什么是计时学?

[拼音]：jishixue

[外文]：horology

研究时间的计量和测试的科学。也是研究计时仪器的设计和制造的科学。又称钟表学。

时间是基本物理量之一。日常生活、工业、交通、国防、测绘、航天、科学研究、体育运动等各个领域都需要计测时间。早在上古时期，人类就发明了一些利用自然现象计测时间的方法和计时器，如观测太阳影子的圭表和日晷，然后是漏壶和火钟等。随着社会的发展，人们对于时间计测的精度要求不断提高，遂发明了利用一些等时性好的振动现象来计测时间的方法和计时器，其中包括至今仍在应用的以重锤或发条驱动的摆钟，以发条为能源而以摆轮游丝系统作为时间基准或简称为时基(time base)的机械钟表，以电池为能源而以音叉振荡器或石英振荡器作为时基的电子钟表等。现代石英电子钟表的普及使计时精度大为提高，而原子钟的发明更使计时精度达到空前未有的高度。

新的计时方法和仪器的发明以及计时精度的逐步提高，都要求计时理论和技术有相应的提高。16世纪，伽利略发现了摆的等时性后，计时学的理论逐渐形成。17世纪，C.惠更斯发表了《计时振荡器》 (Horologium Oscillatorium)等小册子，他对摆的等时性、摆轮游丝振动系统、摆线理论和擒纵机构的研究和开发，奠定了机械钟表的理论基础。当时的计时学已应用I.牛顿刚创立的微积分学和力学的理论方法，分析振动系统，研究提高计时精度和性能，并以此成为一门领先的科学而引人注目。进入19世纪，E.菲利普斯研究了摆轮游丝末端曲线和等时性的关系，随后J.格罗斯曼对游丝运动分析和位置误差的研究，E.卡斯帕里关于游丝卷进角对于走时影响的研究等，都大大充实了计时学的理论。1940年，S.古德斯米特和M.王发表的关于等时性游丝问题的论文，更透彻和完善地说明了游丝形状和等时性的关系。由于计时学理论的发展，J.哈里森于18世纪发明了走时精度很高的航海天文钟，大大促进了当时航海术的发展。20世纪初发明了各种类型的精度很高的天文摆钟，其精度可达日差千分之一秒。它们用于天文测时和守时，促进了天文学的发展。根据计时学的理论并利用机械工程学的原理和方法，人们已大量生产出各种钟表，设计和制造出宝石轴承、防震支承、d性元件和擒纵调速器等。

随着对计时仪器性能要求的不断提高，对计时仪器所用材料的要求也不断提高。20世纪初，C.纪尧姆发明了一些可用于制造钟表的材料，其中包括恒d性合金，用它来制作游丝，可大大减小钟表的温度误差。同一时期，F.斯特劳曼发明了一种称为“尼瓦法来克斯”的材料，用它来制作的发条，不断不锈。

20年代开始，电子技术被引入计时学中，音叉振荡器和石英振荡器被用作计时仪器的时基，它们的频率比机械振动系统的高，频率稳定性更要高出若干个数量级。半导体和集成电路的发明，使钟表更加微型化且耗能更小。70年代开始，钟表工业进入石英电子化阶段，使手表更加微型化、低功耗、高精度、多功能和便于大量生产，这是对原有的机械钟表的一次大的冲击。石英电子化后，钟表工业从精密机械加工业变成微电子技术和精密机械技术相结合的精密工业。由于石英电子钟表应用液晶显示屏和扣式电池，这就使计时学与光电子学、电化学以及有机化学等学科发生了密切关系。从钟表的生产和工艺来看，计时学也与计算机技术、机器人学和信息工程学等有一定关系。

1934年，美国C.E.克利顿和N.A.威廉斯发明原子钟，以原子能级间跃迁发出的辐射频率作为时基。与石英钟相比，原子钟具有更高的频率，其频率稳定性可达10-14，这是目前能达到的最高性能的计时仪器。原子钟所依据的理论主要是微波分光学，它是在电磁学和原子物理学的基础上形成的。从机械钟表到石英电子钟表，它们的时基利用的都是宏观的机械振动，而原子钟利用的则是量子物理学中的微观现象。

主要包括：

（1）研究解决各种领域中的时间计量、测试和控制的方法和手段。包括科学研究中极短时间的测试和地质、考古研究中极长时间的测试。

（2）研究各种计时仪器时基的理论和影响各种钟表走时精度及其他性能的因素。

（3）研究各种钟表的结构设计和制造方法。

（4）研究天文台和计量部门用的时间和频率基准（原子频标）以及测时、守时和授时等时间服务工作。

（5）研究解决在各种严酷环境条件下（如高温、低温、潮湿、振动、冲击、深水、强磁场等）工作的计时机构的精度和工作可靠性。如导d、卫星、极地、潜水和油井下工作的计时机构的设计和外壳防护等问题。

（6）研究解决各种计时仪器、钟表、定时器和它们的关键部件的检测技术和检测仪器问题。

（7）研究解决钟表生产中的工艺问题，包括钟表生产中的自动化和特种工艺问题。

（8）研究解决各种专用计时仪器的开发研制问题。计时仪器和钟表的应用范围很广，差不多各个领域都要应用，而各领域又往往有其特殊的要求。因此，计时学还根据各领域提出的特殊要求，研究设计各种专用的时间计控方法和计时仪器。

计时学是一门综合性的科学，它是不断地引进其他学科的先进理论和先进技术而发展起来的。计时学也是一门比较发达的科学，目前时间计测精度和计时仪器的性能都已达到较高的水平。例如一般日常生活用的石英钟表的计时精度已达10-7（10-5约相当一天差1秒钟），而科学技术上用的原子钟或原子频率标准的计时精度则已达10-14。