5.机械计时器及精密仪器

自鸣钟是一种能自动报时的机械钟。利玛窦试图进入北京传教时，他所携带礼物中的自鸣钟引起了明朝皇帝的浓厚兴趣。

13世纪，欧洲人发明了机械钟，最初的机制是控制落锤的重力；15世纪改进为控制弹簧的复位，使得指示器缓慢而规律地运动。指针一步一步地均匀移动是实现精确计时的关键，为此，能够周期性制动和释放从而驱动齿轮系统的擒纵机构得到了不断改进，擒纵机构决定了时钟的精确性。由擒纵机构控制的计时装置的最早记录是在13世纪的一本速写本中发现的。直到17世纪，这类计时装置都依赖于控制重物的摆动。要使时钟报时，还需要设计一套独立的报时齿轮系统，现存最古老的自鸣钟是1386年制造的。在最早期的机械时钟上，人们已经开始试图将艺术与机械技术结合起来，用机械装置实现能够自动做出动作的动物形象。1354年为斯特拉斯堡钟制作的机械铁公鸡留存至今，精巧的机械结构使之能够实现展翅、张嘴、鸣叫等动作。^[1]

16世纪末，钟表的弹簧驱动器及相关结构已经比较成熟了，能够提供较为精准的计时效果。伽利略和惠更斯研究了摆的等时性运动，指出任何给定长度的钟摆摆动周期是不变的，这为钟表制造提供了新的计时原理。1659年，惠更斯在其著作中详细介绍了摆钟如何得到更精确的计时效果。10余年后，锚式擒纵机构被发明出来，能够实现很小的摆幅，从而使钟摆实现更均匀的等时运动，进而大大提高了计时的精度水平。此后人们又设计了多种擒纵机构。1755年左右，马奇（Thomas Mudge，1715—1794）发明了自由式擒纵机构，这成为机械钟直到今天依然被广泛使用的基本结构。

钟表的制造和改进体现了人们对仪器精密度的追求。愈加精密的仪器为人们的生活、生产提供了便利，而实际需求也是促进仪器制造和广泛使用的关键推动力量。例如，土地的重新分配产生了精确测量的需要，军事斗争要求更先进的武器制造，大规模的航海探险要求更精密的航海仪器等。同时，精密仪器能够帮助人们克服感官的偏见和模糊，在天文学中尤其如此。伽利略改进了望远镜，发现了肉眼不能观察到的诸多天文现象，而此前的天文观测只能依靠肉眼。第谷和开普勒的天文学观测数据，几乎在精密的象限仪、照准仪的帮助下达到了肉眼精度的极限。1665年之后，肉眼观测被望远镜观测完全取代。

仪器制造在文艺复兴时期的发展，也得益于印刷书籍的出现以及古希腊数学和天文学的复兴。16世纪初，出现了两类明显不同的仪器制造者——科学家和工匠。科学家试图设计和改进仪器，而工匠则试图制造成批的各种规格的仪器。在装饰层面上，很多艺术家和工匠都具有在金属和象牙上精雕细刻的高超技艺。

仪器最重要的特征就是刻度的精确程度，工匠的水平也体现在加工仪器的复杂技术、在金属盘面上冲压标尺刻度的精细程度等方面。根据不同场合仪器使用者的要求和实际的使用情况，仪器的制造者不断改进仪器的实用性，很多专门的仪器经过推广和改进后，逐渐演变为普遍的或通用的工具。比如，磁罗盘被制成方便旅行者携带的便携式指南针，在16世纪后期它甚至与车程计数器组成了自动记录行进路线的仪器；用于天文测量的经纬仪被改进成为通用的测量仪；航海仪器、夜间定时仪也演化为常用的仪器。

关于各种仪器的工艺发展历史难以详述，然而人们却可以体会到伴随着这些仪器的发展，人们的物质生活和精神生活逐渐发生巨大变化。借由各种各样的仪器，人们可以更加准确地把握和理解自然界的事物，这就使人们能够破除各种各样的迷信和偏见。在多数时候，仪器的改进都依赖于来自实践的需求，而这些改进本身又是不折不扣的创新活动。经济发展提供的巨大市场、思想领域对理性方法的重视，都为这些创新活动提供了基础和动力。

17世纪，书籍和科学期刊使得新仪器的设计和制造方法得到了更快速的传播，新仪器以及旧仪器的改进在市场的驱动下很快得以推广。新的发明和发现促使新的仪器出现，比如依赖于光学知识的望远镜和显微镜，依赖于热力学知识的温度计、气压计、气泵等仪器。这些仪器的发明与改进又会促进已有技艺的进步，比如光学仪器、气压计、温度计要求更精密的玻璃制造和打磨工艺。在这里，已经可以较为清晰地看到科学和技术在社会需求的驱动下相互影响、相互促进的机理。

---

注释

[1]查尔斯·辛格，等.技术史：第Ⅲ卷.高亮华，戴吾三，译.上海：上海科技教育出版社，2004：441-444.