【南开大学物理课程思政案例】(第八讲)

发布者:曾婧发布时间:2025-01-22浏览次数:10

时钟,时钟!

 

时间的测量,从粗略的时间测量,到更加精细的测量,几乎贯穿了人类文明的发展,一直以来是人们不断精进的一个领域。古代的人们如何测量时间是一个有趣的问题。

时间测量离不开周期性,这个是最核心的内容。自然界给我们提供了大量天然的周期:地球的自转,绕太阳的公转,以及月球绕地公转的周期,自然而然是古代人最早采用的计时单位。按周期的长短,构成了我们现在熟知的年月日。

总体而言,早期的文明基本上建立在农业的基础上,为了确定耕种收获的日期,历法就是一个非常重要的问题:这涉及上述基本时间单位的周期关系。

早期的这种周期关系测定并不是很准确的,综合参考多种周期性因素,甚至包括一些周期性并不准确的物候特征也会考量进去。比如中国古代在夏代就有作为月令的《夏小正》,就是记载每年每个月的物候,气象,星象的一部农书,也是一部不完整的历法。虽然成书具体时间不详,但是从历法完善的程度可以得知应该成书很早,现在学界认为其为每年十个月的太阳历。后来制定历法考虑到月球绕地的公转,时间才变成十二个月。

这些周期关系并非简单的整数倍率,这给历法的制定带来了很大的问题,中国很早就采用四分历,也就是采用一年为365.25天的设置。但即使是这样,长久使用也会带来不可忽视的积累误差,通常情况下,会通过置闰来进行调整。

除去大的时间尺度,小的时间尺度也需要更加精细的划分。利用太阳每天的东升西落是一个很容易想到的方法,日晷就是利用太阳的影子来确定时间。但这个方法也有很明显的缺点:第一,时间不够精确,一年之中每天日照长短不一,日影仅能粗略估计时间;第二,晚上没有太阳。所以人们不得不采用其它的一些更精确的计时方法进行辅助:除去周期性,速度也是一个不错的选择。滴水的刻漏是一个比较常见的方法,水滴下的速度和水的体积两者之间可以建立有效的时间关系,东西方都有采用;而利用燃烧时间也是一种方法,中国所谓的一柱香的时间,便是这样来的。利用力产生的物体运动的速度,往往会因为力的不均匀,比如将流水用作动力,或是速度太快不方便控制,比如重力,而使得计时不均匀,在机械计时中,速度的控制对于短时间的计时是非常重要的。即使在单摆出现后,机械钟如何控制能量对单摆系统的均匀补给也是属于同样的问题,擒纵器的发明解决了这一问题。

按一般印象,摆钟最早出现在欧洲,作为重要的一个部件,擒纵器似乎也应该是从欧洲随摆钟一同传入的,但是实际上,中国出于应用的需要,很早就有自己的擒纵器结构。编写《本草图经》的苏颂(苏子容),还有一部著作《新仪象法要》,是记载当时他建造的浑仪浑象的专著。

对于任何一下朝代,无论是出于对天命的揣测,还是更为实用历法制定,天文观测总是必要的。当时人们把所知的太阳,月亮,五大行星和地球以及其它的天象,都做到浑象仪之上。早期的浑象仪是手动的,为了更加方便地观测,用水力推动,并且使浑象仪的运转和天象的周期匹配就是一个重要的问题。在《新仪象法要》中,详细地记载了浑仪,浑象以及驱动的结构,也包括了控制这些运动的擒纵机构的叙述。所谓的擒纵机构,简单地说,就是字面的意思,“擒”就是抓住,相当于让动力机构初始化,“纵”就是放开,使动力机构运行。通过反复地“擒”与“纵”,形成一个又一个周期。这有效地提高了周期的稳定性。

继续向前追溯类似的机构,一直可以到东汉的张衡。按李约瑟的评述,他是“第一位在完成天文仪器(天球仪或演示用的浑仪)的缓慢地连续旋转并接近高精度的恒速的人”,所以也被称为“木圣”。

在西方的“西洋钟”传入中国之前,实际上中国一直都在计时领域有着进展,只不过,中国的时钟和西方的时钟,在表现形式上存在着相当的差别,而不被人们所注意:实际上,复杂的钟盘和精巧的木偶机构,是中国时钟制造的传统,在当时欧洲内部称之为“中国风格”。日本人井原西鹤在1685年写的《日本永代藏》中记载,当时的日本人承认机械时钟是在中国发明的。