すべての時計に必要なもの

時計は、定規が長さを測るようには時間を測りません。「1秒」と比べるために手に持って並べられるものはないからです。時計が実際にしているのは、一定の速さで繰り返すものを数え、その数を表示することです。

その「繰り返すもの」は、揺れるおもり、回転する車輪、振動する結晶、または振動する原子かもしれません。それが何であっても、古代の時計でも現代の時計でも、すべて同じ4つの部分からできています。

• 振動子：繰り返すもの。同じ動きを何度も繰り返し、速さを決める部分です。
• カウンター：繰り返しの回数を足し上げるもの（歯のある歯車や電子回路）。
• 動力源：落ちるおもり、巻いたばね、または電池。実際の振動子は揺れるたびに少しずつエネルギーを失うため、補充しなければ止まってしまいます。
• 表示：文字盤の針や画面の数字。数えた回数を、時・分・秒に変換して表示します。

1回の繰り返しの長さを周期といい、Tで表し、秒で測ります。1秒あたりに何回繰り返すかを周波数といい、fで表し、ヘルツ（Hz）で測ります。これは同じことを2通りの方法で表したものです。

f = 1 / T と T = 1 / f

1回の往復に0.5 sかかる振り子の周波数は、1 / 0.5 = 2 Hzです。つまり、1秒に2回振れます。ゆっくりした振り子が1回の往復に2 sかかるなら、周波数は0.5 Hzです。この2つの数字を覚えておきましょう。周期が2 sの振り子は有名な「秒振り子」です。外向きに1回、戻るときに1回、1秒に1回刻むからです。

時計の歴史は、ほとんどがよりよい振動子の歴史です。このコースでは、次の振動子が登場します。

周波数が高いだけで、よりよい時計になるわけではありません。しかし、数える時間をより細かく分けられます。また、最も優れた振動子は、その速さをとても正確に保ち続けることもできます。

この最後の性質を表す言葉が、Q、つまり品質係数です。Qが高い振動子は、よい鐘が鈍い音に比べて長く鳴り続けるように、消えていくまで長い間、振動し続けます。1回振れるごとに失うエネルギーがとても少ないので、小さな押しや小さな外乱では速さがほとんど変わりません。振り子からテンプへ、そしてクォーツへ、さらに原子へと移っていくことは、主に、どんどん高いQへ移っていくことを意味します。まだQを計算する必要はありません。いつまでも鳴り続ける鐘のイメージだけ持っておきましょう。

振動子は、時計と日時計を分けるものでもあります。日時計は太陽の動きを使って時刻を示すので、明るく晴れた空のときにしか使えません。また、太陽時を示します。太陽時は「時計の時刻」と少し違います（太陽・地球・月のラボで、その理由を説明します）。振り子や水晶は、夜でも、洞窟の中でも、船の上でも、月の上でも動き続けます。天気や空に左右されないことが、機械式時計をとても役立つものにしたのです。