差甚至会达到半个小时。”
“为什么会这么大？”
“因为这些时钟其实都没有利用物质固有的周期物理性质，而仅仅是设计了一个匀速运动的过程，但是人们很难把握这个过程。”
“你是说缺少一种像地球绕太阳公转那种很稳定的机制，所以无法很好地模拟时间的进行？”
“对。世界一直等待着一种能够不受外力控制，由本身来决定振荡周期的性质。缺少了这个性质，想制作一台非常精准的时钟是不太可能的。而这个性质直到十六、十七世纪才被发现。这就是伽利略发现的单摆等时性。”
“哦，我在中学物理里学过。”
“对。传说伽利略在教堂祷告时，发现吊在天花板上的烛台随风晃动，他用自己的脉搏计时，发现轻轻摆动的烛台的摆动频率居然是固定的。”
伽利略·伽利莱 Galileo Galilei
“观察到这个现象似乎是一件很容易的事情。”
“可是从观察到发现却需要思想的飞跃。此时横亘在伽利略面前的是一座思想的高山。虽然单摆等时已经在那里等着伽利略了，可是要跨过思想上的这座高山，伽利略才有可能从心里接受单摆等时性，而不是怀疑自己搞错了。”
“这是一座什么样的高山？”
“古希腊的亚里士多德。”
“一千多年前的亚里士多德怎么会阻碍伽利略的发现呢？”
“亚里士多德虽然已经远逝，但是他的思想却被后人广为推崇。他也是一位博学广才、百科全书式的人物。从博物学、到物理学到哲学、音乐，无所不通。他写出的著作广为流传被奉为经典。其中有些确实是真理，但有些也存在缺陷甚至谬误。虽然人人都可能出错，但是圣人的错误却不是一般人可以随便指摘的，更何况圣人的门徒和传人千千万万，分布在各个领域。当然最重要的原因还不是这个。”
“那是什么？”
“罗马帝国在取代希腊文明之后，逐渐接受了天主教，他们开始信仰上帝作为唯一的神。于是罗马帝国对古希腊信仰的多神教加以禁止，由此许多古希腊的著作被禁封。但亚里士多德的著作却是个例外，因为亚里士多德的许多观点与教会主张的观点接近，所以亚里士多德的观点得以在中世纪中流行。但亚里士多德做研究时还没有实验科学，他遵循的古希腊传统是思辨式的、冥想式的，所以在他看来只要是眼见为实的常识都是真理。虽然他可能也做了一些实验，但是非常简单以至于是错误的。这就包括他的一个著名结论。”
“什么结论？”
“亚里士多德认为，单摆的周期与单摆的振幅有关，单摆的振幅越大，单摆重新回到中心点的时间就越长。所以用单摆是无论如何也不能做成时钟的，因为你无法控制单摆摆动的幅度。”
“这个似乎也符合常识呀。”
“对，是这样的，摆幅越大，返回中心点的时间越长。但是亚里士多德忽略了一种情况：摆幅很小的时候。”
“摆幅很小的时候？那时单摆的周期是固定的？”
“对，这正是伽利略的发现。伽利略发现钟摆等时性，是基于对音乐的爱好而做的实验的结果。而这种单摆周期的固定性，刚好可以用来制作时钟。”
“哦！那伽利略就制作了世界上第一台准确运行的时钟？”
“今天时间不多了，我们下次接着聊吧！”
“好的，老师再见！”
“再见！”
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