互动科普

我们的时间概念来自于测量时间的方法。

在漫长的历史长河中，人类为精确计时所做的种种努力一直在推动着科学和技术向前发展。由于需要对昼夜的进程进行划分，古埃及人、古希腊人及古罗马人发明了日晷、水钟以及其他的计时工具。西欧人继承了这些技术，但是到了13世纪，人们对更为准确的计时仪器的需求驱使中世纪的能工巧匠发明了机械钟。虽然这种新的计时工具能够满足宗教及城市社区生活的需要，但作为科学应用就暴露出不准确的缺点来。直到人们引进了钟摆来控制机械钟的运转后，这种情况才得以改观。随后出现的精确计时器不但解决了航海中轮船定位的难题，而且在后来的工业革命及西方文明进步中也扮演着关键角色。

今天，绝大多数电子设备都内置有高度精确的计时仪器。例如，几乎所有的计算机中都内置有石英钟来控制运行。另外，由全球定位系统人造卫星所发射的时间信号不但具有校准精确导航装置的功能，同样也用于移动电话、实时股票交易系统及全国范围的输电网络的时间校验中。这些以时间为基准的技术已经成为我们日常生活中不可分割的一部分，只有当它们不能正常工作时，我们才会意识到它们的重要性。

日期的计算

根据考古学的证据，古巴比伦人和古埃及人至少在5000年前就已经开始测量时间，他们采用历法来组织和协调公共活动和公众事务，确定货物装船的日期，特别是用于决定农作物的种植和收获日期。他们的历法基于三种自然周期：太阳日，这种计时方式的标志是地球自转而产生的连续白昼和黑夜的周期；太阴月，依据月亮绕地球公转的周期进行计时；太阳年，随地球绕太阳公转的季节变化来确定。

在人造灯光出现之前，月亮对人类社会产生过重要的影响。尤其对于那些生活在赤道附近的人们而言，月球的盈亏变化比季节的变更更为显著。因此，低纬度地区的历来更多地受太阴月周期而非太阳年的影响。而靠近北方的地区，由于季节性农作物种植很重要，反而受到太阳年的影响程度更大一些。当罗马帝国向北扩张时，当时建立的历法在极大程度上受太阳年的影响。流传至今的阳历就源于古巴比伦、古埃及、古犹太及古罗马历法。

古埃及人制定了全民历法:1年12个月，1个月30天，另加5天以补足一个太阳年。每10天一个周期，以称作"旬星"(Decans)的特别星群(或星座)作为标记。[编者注;古埃及人将赤道附近的星分成36组，每组由一颗星或数颗星所组成，管辖10天，称为"旬星"(Decans)]如果一年当中，天狼星正好在日出之前升起时，那么尼罗坷的泛滥期就开始了，此时12个旬星将横跨天穹，清晰可见。12个旬星对埃及人来讲是很重要的，他们由此而发明了计时系统，将黑夜(随后白天也以同样的方式被划分)划分为12个相等的时间间隔。由于季节变化会导致白昼及黑夜的长短发生变化，这些时间间隔的长短也会随之改变，因而时间周期就成了人们所熟知的钟盘时间等分。夏季时间等分长，而冬季时间等分短；仅当春分或秋分时节白天和黑夜的时间等分才正好相等。钟盘时间等分后来被希腊人及罗马人(罗马人将其在整个欧洲推广使用)所采纳，一直使用了2500多年。

发明家发明了日晷来跟踪时间等分，它通过阴影的长度和方位来指示时间。和日晷对应的夜间计时器是水钟，用于度量夜间的时间等分。最早的水钟之一是一个底部开有一小孔的水盆，水从小孔摘出。水位的高低指示流逝的时间，在水盆内壁上刻有横线用以标识。虽然这种计时器在地中海地区很流行，但是在多阴天及经常冰冻的北欧地区就不是那么方便了。

时间的脉捕

有文献记录的最早重力驱动机械钟于1283年安装在英国贝德福德郡的Dunstable小修道院内。罗马天主教在钟表技术的发展和创新上起着举足轻重的作用，这一点毫无疑问。人们必须严格遵守教堂所规定的祈祷时间，这就要求有一种更为精确可靠的计时器来报时。当时的教会不但控制着教育大权，而且有经济实力来雇用最熟练的能工巧匠。此外13世纪下半叶，欧洲城市商业人口的增长同样要求计时设备有新的改进。到1300年，工匠已经为法国和意大利的教会及大教堂制造了很多的钟。由于以前是通过敲钟来报时以提醒周围社区的人们去完成日常事务，所以这种新设备的名称采用拉丁文clocca(钟的意思)来表示。

这种新计时器所具有的革新性特点既不是提供了摆动动力的递减砝码，也不是配有用来传送动力的齿轮(至少已经有1300年的历史了)，而是安装了一个称作“擒纵轮”(escapement)的元件。该元件控制着轮子的旋转，并且传送维持震荡器运动所必需的动力，而震荡器可调整计时器运转的速度。【参见58页“早期机械钟构造的演变”图解】。然而，谁发明了时钟的擒纵轮却无人知晓。

统一的小时

虽然可以通过调整机械钟来继续使用钟盘的时间等分，而且机械钟本身就适合于均匀的时间等分，但采用统一的小时，也面临着一个问题，即：以何时为起点开始计时。正是因为这个原因，在l4世纪早期，很多计时系统得到了发展。许多方案都将一天平均等分为24个相同的时间等分，只是计时起点不同：意大利时间从日落时开始计时，巴比伦时间从日出开始计时，天文学时间从正午开始计时，而“大钟”(德国的某些大型公共钟所使用)从午夜开始计时。这些互相竞争的系统最终为“小钟”所取代，这种计时系统又称为法国小时，它和我们今天的做法一样，即从午夜开始计时，将一天平均等分为两个12小时。

在16世纪80年代期间，人们希望钟表匠制造能够显示分和秒的钟表，但是直到17世纪60年代摆钟发明之后，测量原理才达到了足够的精确度以标识分秒。分和秒源自于由巴比伦天文学家提出的用来计量角度的六十进位制。“minute”源于拉丁文primamtnuta，意为“第一次小等分”；“second”源于secundaminuta，意为“第二次小等分”。将一天等分为24个小时，每小时和每分钟分别等分为60分和60秒，这种划分方式在西方文明中已经根深蒂固了，从而使以后所有试图改变它的努力都遭遇了失败。其中最著名的一次尝试发生在18世纪90年代的法国大革命时期，这期间政府大力鼓励使用十进制系统。虽然法国人成功地引进了米、升以及其他基于十进制的量度标准，然而将一天分为10小时、每小时100分钟、每分钟100秒的标准指令仅仅实行了16个月。

便携式钟表

自机械钟出现后的几个世纪以来，大多数人已经习惯于听城镇教堂或钟塔上的大钟周期性地响声来辨别一天的时间。但是到了15世纪，家用钟越来越普及。那些有能力支付钟这种奢侈品的贵族们发现，如果外出时能够随身携带钟将会非常便利。发明家通过以盘绕弹簧代替砝码实现了这种愿望。然而，上紧发条后弹簧的张力就会增大。克服这一问题的机械装置被称做“均力圆锥轮”(fusee，源自“纺锤”的拉丁文fusus)，它由一位不知名的机械天才在1400年到1450年之间发明的(参见58页的图示)。这种锥形设备通过一根绳索与放置弹簧的圆桶相连：当钟上紧发条时，会拉紧圆桶和均力圆锥轮之间的弦，而均力圆锥轮的螺旋直径逐渐减少将补偿弹簧逐渐递增的拉力。因此，均力圆锥轮可以平衡弹簧作用于钟表轮子上的力。

均力圆锥轮的重要性不容低估，它使得便携式时钟以及后来流行的口袋表的发展成为可能。许多高级的弹簧驱动式时钟(如航海天文钟)直到第二次世界大战之后仍在使用这种装置。

摆钟的诞生

16世纪，荷兰天文学家TychoBrahe及其同时代的科学家试图将时钟用于科学目的，但当时最好的钟都无法达到科学家所要求的精度。天文学家尤其需要一种性能良好的计时工具记录恒星的运行，以便描绘更精确的星空图。于是，改进计时设备精确性和可靠性的重任就落在钟摆的身上。意大利物理学家和天文学家伽利略及一些前人都对摆锤进行了试验，然而第一个摆钟是由一位年轻的荷兰天文学家和数学家Christiaan Huygens在1656年的圣诞节那天设计出来的。Huygens立即意识到他的发明所具有的科学意义和商业价值。6个月后，海牙的一位钟表制造商就获得制造这种摆钟的许可。

Huygens发现划过圆弧的钟摆完成小摆动比完成大摆动要快。因此当钟摆摆动幅度发生变化时，都会导致钟走得太快或太慢。Huygens意识到要维持恒定的摆幅(摆动量)是不可能的，于是他设计了一个钟摆吊使得摆锤沿摆线弧而不是圆弧轨迹运动。这使得钟摆的摆幅无论为多少，其摆动的周期仍保持为固定值(参见58页图解)。摆钟的精确度与此前的任何钟相比都提高了大约100倍，而且误差也从原来每天15分钟减少到每周大约1分钟。新发明的消息传播得很快，到1660年时，英国和法国的钟表匠也各自推出了具有本国特色的摆钟。

摆钟的出现不但增加了钟的需求量，而且使其作为一种新式家具而登堂入室了。很快具有民族风格的各国摆钟都纷纷亮相：英国制造者注重设计适合时钟运动部件的外壳；相反，法国人则强调外壳的形状和装饰。然而Huygens个人对这些风格和时尚不感兴趣，他将大部分时间和精力放在对摆钟的改进上，以便能够用它进行天文观测或者确定船只在航海时的经度。

钟表工作原理的创新

1675年，Huygens又成功地发明了螺旋平衡簧(spiralbalancespring)。正如重力可以控制钟摆的摆动一样，这种弹簧可以控制便携式钟表摆轮的旋转。摆轮(balancewheel)是一种来回做圆周旋转的精细平衡圆盘，并且不断地重复这种周期性旋转(参见59页的图解)。旋转平衡簧实现了手表计时精度的彻底革命，使其每天的误差不超过1分钟。这一技术的改进迅速扩大了手表的市场需求量，此时钟表已经不再用链条挂在脖子上，而是作为一种新时尚装在衣服的口袋里。

大概在同时，Huygens听说了一项重大的英国发明。与他在摆钟中所用的冕状擒纵轮(vergeescape—ment)有所不同，新发明的锚形擒纵轮(anchOrescapement)可以允许摆锤以很小的摆幅摆动，从而无须保持摆线轨迹。而且，这种锚形擒纵轮引进使用长秒摆，从而促使新的时钟外壳设计得到了发展。长条形钟开始出现并且成为英国最流行的式样，而1876年之后又以“有摆落地大座钟”(根据美国人HenryClayWork的一首歌而命名)的出现而为人们所熟知。带有锚形擒纵轮和长秒摆的长条形钟的误差精度可以保持在每周几秒钟以内。著名的英国钟表制造商ThomasTompion及其后继者GeorgeGraham将锚形擒纵轮改造为无后座操作轮。这一增强设计被称作无振动擒纵轮(deadbeatescapement)，此后的150年间，它成了精确计时仪器中最普遍使用的构件。

解决经度问题

当英国格林威治的皇家天文台于1675年建立时，其宪章的一部分就是确定"人们渴望知道当前所处的经度。"皇室首席天文学家JohnFlamsteed使用配有锚形擒纵轮的钟来测量恒星跨越天体子午线的准确时间，天体子午线是假想的连接天球两极的圆环并且可确定夜空的正南方。与当时仅使用六分仪或四分仪测量角度的方法比较，使用新式钟让他能够收集到恒星位置更为精确的信息。

虽然航海家可以通过测量太阳或北极星的高度来确定航位经度(通常是在赤道以南或以北的某个位置)，但天空并不能提供直接找到经度的简单方法。风暴和巨浪经常使得人们无住确定在海上航行的距离和方向。因此导致的航行失误给航海国家带来巨大损失，不但延长了航程，还可能造成人员死伤、船只货物丢失。在1707年时，四艘海军舰艇在锡利岛海岸失事井导致一位海军舰队的元帅及1600名水手死亡，这才使得英国政府认识到这一困难的严重性。因此，在1714年英国议会通过了一项法案，对能够确定航海经度的实用方案给予高额物质奖励。最高奖金达2万英镑(大约相当于今天的l800万美元)。它将属于能够在船到达旅行终点(即西印度群岛)的某个港口时，确定船只经度且误差不超过0．5度(55．56公里)的仪表发明家，旅行终点的经度可在陆地测量方法的基础上加以精确确定。

高额奖金导致轻率的方案泛滥成灾。因此，由议会指定讨论有希望方案的经度问题委员会(BoardofLongitude)休会将近20多年。然而，有两种方案被认为至少理论上可行。第一种称为月距法，它涉及到对月球与恒星的相对位置的精确观测，以便确定参考点(以此测量当前位置的经度)的时间；另一种方法需要用一个非常精确的钟来确定时间。由于地球每24小时自转一圈，或者说l小时自转l5度，2小时的时差则表示30度的经度差。一个似乎无法逾越的障碍是难以在海上精确计时(原因包括船只经常在海上剧烈颠簸、气温的急剧变化以及纬度不同导致重力改变等)，这使得英国物理学家牛顿及其追随者认为月距法(虽然也有问题)是唯一可行的解决方案。

然而，牛顿错了。经度问题委员会在1737年首次讨论了一位无名之辈的发明，此人就是约克郡木匠JohnHarrison。Harrison的大经度测量仪曾用于往返里斯本的航行中，通过更正船只在海上经度的68英里误差而证实了其价值。然而，该经度测量仪的制造者并不满足于此。Harrison没有向委员会提出试航西印度群岛，而是申请并获得了一笔经费以改良测量仪。经过两年的努力，Harrison对第二项发明仍不满意，于是又开始进行第三次尝试，这一次他花了l9年时间。但是在准备测试时，Harrison又意识到他的第四个航海计时仪(他在同时期制作的一个直径125毫米的表)似乎更好。在l761年前往牙买加的航行中，Harrison的特大型仪表性能优越，足以获得最高奖金，然而经度问题委员会却拒绝支付奖金，理由是没有进一步的证据来证明这种性能。随后在l764年进行的第二次试航中，Harrison再次证明了他的成功，但Harrison所得的奖金只有l万英镑。直到l773年在乔治国王的干预下，他才拿到了剩余的那部分奖金。Harrison的技术突破激起了钟表新一轮的革新。到l790年，航海天文钟已经非常精确，其基础设计方案已不再需要更改。

批量生产的钟

l8世纪末l9世纪初，钟表已经相当精确，但是价格仍然居高不下。在发现低价计时器的潜在市场后，美国康涅狄格州沃特伯里市的两位发明家采取了行动。1807年，他们与普利茅斯市附近的一位钟表制造商EliTerry签定了三年的合同，让他用木材制造4000个长条形时钟的运动件。足额的预付酬金使得Terry能够在头一年就筹备齐制作批量生产的机器。通过制造钟表的通用件，他在合同规定的期限内完成了工作任务。

数年之后，Terry采用同样的大批量生产技术，而且设计了木制运动件搁板钟(shelfclock)。当时的长条形时钟要求买主另外再购买一个外壳，而Terry的搁板钟则设备齐全。消费者所要做的只是将其放置在一个水平搁板上并且上足发条。其15美元的价格相对适中，许多普通人都能买得起这种搁板钟。这一成功导致了著名的康涅狄格州钟表制造业的兴起。

标准时间

铁路在19世纪得到了全面发展，在此之前，美国和欧洲的小镇都是根据太阳来确定本地的时间。例如，波士顿的正午比马萨诸塞州的伍斯特市要早三分钟到来，因此波士顿的钟要比伍斯特市的钟提前三分钟。但是，随着铁路网的扩延，要求铁路沿线的火车站具有统一的时间标准。天文台开始通过电报向铁路公司通知精确的时间。第一个大众报时服务系统于1851年引入，它以位于麻省剑桥的哈佛学院天文台的时钟为基准。英国皇家天文台也于次年引入了报时服务，为整个英国创立了统一的标准时间。

美国在1883年建立了四个时区。到第二年年底，所有国家的政府都认识到在全世界范围建立统一的标准时间能够给航海及贸易带来好处。1884年，在华盛顿特区召开的国际子午线会议上，经讨论决定将地球划分为24个时区。与会者签名确定选择英国皇家天文台作为本初子午线(零度经线，其他地区经度测量的起始点)，部分原因在于当时全世界已经有2／3的海运船只采用格林威治时间进行导航。

大众化手表

在同一时期，许多钟表制造商意识到，如果降低生产成本，手表市场将远远大于时钟市场。然而，批量生产手表通用件的问题要复杂得多，因为随着元件的小型化，对制作精度的要求也大大提高了。18世纪后期以来，虽然大批量生产已经取得了一些进展，但是由于欧洲的钟表匠担心抛弃传统的生产工艺会使市场饱和并威胁到工人的就业，因而使得许多关于引入机器生产手表通用件的想法大多胎死腹中。

欧洲人在1840年下半年完全控制了钟表市场，美国钟表匠无力与其竞争，由于被这种局面所困扰，美国缅因州的一位钟表匠AaronL．Dennison与麻省罗克斯伯里市一家钟表厂的经营者EdwardHoward会谈并讨论了批量生产手表的方案。Howard及其合伙人为Dennison提供场所让其试验井研制该项目所需的新机器。到1852年秋天，在Dennison的管理下20只手表成功出厂，次年春季又生产出l00只手表，而1854年又生产了1000只。这时，Roxbury的生产设备就显得太小了，因此新命名的波士顿表业公司迁到麻省沃尔瑟姆市，到1854年年底，该公司每周可以出厂36只装配齐全的表。

这家公司最终以美国沃尔瑟姆表业公司(American Waltham Watch Company)而闻名世界，由于在南北战争时期盟军部队需要使用手表来统一行动，手表的巨大需求量使该公司大发横财。制作技术的进一步提高不但增加了产量，而且降低了成本。同时，其他的美国公司也纷纷效仿，希望能在这个刚刚起步的行业中占据一席之地。瑞士政府曾一度控制着钟表制造业，但是随着其产品在19世纪70年代出口量的直线下降，也开始感到忧心忡忡。他们派往美国麻省的调查员发现，在沃尔瑟姆工厂里，不但产量高，而且产品成本也较低。甚至一些次等品的美国手表也能够相当准确地报时。手表终于成了普通大众的日用品。

由于在19世纪妇女们配戴手镯表，所以手表在很长时期内被认为是女性化的装饰品。然而在第一次世界大战期间，口袋表经过改造后可以戴在手腕上，这样在战场上更方便查看时间。在一次大型促销活动的影响下，男性手表在战后开始流行起来。手动式上发条的机械手表出现在20世纪20年代。

高度精确的时钟19世纪末，慕尼黑的SiegmundRiefler设计了全新的校准仪一一作为标准仪用于检验其他时钟的高精度计时器。SiegmundRiefler的校准仪被搁置在半真空容器内以减小大气压力的影响，其配备的钟摆也不受温度变化的影响，时钟可达到误差为每天0．1秒的精度，在当时几乎为所有的天文台所采用。

数10年之后，高精度时钟才有了进一步的发展。当时一位英国铁路工程师WilliamH．Shortt设计了所谓的“自由摆钟”(freependulumclock)的设备，据说精度可达到每年误差不超过1秒。Shortt的自由摆钟系统包括两座摆钟，一个是“主钟”(放置在真空容器中)，而另一个是“辅钟”(带有时间刻度盘)。辅钟每30秒向主钟钟摆发送一个电磁脉冲，反过来主钟对辅钟进行校准，因此主钟摆几乎不受机械扰动的影响。

虽然在20世纪20年代期间Shortt发明的时钟开始取代Rieflers的钟作为天文台的校准仪，但它的这种优越地位并没有维持多久。1928年，纽约贝尔实验室的工程师WarrenA.Marrison发现了一种极端统一而可靠的频率源，对计时器来说，它的出现就像272年前摆钟的出现一样具有革命性意义。这种石英水晶振子在开发之初被用于无线电广播，当受到电流激发时，它将以非常规则的频率振动[参见左下图图解]。1939年，皇家天文台安装的第一台石英钟的误差仅为每天千分之二秒。到二次大战结束时，石英钟的精确度提高到每30年误差为l秒。

然而，石英技术成为首要标准频率的时间也不长。1948年华盛顿特区的科学家Harold和同事为研制出更为精确且稳定的计时源而设计出第一台原子钟，即某种原子的自然共振频率-一原子在两个能态之间的周期性振荡[参见右下图图解]。在20世纪50年代，美国和英国进行了一系列的试验，最终研制出铯提供了标准频率，精度达到每天的误差在l纳秒(十亿分之一秒)以内。

直到20世纪中叶之前，人们仍然在使用与公转相对的地球自转周期(24小时)来确定标准时间。虽然早在18世纪后期人们就已经怀疑地球的自转周期并非完全恒定不变，但这种方法还是一直保留了下来。能够测量地球自转偏差的铯原子钟的问世，意味着新的变革势在必行。秒的新定义基于铯原子共振频率，并于1967年被定为时间的新标准单位。

时间的精确测量对于科学研究实在太重要了，所以人们一直在不断地努力，寻找更为精确的测量方法。下一代的原子钟，例如氢微波激射器(一种频率振荡器)、铯泉(cesiumfountain)、以及光学钟(双频鉴频器)等，它们的精度一-更确切地说是稳定性一一有望达到每天误差为1毫微微秒(10-5秒)(参看64页W.WaytGibbs所著的"将时间精度进行到底!")。

虽然将来我们测量时间的能力还会不断地提高，但不会改变的事实是，人们对时间精度的测量要求永远也不会满足。

1. 摆轮心轴、原始平衡摆和冕状擒纵轮

第一座机械钟(大约出现在1300年)的创新性元件是擒纵轮。它的作用是控制冕形齿轮的旋转，同时传递维持振荡器运动所必需的动力，反过来控制计时器的运行速度。锯齿形的冕状轮(即饿纵轮)由齿轮传动系驱动，其动力来自于绕轴上紧发条而受力的弦。冕状齿轮的顺时针旋转受到从立铀上突出的两个棘爪(pallet)阻挡，这个立轴叫做摆轮心轴(verge)，支撑着叫做"原始平衡摆"(foliot)的长条。当上面的棘爪阻止冕状齿轮旋转时(产生一个"滴"音)。转动中的轮齿会逐渐顺时针推动棘爪直到其释放脱开。几乎在同时.下面的棘爪阻挡住另一个轮齿(产生一个"哒"音)使得冕状齿轮停止转动并向相反的方向推动摆轮心轴。在冕状齿轮的驱动下，摆轮心轴和棘爪得以持续往复振荡直到提供动力的弦完全释放。可以通过移动原始平衡摆臂上的砝码来调整运行速度，向外移动则变快，向内移动则变慢。

2. 均力圆锥轮

14世纪上半叶，均力圆锥轮(fusee)的问世使得利用盘绕弹簧作为计时器的原动力变得实用起来。虽然作为动力源的弹簧非常紧凑，但张力大小仍随着弹簧拉紧程度而变化。均力圆锥轮是一种圆锥形的槽轮，它用来补偿计时器主发条弹簧变化的张力。放置弹簧的圆桶通过一根弦或链条与均力圆锥轮相连。当主发条完全上紧时，弦拉的是均力圆锥轮较窄的一头，这时力臂较小，产生相对较小的力矩。随着时钟运行，弦逐渐被拉回圆桶。为了补偿主发条弹簧减小的张力，绕在均力圆锥轮上的弦的直径就增加了。这样，无论主发条弹簧的张力怎样变化，传递到计时器齿轮上的力保持恒定。

3. 摆钟

尽管伽利略和16世纪的科学家知道摆锤具有作为计时工具的潜力，但ChristiaanHuygens才是第一位设计出摆钟(pendulumclock)的人。Huygens很快就发现，摆锤在摆动过程中，摆幅较小时比摆幅较大时的速度快。他通过在钟摆悬挂点装设一对弯曲的“摆线夹板”(图中右上侧)来克服这一问题。这些弯曲的夹板作用于悬挂弦，当钟摆的弧度增加时，可减少钟摆的有效长度，因此可维持摆锤的摆线而不是圆弧(如图所示)。因此在理论上，不管摆幅(摆动距离)为多少，摆锤每完成一次摆动的周期相同。在Huygens设计的钟里，重力可影响摆锤的运动，这取代了以纯粹机械方式驱动的水平原始平衡摆的振动。此时，是钟摆的拍子在控制着冕状轮擒纵轮和齿轮的旋转，从而将更精确的时间测量值传递给时钟刻度盘的指针。

4. 旋转平衡簧

Huygens在1675年发明了旋转平衡簧(spiralbalancespring)。正如重力可控制时钟钟摆的摆动-样，这种弹簧可控制便携式时钟内平衡轮的振动。平衡轮是先沿一个方向旋转，然后再沿另一方向旋转的转子，并且反复做这种循环运动。图示为现代的平衡轮。它通过可调节的旋转螺钉来保证精确平衡。

5. 锚形擒纵轮

锚形擒纵轮(anchorescapement)大约于1670年出现在英国，它是一种基于杠杆原理的船锚状部件。钟摆的运动使得锚摇摆，从而捕获或释放擒纵轮的每一个齿，反过来让擒纵轮在做类似防倒转的棘齿运动时转过一个精确量。与早先摆钟中的冕状轮擒纵轮不同的是，锚形擒纵轮允许钟摆以很小的摆幅摆动，而摆动迹线也不必是摆线。此外，该发明使得长秒摆得到了实用，并因此而推出了一种新型的落地式时钟外壳设计，即著名的有摆落地大座钟。

英国格林威治的皇家天文台安置着配有1675年的锚形擒纵轮的时钟.用来更加精确地测量恒星运动。对于安全的海上导航系统而言，改良的天文图至关重要。

JOHNHARAISON发明的海钟H1在1736年获得了应有的历史位置，它在试航中证实了可以确定经度的价值。本图所示的是1984年仿制的海钟H1。

具有创新性的木质运动部件搁板钟自19世纪美国康涅狄格州的钟表匠Eli Terry发明。Terry发明的这种具有独创性的批量生产技术使得生产大众化的时钟成为了可能。

1889年，当德国人Siegmund Riefler为减少大气压力的影响而设计了在半真空环境下运行的时钟时，精确计时才开始进入成熟的发展阶段。Riefler设计的校准仪的另一特点是，具有基本不受环境温度的改变而影响的钟摆。因此该钟的精度达到每天的误差值仅为0.1秒。

现代精密计时器

1. 石英钟

在20世纪60年代末。钟表匠从传统的振荡摆轮向前迈进了一步，他们开发了一种基于晶体管的电子振荡器，该振荡器包含一个细小的音叉。音叉振动可转化为指针的运动。同时，随着廉价的低功率集成电路和发光二极管[LED]开始出现，人们对更精确计时器的探索也在不断深入。钟表制造者很快采用了用于无线电发报机的石英晶体共鸣器。石英晶体是压电的，易受到变化的电压影响而产生振动，反之亦然。当受到其谐波频率的电压驱动时，晶体会产生共振。就像响铃一样。然后振荡器的输出被转化为适合手表数字电路的脉冲。数字电路同时负责LED显示或电驱动表盘指针运动。

2. 铯子钟

铯原子钟之所以能成为标准时间的基准。源于铯133原亍被调谐微波探测到的电子跃迁(electronspin-fliptransition)在一个真空室内，六束激光减缓了气态铯原子的运动，使其形成小原子云，通过改变上部的和底层的激光操作频率可发喷泉状原子云，随后原子云向上通过一个磁屏蔽的空穴。原子云在重力作用下被向下拉回，当再次通过空穴时，原子中的电子受到微波发生器的轰击，微波发生器的辐射频率由预先设定好的压电晶体振荡器来确定。微波影响电子的跃迁，并改变其量子力学能态。当原子云下落得再低一点时，一个激光探针使铯发出荧光，这可以显示电子是否发生跃迁，探测器监视着跃迁过程。探测器的输出信号用于对微波发射器做细微修正。以便获得精确的共振频率作为时钟的一拍。

自由摆钟是 20 世纪 20 年代初由一位英国铁路工程师William H. Shortt 发明的，这种自由摆钟计时系统包括两座摆钟("主钟"[右].'辅钟"[左]),精确度为每年误差小于 1 秒。