钟表不仅仅是时间,它同时还是人类科技进步的活化石

2020-03-25   高广银

17世纪,更为精准的钟表,对英国产业发展功不可没,不但让欧洲人有了现代时间的观念,而且还促进航海技术的发展,为后来欧洲的殖民提供了技术的保障。同时时间的观念也影响了不同时期的科学家,推动着科学的发展。


格林尼治天文台


为何都是钟表匠?

谈论英国的产业革命,我们都会提及纺织业,不知道你是否发现,飞梭发明者约翰·凯伊出身于钟表匠,之后他的儿子罗伯特·凯伊,也学习了钟表技术,之后进一步改进了自动飞梭。飞梭对于英国工业革命的重要性毋庸置疑,让纺纱还有织布,在供需矛盾中稳步发展。

凯伊发明飞梭之后,让织布的效率大幅提升,在之后十几年时间里,整个英国纺纱数量跟不上织布的数量,形成产业链需求矛盾。就像互联网革命时期安迪-比尔定律一样,当软件发展到一定阶段,需要硬件的提升,硬件提升之后,软件又再一次实现升级。


在德国伍珀塔尔博物馆的珍妮纺纱机模型


大概过了十几年,还是出身于钟表匠的阿克莱特,他改进了新型的水力纺纱机,并且在英国的曼彻斯特创办了自己的纺纱厂。此时他把纺织行业原来家庭手工作业的方式,改造为钟表行业集体分工的模式。这一巨大的创新,让阿克莱特成为英国最富有的纱厂主。

然而水力纺纱机,时常受到天气的影响,只要遇到干旱天气,纱厂就无法正常运转。而且由于水力的不稳定,纺出的纱虽然结实,但是比较粗,相比较于中国江南地区的纱,品质差很多。



这种现状一直要等到另一位钟表匠的出现,他就是瓦特。瓦特不但按照科学的方法改良了蒸汽机,而且利用钟表行业当中机床,改进了活塞,让整个蒸汽机的效率大幅提升,能源转化率提高了好几倍。而且瓦特还给蒸汽机加上了分离式的冷凝器,几乎是现代蒸汽机的水平。



为何钟表匠有如此高贡献

为何对工业革命作出如此贡献的科学家,都是出身于钟表匠呢?工业革命并不是完全意义上的技术革命,它同时是工业的组织、结构以及形态等,整个系统发生的革命,工业革命让组织形式发生了重构。

阿克莱特他把之前在钟表行业的经验借鉴到纺纱机械上,他认为整个工厂就应该像一个钟表一样,每个零件都有其专属的功能,只有把每个零件打造的足够标准化,按照统一的节奏来生产,也就是有了自己明确的分工,这样造出来的钟表才是标准的产品。



之前的手工工厂,和中国南方的家庭作坊是一样的,自己在家里纺纱,织布,或者买了别人家纺好的纱,在家里进行纺织。但是阿克莱特这种工厂模式,改变了整个业态。之后这种工厂模式迅速传递到其他行业,比如韦奇伍德瓷器。

以前陶瓷的制作都是一个工人从拌土、制坯、上釉到烧窑,甚至销售都是他一个人做。韦奇伍德采用了工厂制,一共设立了几十道专门的工序,每一道工序都有专人负责。这也是后来福特的流水线模式,虽然制陶没有用到机械设备,完全是手工操作,但是组织形式的变革,生产出了当时欧洲最优秀的陶器。



英国的钟表行业为技术上的革命做好了准备,要想在机械制造行业做到分秒不差,必须要求机械动力的稳定,持续的输出与传递,这对工匠技术要求非常高。

所以无论是凯伊、阿克莱特还是瓦特,他们把钟表行业当中不同工匠只负责打磨特定配件流程化生产,还有对于机械装置的精益求精,技术的迭代等思想等,应用到市场更大的纺织行业。

正是因为18世纪,英国、法国、瑞士等各国在钟表行业展开的竞争,让钟表行业在技术上的升级产生了技术的外溢,为资本主义的发展提供了技术的保障。



“时间”对人类的影响

工业革命时期的欧洲,虽然走出了中世纪,但是农业依然是人们的主要产业。在传统的农业社会,人们每天日出而作,日落而息,每天都过着相似的生活。而且每年也在特定的日期,播种、育苗还有收获 。

如果仅仅停留在农业社会,那么十二时辰完全够用了。可是工业革命,由于雇佣劳动的发展,时间就意味着金钱。17世纪的伦敦,人们开始有了“守时”的概念,工人们需要按时上下班,而且每天的工作时间越来越长。



随着钟表技术的普及,普通市民拥有一座钟表已经不是什么奢侈的行为。更加精确的钟表取代了太阳,也让整个欧洲迈向了资本主义的新时代。

钟表同时还是航海水手必备的工具,当时欧洲开辟了很多新航线,如果水手要精准定位自己的位置,除了指南针以外,还需要一个摆钟,这种能够精确到分的时钟,能够精确告知水手,自己的行程。早期航海图,也几乎都是按照时间来估算的,甚至很多航海图的标准不是距离,而是历经的时间。如果没有指南针与摆钟的配合,你极有可能会撞上暗礁。



比如在1707年,英国就发生了一起重大的海难。英国海军舰队在英吉利海峡航行的时候,因为算错了时间,结果四艘战舰撞上了岛礁沉没了,导致1千多名水手遇难。

航行的时间时常历经数周,有些甚至需要几个月,摆钟虽然误差只有几分钟,但是经不住长时间的误差累积。哪怕一天差五分钟,不到两周就有1个小时了。



如果想要把航行的经纬度偏差控制在1度范围内,整个航行过程中行驶时间要精确到4分钟以内。所以欧洲人每天都在想造出更加精确的钟表,人们愿意为更准确的时间买单。

在当时英国人的观念中,世界上最精确的钟莫过于格林尼治天文台那台大摆钟,这个摆钟的钟摆长达4米,每天的误差不超过2秒,而且每天还有专人进行呵护打理。

早期的手表故障率非常高,除了去格林尼治天文台校对时间,路上问最多的不是吃了吗,而是几点了。格林尼治天文台也很烦每天来校对时间的客人,于是他让一个年轻人,早上校对完时间之后,在伦敦市走一圈,然后校对人们的时间。



更高的精度意味着更高的价值,当年英国有位著名的工匠为国王乔治四世的弟弟打造了一个巨大的金手表,但是这块手表实在是太大了,用起来非常不方便,于是就被格林威治天文台当成了对时服务工具,每天拿着这个表,到伦敦晃悠一圈。

结果不到1年的时间,就遭到抢劫,后来虽然追回了赃物,但是感觉太惹眼了,于是让这位工匠重新打造了一个银制的手表。格林威治天文台这种校对表的服务,一直持续到二战时期,一共服务了100多年。

时间的科学意义

很多人觉得时间就像沙漏里的沙子,液晶屏当中的数字。其实无论是沙子,还是时钟背后的零件,它测量并不是时间本身。就好比温度计膨胀的幅度,并不是温度本身一样。

虽然人们在几千年的时间里,并不知道时间是什么,但是这并不影响我们的日常生活。我们只需要掌握每天温度的周期,季节的周期,能够大概预测就可以了。



所以无论是我们测量呼吸、心跳还是日出日落,都是为了掌握某种自然规律。提高精度也是为了我们生活的需要,早期重视格林尼治时间,是因为那些航海的水手,需要回来调校时间。

在1670年还只有分钟的概念,那时候人们可以把时间控制在分钟以内。到了1800年,人们已经能够掌握1/5秒的时间,不过这些是天文台观测的需要,百姓们肯定用不起。



1967年,时间第一次脱离了天的概念,因为量子领域的发展,让人们意识到,时间并不是连续的,不但可以停滞,甚至可以倒退。

爱因斯坦认为,如果你把时间一起放在喜马拉雅山顶,另一个放在印度洋的海平面,你会发现,时间在海平面上比在喜马拉雅山上流速度更慢。

之后人们用能量的角度来定义时间,铯133原子,在指定的两个能级间释放出的光,只要是这个光周期的91亿9263万1770倍,那就是1秒钟。


原子钟


此时人们认为能量是天然不变量,因此最小的能量也就不再发生变化,所以用铯133来代表光的周期,当做时间的最小份。

为何要用铯133呢?我们标准化的目的是为了测量,虽然可以用其他原子,但是只有铯133跳跃到几个能量级之后,刚好是我们常用1秒的倍数,目的还是为了不改变我们现有的生活习惯。而且只有铯133是最稳定的,我们能在实验的条件下,把误差控制到最小,所以选择了它。



结束语

工业革命之所以诞生在英国,是一系列复杂因素促成的,美洲的发现,“哥伦布物种大交换”促使了欧洲人口爆发式的增长;圈地运动导致大量的无产者;以及圈地运动对森林的破坏,让英国产生对煤的严重依赖,进而让蒸汽机在煤矿中应用等等。还包括,钟表的发展为英国产业革命,实现的技术积累。

有很多因素促使了英国产业革命的爆发,钟表就像恐龙的化石,通过钟表,我们能看到产业革命的另一个侧面,它是科技、组织、效率等一系列因素促成的。

随着人们对时间认识上的深入,发现它不仅不是恒定的,而且还和能量有关系。对它认识的不断深入,也是我们对未知科学探索的深入。