東方網 >> 歷史頻道 >> 正文
我要投稿   新聞熱線:021-60850333
自製鐘錶:少年牛頓的科學探索

2019-12-3 09:15:44

來源:澎湃新聞 作者:[德]托馬斯‧德‧帕多瓦 著,盛世同 譯 選稿:鬱婷藶

原標題: 自製鐘錶:少年牛頓的科學探索

  牛頓通過觀察陰影的移動讀取時間,還是學生的他已經憑藉自製的太陽鐘為人所知。

  在伍爾斯索普,艾薩克‧牛頓完全依照其祖上的農民傳統成長。一年是由大自然的節律確定的:從播種到收穫,從羔羊出生到剪去羊毛,從萬籟俱寂的冬季到萬物復蘇的春季,如此更替,週而复始。

  1653年夏季,他的母親回到了娘家的農莊。她為第二任丈夫操持了七年家務,但在其死後選擇離開。終於,她的兒子重歸母親的懷抱!不過,這種喜悅並非獨有,因為母親將三個繼妹——漢娜(Hannah)、瑪麗(Mary)和本傑明(Benjamin)——帶了回來,她們如今要與艾薩克爭奪她的關注。按照他自己的説法,他自幼敏感易怒,有時會欺負她們。當他作為長子,有責任保護在家門口吃草的羊群的時候,他卻在做手工或陷入沉思,而徹底將動物們丟在一旁。這個男孩不太適合成為牧人,因為後者需要帶領大群牲口離家很遠。

  為掌握牲畜的總體情況,林肯郡的羊倌發明瞭一種屬於自己的計數方法。他們不用十進位,而是將每20隻羊分為一組。在相應的數列中,言(Yan)、壇(Tan)、泰特拉(Thetera)、佩忒拉(Pethera)分別代表1、2、3、4,直到費吉特(Figgit)代表20。它們被編入歌謠,使記住數字更加簡單。為保證牧群數量完整並認真照看新生的羊崽,很多地方的牧人以牲口頭數,而非以固定工資計酬。

  在大自然裏獨處幾小時後,就很難把握在太陽落山前帶領羊群歸圈的正確時間。人雖然可以較好地判斷諸如幾秒鐘的短暫時長,但如果涉及數小時等較長間隔,我們通常會有較大偏差。研究人員在許多實驗中證明,時間比大多數人所認為的走得更快。

  牧羊人擁有特殊的時間體驗。他們關注在白天特定時段開花、為蜜蜂或其他昆蟲提供汁液的植物,同時從動物的行為中讀取時間。所有生物都有自己的生理週期,它與其他生物體的週期關聯,並乙太陽在一天和一年中的運行情況為準繩。

  艾薩克觀察五彩的雲朵,關注光線的變化,並和影子做遊戲。他的早期傳記作者所講述的故事雖然也涉及他自己製作的燈籠和木磨,但提到最多的是他對太陽位置的持久觀察。據稱,無論是在伍爾斯索普還是在他上中學的格蘭瑟姆,他都憑藉他那可靠的太陽鐘而為人所知。

  小時簡史

  對我們來説,將一天劃分為始終等長的24個小時是理所當然之事。我們沒有想過,這其實是一項刻意的制度安排,而且是比較晚近的文化産物。如果與太陽鐘進行比較,就不免碰到上述問題,因為日晷的功能被限制在日出與日落之間,後兩者還要隨著季節變化。太陽在夏季高高升起,在天空中劃出一道長弧,而冬季的日照時間則比較短。據此,簡易太陽鐘的面盤不是將白晝分為等長的鐘點,而是以不同季節對應互有區別的時長,正如每天的安排遵循著自然的神聖性:夏天,人們在田間工作的時間較長,睡眠也較少。

  早在中世紀,林肯郡的人們就在修道院和教堂的南墻上刻出鐘面的形狀,以便定時召集僧侶禱告並組織村鎮居民參加彌撒。直到機械鐘出現,設置等長鐘點的想法才獲得重視。在此之前,熟悉這種觀點的只有觀星者。天文學家已將一整天劃分為等長的24個小時,但他們參照的不是太陽,而是那些看似在夜空中勻速圍繞地球運動的恒星。為便於比較一年中不同時節的觀測情況,天文學必須採用長度恒定的小時作為計量尺度。

  這種將一小時定為全天的1/24的固定標準從天文學傳播至一種新式鐘錶機械。中世紀的鐘錶通過重物斷續下落的方式製造出時間單位。它最重要的機制——擒縱器——依靠一個接一個齒,以盡可能均等的節奏阻止重物向下運動。這些短暫的間隔將組成鐘點。這個方法的優點是:不管天氣和日照情況如何,都能讀出時間。

  最初的機械鐘是足有房間那麼高的鐵傢夥,由鍛工和鉗工打造,被放置在城市和教堂的高塔之上。它們使鐘鈴敲出青銅質感的時間之聲,既不需要刻度盤,也不需要指針。作為公共報時鐘,它們在打開城門、開始工作、交易會、市集或政府會議的時候敲響,如此安排著經濟、宗教和政治生活。通過公共鐘錶的敲擊,每個人都在集體分工中各就其位。從中世紀晚期開始,它們在整個歐洲建立起一套規範的時間秩序。但只有再經過幾個世紀,報時鐘才轉變為精密儀器,專業人員才學會用發條裝置製作出座鐘甚至更加小巧便攜的鐘錶。最後,在德累斯頓、紐倫堡、奧格斯堡、巴黎和日內瓦出現了最早的鐘錶工匠協會。

  影子遊戲

  手工業在英格蘭興起較晚。直到1631年,倫敦鐘錶匠同業公會才獲得特許狀。牛頓小時候是否見過燈籠形狀的典型英式座鐘,是很值得懷疑的。與我們今天不同,伍爾斯索普的農民不是將夜晚分為等長的鐘點,而是採用諸如黃昏、夜初、燃燭、暗夜、深夜、拂曉、雞鳴等名稱指代各個時段——仿佛黑暗中的一隻萬花筒。

  整個林肯郡只有一位知名的鐘錶匠,他在1650年代就已經製作座鐘。但有不少證據表明,僅過了一代人,該地區就有許多鐘錶匠開設了自己的工坊。林肯郡至今完好保存的最古老座鐘來自1680年代,那時擺鐘的發明已在不列顛島掀起了一波鐘錶熱潮。

  艾薩克對時間計量的突出偏好並沒有延伸至鐘錶機械。他更多關注時間的影子如何在大石頭或大宅高墻之後徘徊,以及它的方向和長度是如何變化的。根據他的第一位傳記作者威廉‧斯塔克利B記述,為了測量一小時和半小時,他在墻上打入木釘並在相應的位置做上記號。據斯塔克利所説,那些刻度如此精確,使得全家和鄰居都使用過這塊眾人所説的“艾薩克的鐘面”。

  “艾薩克的鐘面”——這則故事聽上去美得超乎真實。它被天衣無縫地編進了同樣由斯塔克利散佈的神童傳奇、蘋果事件等牛頓軼事集。不過,它似乎並非特別離譜。可以肯定地説,這場想像出來的影子遊戲在幾年後就成了一項嚴肅的研究。

  艾薩克12歲時,母親將他送入格蘭瑟姆的一所中學,並讓他住在藥劑師威廉‧克拉克

  (William Clark)家中。艾薩克再次與家人分離。在這棟位於高街(High Street)的房子裏,他只能湊合住在昏暗的閣樓上。許多傳記作家刻畫了一個孤獨、絕望、幾乎沒有朋友的男孩。如今,他的日常安排受到比以往更多的管控。或許,他在文法學校就讀時首次接觸到嚴格的時間安排。在大班級上課的最高要求就是遵守紀律,每節課之間通常借助沙鐘分隔。

  下課後,如果藥劑師在攪拌研缽和坩堝中的藥物,艾薩克會站在他身後觀看。在小藥房裏,他開始對化學感興趣,這一興趣又通過閱讀克拉克的簡陋藏書室中的讀物而更加深入。此外,艾薩克在格蘭瑟姆首次有機會走進公共圖書館。它位於學校附近的聖伍爾弗拉姆教堂南門之上的一個小房間內,這是一處僻靜之所,或許也是這個男孩喜歡的寧靜港灣。

  他的好奇心日益增長,這也在他16歲時使用的第一本記事本上留下了痕跡。這個學生收集了方方面面的知識:如何應對牙痛,如何將鳥兒灌醉以便捕捉,還有如何熔化金屬。引人注意的是他關於光線和色彩的許多記錄。在“如何混合顏料”的標題之下,他抄錄了紅色、藍色、綠色以及天空、雲朵和海洋的色調的不同配方。接下來是一個簡潔的段落,從中可以看出,斯塔克利關於“艾薩克的鐘面”的敘述擁有一個真實的內涵。

  首先,艾薩克將各恒星的位置集中畫在一張概覽圖上。第二張圖表同樣精心繪製,它將完整一年內的太陽狀態與桿子投影的長度作了對比。同時還附有一份關於哥白尼宇宙體系的符合比例的描述。最後,他畫了一張草圖,內容是如何設計一個適用於任意緯度的太陽鐘。

  牛頓在這裡首次使用了幾何學的語言,而且是在測定時間的語境下。在他已經較準確地認識天體運動之後,他打算在一本書的幫助下完成這項高難度的任務:因為在不同緯度,太陽的運行也不相同。在倫敦,正午的太陽比在靠北的伍爾斯索普的位置更高些。相應的,按照他所闡述的程式設計的鐘面不僅需要反映上述兩地的時間,還應適用於其他任意地點。無法確知,是什麼力量推動著這個年輕人在如此抽象的層面鑽研時間計量。他的筆記顯示,他已經琢磨了太陽鐘很久,並對其工作原理瞭如指掌。

  翻蓋太陽鐘和旅行太陽鐘

  16~17世紀,太陽鐘得以擺脫修道院或住宅的外墻,變成可移動的物體。各種價位的翻蓋太陽鐘和旅行太陽鐘都存在。高檔款式由象牙製作並鍍上了銀,牧師和學者甚至可以定購十字架或書籍形狀。最廉價的鐘錶是塊方形或橢圓形的木板,上面貼著紙質的簡易表盤。機械鐘錶依然是昂貴的單件——比如貴婦們最喜愛戴在脖子上的那種,它的樣子像是一個雕有花紋的香水瓶,攜帶型太陽鐘則標誌著,個人向融入普遍時間秩序邁出了重要一步。當然,它們只能在陽光下使用,無法自主顯示時間。

  哈佛大學的科學儀器藏品管理員薩拉‧謝希納鑒定過各博物館收藏的2000多件太陽鐘,並熟悉它們不同的樣式和客戶群體。她認為,出售給商人和朝聖者的太陽鐘必須附有關於使用者在其他地點如何校準的説明。“許多太陽鐘不僅便於攜帶,還被設置成適用於不同的緯度。”

  製作特別精良的是配有羅盤的可移動太陽鐘。它的運作方式最好放在17世紀逐漸獲得認可的哥白尼宇宙觀的背景下理解:不是太陽圍著地球轉,而是我們這些觀察者在運動。我們看到朝日東升、夕陽西落,是因為地球正在反向勻速繞軸自轉。

  地球的自轉軸是南北向的。如果一根投影桿與其保持平行,太陽便在一天內圍繞它轉一圈。這種與地軸平行的投影指針叫作極指針或極桿。古典時代的天文學家可能已經在使用它。直到人們打算參照機械鐘劃分小時的方式調整太陽鐘的時間,它才在歐洲被重新發現。最後,機智的工匠給翻蓋太陽鐘加裝了一個比2歐元硬幣略大的羅盤。這樣就能夠在任何地方調試個人計時器,並使其與地軸保持平行。

  對於帶有垂直立於表盤上的極指針的太陽鐘,鐘點的劃分就完全對稱。用這種赤道太陽鐘,我們可以像今天的普通鐘錶那樣輕鬆讀取鐘點。小時分隔線將圓周等分,相同的夾角代表相等的時長。

  外來時間文化的遺物

  在我們看來,手機大小的翻蓋太陽鐘仿佛是外來時間文化的遺物。今天查看火車站大鐘或者手錶的人不會想到,時針的運動方向和12點標誌都是由太陽鐘上的垂直桿發展而來的。數字化的鐘錶螢幕使我們比過去更加疏離于太陽運動這一時間準繩。這對孩子們來説尤其困難。很多孩子只能把鐘錶所顯示的時間當作一串數字符號,結果是時間和時間計量在他們眼中肯定要比年輕的艾薩克‧牛頓看來難以捉摸得多。

  此外,地球如今被分成時區,這種將時間標準化的做法在17世紀還無法想像。只要化身為牛頓片刻,便能夠理解時區是多麼荒謬:毫無疑問,鐘錶當然應該顯示與所在地的太陽位置相符的“真實”時間!但是,“真太陽時”(即真實的太陽時)卻是因地而異的。

  今天的時區彼此相差一個小時,因此它的平均寬度為經度15度,這正是圓周360度的1/24。例如,以格林尼治為起點,中歐標準時區位於15度經線。“不過,只有精確位於15度經線的地方,冬季的太陽在中午12時才真正處於最高點”,位於不倫瑞克的德國聯邦物理技術機構的“時間單位”工作組組長斯特凡‧韋爾斯(Stefan Weyers)解釋説。在德國,這只適用於全國最東端的城市、位於上勞西茨地區的格爾利茨。與這裡相比,柏林平均落後6分鐘,亞琛則已落後36分鐘。如果切換至夏令時,子午圈還要再向東方推移15度。因此,我們的鐘錶在夏季更加不符合太陽的位置。

  跨國時區之所以能在現代獲得認同,既是因為人們已可以在短時間內移動很長距離,也是因為主時鐘的標準時間可以經由無線或有線信號傳輸而沒有任何延時。劃分時區使我們不必每到一地都要調整時間。只有在前往非常遙遠之地的時候,我們才需要向前或向後撥動幾個小時。即便如此,我們也幾乎不用考慮太陽的運行,儘管它是這一切的背後原因。

  固定的時間標準有助於我們在今天運用“時間”這一概念,仿佛這是個存在於我們身外的確切事物。但是,它究竟是什麼?在許多人看來,回答這個問題需要借助鐘錶面盤,就連阿爾伯特‧愛因斯坦也想這麼做:時間是從鐘錶中讀取的東西。可是,鐘錶測量的又是什麼?讓我們暫且相信,時間是一種用來在事物變遷之中辨別方位的機械輔助手段,中世紀僧侶與近代城市居民為不同的目的使用不同的鐘錶,而作為殖民運動先驅的航海家與17世紀的自然科學家同樣依賴更加準確的精密計時器。我們稍後將看到,在城市化、全球化和技術科學化的進程中,鐘錶是如何發展成為一項對作為時間標準的“真太陽時”提出質疑的工具的。

  儘管如此,攜帶型太陽鐘的豐富多樣和廣泛傳播表明,計量時間的工具和符號在那個時代仍然與大自然的運行緊密相關。牧羊人的兒子牛頓從小就學會了與影子做遊戲。對經驗老道的自然觀察家來説,太陽只不過是天空中一個可用的定點。每當它再次位於最高點,就又過了一個太陽日。但是,如果人們注意的是其他恒星並在多個夜晚觀察它們的最高位置,結果會怎樣呢?又如果是月球呢?為確保時間計量符合天文學和數學原理,牛頓將探究所有層級的星體的運動。

  1659年,當牛頓在格蘭瑟姆購買了前述筆記本時,他的數學基礎知識仍非常有限,比將來成為地主所需要的多不了太多。他還不敢想像,自己有朝一日將走上學術道路。他的叔父威廉曾經就讀的康橋大學距離這裡很遠。在伍爾斯索普,他的母親期待她的長子能夠儘快接手莊園。他應當繼續其父親的道路。1659年末,母親將他從學校接了回來。

  不過,三個季度之後,他重新回到了格蘭瑟姆——這次是為進入高校就讀預先作準備。或許是叔叔威廉説服了母親,或許是老師們發現了其超凡的天資。無論怎樣,母親最後也認識到,一個晝夜仰望天空、往墻上釘投影桿、觀測彗星的男孩,註定是無法成為牧羊人的。

  本文摘錄自《萊布尼茨、牛頓與發明時間》, [德]托馬斯‧德‧帕多瓦 著,盛世同 譯,社會科學文獻出版社2019年10月。澎湃新聞經授權轉載,現標題為編者所擬。

推薦閱讀

上一篇稿件

下一篇稿件