鐘表是如何度量時(shí)間的

想要比較完整地解答上面的這個(gè)問(wèn)題，還需從人類尋找如何度量時(shí)間的方法說(shuō)起。在遠(yuǎn)古時(shí)期，人類只能依靠感覺(jué)，將一天分為白天和夜晚。在3500多年前，人類從太陽(yáng)光和影子的關(guān)系中獲得啟發(fā)，發(fā)明了日晷，從而能夠?qū)Π滋斓臅r(shí)間進(jìn)行粗略的度量。在2000多年前，有人利用流動(dòng)物質(zhì)（水或沙）的連續(xù)運(yùn)動(dòng)性，發(fā)明了計(jì)時(shí)用的漏壺，計(jì)時(shí)的精度得以提升。隨著科學(xué)認(rèn)知和制造工藝的不斷進(jìn)步，到14世紀(jì)，人類又制造出依靠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作的機(jī)械鐘表，而直到1928年，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用的石英鐘表才得以問(wèn)世。

無(wú)論是機(jī)械鐘表，還是石英鐘表，它們都能以相同的速率轉(zhuǎn)動(dòng)，那么兩者的工作原理相同嗎？

答案是：完全不同。作為機(jī)械鐘表，雖然其內(nèi)部結(jié)構(gòu)多種多樣，但都是利用了“擺的等時(shí)性”原理。“擺的等時(shí)性”原理，最早由意大利物理學(xué)家伽利略完整地提出，其內(nèi)容是：不論單擺的擺動(dòng)幅度（擺角小于5°時(shí)）大些還是小些，完成一次擺動(dòng)的時(shí)間是相同的。機(jī)械手表內(nèi)的游絲擺輪就是通過(guò)等時(shí)的左右擺動(dòng)推動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成計(jì)時(shí)的。

普通石英鐘表則是利用了石英晶體的“逆壓電效應(yīng)”性質(zhì)來(lái)計(jì)時(shí)的。“逆壓電效應(yīng)”是指在電介質(zhì)上施加電壓后，電介質(zhì)會(huì)發(fā)生形變，當(dāng)撤去電壓后，電介質(zhì)會(huì)復(fù)原。石英鐘表就是采用石英晶體作為電介質(zhì)材料，在石英晶體上施加一個(gè)交變電場(chǎng)，當(dāng)外加電場(chǎng)的頻率和石英晶體的固有振蕩頻率一致時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)晶體的諧振現(xiàn)象。此時(shí)，石英晶體的振蕩頻率非常穩(wěn)定，從而使石英鐘表完成計(jì)時(shí)。

兩者的原理不同，使得它們的計(jì)時(shí)精度也產(chǎn)生較大差別。根據(jù)目前執(zhí)行的鐘表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，普通機(jī)械鐘表的允許誤差為±30秒/日，而普通石英鐘表的允許誤差為±0.5秒/日，前者的精度只有后者的幾十分之一。相差如此之大，是因?yàn)闄C(jī)械鐘表內(nèi)部部件大都由各種機(jī)械機(jī)構(gòu)組成，運(yùn)行時(shí)摩擦較大，會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械損耗，使擺輪在擺動(dòng)過(guò)程中速率發(fā)生變化，導(dǎo)致計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差；而石英鐘表的精度主要取決于石英晶體的品質(zhì)，所以只要保證石英晶體的質(zhì)量，且避免在高熱、磁場(chǎng)異常等特殊環(huán)境下使用，石英鐘表就能保持較高的計(jì)時(shí)精度。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，某些領(lǐng)域?qū)τ跁r(shí)間精度的要求也越來(lái)越高，即使是最好的石英鐘表也無(wú)法滿足這種計(jì)時(shí)需求。為此，人們又研制出一種高精度的計(jì)時(shí)工具——原子鐘，它是利用有關(guān)原子理論制成的。目前被廣泛使用的是銫原子鐘，其精度可達(dá)到上千萬(wàn)年誤差不到1秒的水平！

在沒(méi)有拆除鐘表外殼的情況下，乍一看機(jī)械鐘表和石英鐘表好像沒(méi)有太大差別。其實(shí)，如果你仔細(xì)觀察，還是有辦法分辨它們的。通常，在鐘表的表盤上，你可能會(huì)找到“AUTOMATIC”或“QUARTZ”兩個(gè)單詞，前者指的是機(jī)械鐘表，后者指的是石英鐘表。當(dāng)然還可以觀察鐘表的厚度，一般外殼較厚的通常是機(jī)械鐘表，但這不能作為準(zhǔn)確的分辨依據(jù)。此外，最有效的一個(gè)方法就是看鐘表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)方式：如果秒針像“跳跳熊”一樣跳著轉(zhuǎn)動(dòng)，那么它應(yīng)該是石英鐘表；而如果秒針勻速平緩地轉(zhuǎn)動(dòng)，那它很可能是機(jī)械鐘表。

機(jī)械鐘表如同一件精巧藝術(shù)品，其內(nèi)部構(gòu)造讓人驚嘆，它代表了目前人類機(jī)械制造工藝的最高水平。而石英鐘表的出現(xiàn)，不僅使計(jì)時(shí)更加精確，也大大地降低了鐘表的制造成本，讓鐘表得以在生活中更好地普及。所以說(shuō)，無(wú)論是機(jī)械鐘表，還是石英鐘表，它們都是人類科技與藝術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物。 （吳 勇）