时计的历史 机械时计的出现

由钟声敲响的机械式时计

机械式时计是在什么时候由谁发明的我们无法确定，不过从水钟、沙漏的例子来看，我们可以推测它应该也是一种以地球的重力为动力的时计，也就是大约出现在十三世纪所谓的“重锤时计”。 早期发明的机械式时计以重锤（重量）为动力，透过冠状齿轮式的“冠状擒纵器”驱动天秤棒式的“棒状摆轮”，由此来调整重锤移动的速度（图1）。

▲图1. 初期的重锤机械时计

时针、冠状擒纵器、棒状摆轮、擒纵轮、第二轮、第一轮、重锤（由左而右，由上而下） 。

而为了要将时间告知一般民众，另一方面也为了让来自重锤的动力能够长时间维持强度，这些时计通常都会设置在高处。以当时的建筑物来说，具备这些条件的多半都是教堂的尖塔和城墙之类的建筑，因此一般我们都称它为“钟塔”。 另外钟塔为了要让时刻能广为周知，除了“显时装置”之外还设置了“报时装置”——钟声。 在英语中，具有“时计”的意思的“Clock”应该是来自拉丁语的“Clocca”，而所谓的“clocca”就带有“钟”的含义。而从这个理路我们也可以推测“Clock”应该是从拉丁语系发祥的，有人就认为它的发源地是意大利。类似原理的机械式时计现存最早的纪录是1336年意大利米兰的礼拜堂，然后陆续慢慢地延伸到整个欧洲，法国、德国、西班牙、乃至于隔海的英国。 尽管已经如此普及了，但是当时的这种机械式时计精度却相当低，一天的误差甚至会多至一小时，因此那个时候的时计只有时针没有分针。

欧洲各地的发展

终于机械时计开始走上小型化的道路。尤其是在战乱频仍的年代，基于对战局的发展有利，携带时计的需求也应运而生，毕竟不论在任何时代，军事战略目的永远都是推动先进科学技术最大的动力。 随着制钟师傅技术的提升，首先诞生的是可以放在室内的机械式时计，然后到了十四世纪中叶，以发条为动力的时计也接着被发明出来。发条动力跟重锤动力不同，不需要很大的高度，由此开了小型化的契机。像这种可携式的时计，一开始可能是用于城塞的哨兵在步哨时确认时间之用，因此英语的“Watch”就有“监视”的意思。还有一种说法是，有别于利用听觉刺激来告知时刻的钟，携带式时计是靠视觉来读取时刻，也就是在“监看”表盘和指针，Watch之名由此而来。

▲图2. 伽利略复刻座钟

伽利略在1641年当时将他的钟摆概念仅画在图上，到了1649年才由他的儿子Vincenzo制作出粗胚，2013年Panerai沛纳海则制作出复刻的座钟。

然而发条动力对机械式时计发展的贡献仅止于小型化这一方面，对于计时的精度并没有什么帮助，直到荷兰的Christiaan Huygens克里斯蒂安·惠更斯提出的研究，事情才有所改变。惠更斯针对意大利的伽利略所发现的“摆锤的等时性（摆锤无论摆幅的大小一次往复所需的时间都是固定的）”（图2）加以深入研究，以精度更高的摆锤作为调速器，取代了一直以来沿用的棒状摆轮。（图3） 先是1671年英国William Clement的“杠杆式擒纵器”，再来是1675年的惠更斯，再加上“具备游丝的圆形摆轮”的发明，由此一步步地拓展了携带式时计的高精度化之路。

▲图3. 摆锤擒纵器与第一个座钟

荷兰的Christiaan Huygens克里斯蒂安·惠更斯根据伽利略的概念加以改良，制作出较精确的摆锤擒纵器及世界上第一个座钟。

天才制表师宝玑的出现

如此小而精巧的机械式时计接下来将迎向一个全新的发展。 16-17世纪的时候，发条动力的机械式时计以携带时计来说仍然太大又太重，还不到可以称之为怀表的程度，但到了18-19世纪，在一路的小型化之下，时计终于从钟塔、座钟进入到怀表时代。在这个时代出现了大量加诸了各式各样装饰的怀表，而其中又以法国的亚伯拉罕·路易·宝玑Abraham Louis Breguet（图4）为首，他以他优秀的技术和原创的装饰法制作的怀表，为他赢得了“让钟表发展跃进200年的天才”的美号。

▲图4. 天才制表师宝玑

亚伯拉罕·路易·宝玑AbrahamLouis Breguet制表历史上最伟大的发明家，目前腕表上所使用的很多功能都是由他

所发明出来，甚至一些商业及买卖制度也是从宝玑开始。

 宝玑的发明多到不胜枚举，这里只提其中几个：机械结构上有吸收冲击的装置“Parachute避震器”，将游丝的一端盘起以提升精度的“宝玑式游丝”，修正地球重力所造成精度误差的“陀飞轮”等等，装饰上则有独特倾斜的阿拉伯数字“宝玑式数字”、“宝玑式指针”，以及在表盘上刻上精细花纹的“机刻雕花”等等。 宝玑的发明对当时的制表师带来绝大的影响，技术也好、装饰也好，整个钟表界几乎都跟随着他；除此之外宝玑设立了“订金制度（Subscription）”，要先收取一半的费用才会开始动工，像这个就是从长年跟左右政局的贵族打交道，为了确实收到货款所发展出来的智慧。当时他甚至接到为法国王妃玛丽·安东尼制作“全世界最厉害的怀表”这样的委托（图5）。

▲图5. 玛丽安东尼怀表

昵称为“玛丽·安东尼”的宝玑"No. 160"怀表，是当时最厉害复杂的怀表，实表一度下落不明，

2007年寻获，并由今日的宝玑品牌重制出复刻版本。

 除了宝玑之外，同样来自法国的Pierre Le Roy发明了“棘爪式擒纵器”、“分割式摆轮”、“双重擒纵器”，而英国的George Graham发明了“直式擒纵器” 和“水银补正摆锤”，大幅提升了钟摆式时计的精度。另外Graham还改良了他的老师Thomas Tompion所构思的“工字轮式擒纵器”让它实用化， 而他的学生Thomas Mudge也发明了“分离式杠杆擒纵器”，为现代携带时计的结构打下了基础。同样来自英国的John Harrison为了提升作为英国世界战略基础的海洋航路的安全性制作了“航海钟”，成功地将机械式时计的精度推上了极限。

由力学改良到化学改良

机械式时计的发展走到这个时候，在结构和动力上看似已经没有什么改良的余地了，然而实际上它仍然存在进步的空间。 机械式时计的零件几乎都是金属，其中摩擦比较剧烈的部分为了避免磨耗会采用贵宝石，然而天然的贵宝石量少价高，直到19世纪成功地制造出人工宝石，机械式时计才得以具备高精度和耐久性。 金属会随温度胀缩，在温度剧烈变化的情形下机械式时计会丧失精度，零件的耐久性也会显著地衰退。法国的夏尔·纪尧姆Charles Guillaume研发了“不变钢”、“恒弹性镍铬钢”等等材质，将温度变化对金属膨胀伸缩和弹性的影响减到最小，实现了从材料上提升精度和耐久性。 同样在这个时期，以加热后再冷却的方式提升金属硬度的“淬火”和“回火”也在研究当中，甚至为了提升表盘和指针在黑暗中的视认性，表界开始将具备放射性的镭化合物涂在界线和指针上，凡此都是从化学分野的发展对机械式时计所作的改良。

保护机械的外壳

然而尽管机械结构的耐久性提升了，但如果保护机械的外壳本身的耐久性不足，整只表的耐久性还是不完全。因此业界开始思考如何从表壳设计上防止汗水之类的水分、盐份和灰尘从表冠和底盖的间隙渗入。瑞士的劳力士ROLEX为此研发了具备旋入式表冠和底盖的“蚝式表壳Oyster Case”（图6），大幅提升了表壳的强度。

▲图6. 劳力士旋入式表壳

强调防水、防尘的旋入式表冠和蚝式表壳，能够妥善保护腕表内部的机械，也是劳力士至今最具辨识度的设计。

机械结构的部分，这个时期德国的Sigmund Riefler有具备了“弹力擒纵器” 的“Riefler式摆钟”，英国的Shortt Synchronome发明了“自由摆锤式时计”，其中自由摆锤式时计拥有当时世界最高的精度，一度称霸以英国为首的各国天文台竞赛。

本文转载自《盛时》钟表杂志 第39期

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