达·芬奇花了几年时间画了一个鸡蛋。我相信你已经很熟悉了。事实上，在科学领域，有很多科学家用小东西认真。例如，在哈佛大学，一些教授会为香蕉开设一个学期的课程，而另一些人则会花几年时间研究鸡蛋的诞生过程，这真的让人大开眼界。现在，有一个小问题让科学家困惑了数百年。这个问题是钟摆问题。

摆钟的发明

1582年，在意大利比萨大教堂，牧师告诉人们，这些人中有一个贫穷的大学生。他对讲座不太感兴趣，但被教堂天花板上的吊灯所吸引。这个吊灯在教堂里存在了很多年，风一吹就会来回摆动。这是一件很普通的事情，但这个学生非常敏锐，他在思考一个问题：虽然吊灯摆动距离越来越小，但往返时间似乎是一样的。脉搏的跳动是有规律的振动，吊灯的摆动会遵循这个道理吗？

为了验证这个想法，他用右手按住左腕的脉搏，默默地计算着吊灯摆动的次数，发现它们之间有一定的联系。牧师讲完之前，他赶紧跑回家，用绳子挂了一些东西来研究它的摆动规律。结果发现，挂东西的绳子长度一变，摆动周期就不一样了。然而，悬挂物体的重量和摆动角度与摆动周期无关。这就是著名的等时性原则，发现者还不到20岁。他是伽利略。

过去，人们总是用流动物质的匀速流动来计时，如沙漏和水漏。当时，包括伽利略在内的许多人意识到，如果摆均匀的周期性运动，那么它可能会提高计时装置的准确性。不过，事实上，伽利略“摆的等时性”原理是存在问题的，比如摆的摆动角度实际上会影响摆的周期，而不是像伽利略说的毫无影响，如果依照伽利略的原理来设计摆钟，是不可能准时的。因此，第一个摆钟的真正发明要等到17世纪，发明者是荷兰科学家惠更斯。

惠更斯是历史上最著名的物理学家之一。他建立了向心力定律，提出了动量守恒原则，也是概率论的创始人之一。当时，他注意到了这个问题。他发现伽利略单摆的等时性只有在摆角较小的情况下才建立起来。然而，当摆角较大时，如当摆角为60度时，不严格的等时性是显而易见的。惠更斯仔细研究并解决了这些问题，然后研究了其在机械上的应用，并设计了严格的摆钟结构。

1657年，28岁的惠更斯将重力摆放引入机械钟，发明了摆钟。摆钟的准确性是欧洲之前计时器的100倍，将平均每天15分钟的误差改为每周1分钟左右。

惠更斯解决了伽利略的困惑，但他从未解决过一个问题，给现代科学留下了一个350年未解决的历史谜——惠更斯摆钟之谜。

惠更斯摆钟之谜

1665年，惠更斯卧病在床，看着挂在墙上的两个小时。这时，他也注意到了一个奇怪的现象：无论两个摆锤从哪里开始摆动，它们最终都会在大约半小时内以相同的频率相反摆动。随后，惠更斯亲自在不同时间释放了两个摆锤，结果也是如此。

为什么挂在同一面墙上的钟摆会相互影响，随着时间的推移会逐渐同步？当时，惠更斯认为钟摆之间必须有一种神秘的交流方式。

几个世纪以来，没有人知道测量钟摆之间互动的精确工具。2002年，亚特兰大的研究人员库尔特·瓦伊杰菲利德对这个问题进行了实验。他发现了惠更斯摆钟的等时性，但这种情况只发生在摆锤重量比整个摆钟结构轻得多的情况下。如果每个摆锤的质量与整个钟的质量比小于1:120，则两个钟的摆锤将开始向相反的方向摆动。如果这个比值大于1:80，一个或两个摆锤会逐渐停止。

虽然瓦伊杰菲利德的实验复制了当时惠更斯看到的奇怪现象，但也有科学家不买。他们认为这个实验没有解释为什么钟摆的重量会影响钟摆的振动方向。更重要的是，从惠更斯留下的手稿来看，惠更斯设计的钟摆当时并没有遵循这个比例原理，瓦伊杰菲利德的实验也解释不了为什么惠更斯钟摆会在半小时内同步。

隐藏在声音中的秘密

2015年，葡萄牙里斯本大学的研究人员决定另辟蹊径。之前的研究人员使用的摆钟是商业和通用钟的缩小版本，支持摆钟的材料与惠更斯非常不同。他们决定恢复当时惠更斯的观测条件。

研究人员委托墨西哥的一家大型纪念钟工厂模仿惠更斯当时使用的摆钟，制作了两个复杂的摆钟，然后挂在铝梁上，用高精度光学传感器测量摆钟的周期。果然，一段时间后，摆锤开始以相同的范围向相反的方向摆动。

然后，研究人员把两个小时放在一张木桌上。正如他们所期待的，钟摆的运动随时同步。然而，一个非常奇怪的现象出现了。与惠更斯观察到的不同，时钟没有向相反的方向摆动。相反，它们摆动的方向完全相同。虽然两个钟的钟摆保持同步，但随着时间的推移，它们变得越来越慢，两个钟表上显示的时间也非常不准确。那为什么呢？

研究人员通过模拟时钟的数字模型找到了答案。

事实证明，惠更斯300多年前的预测是正确的。两个时钟之间确实存在沟通现象，而沟通工具实际上是连接时钟的支撑，如木桌。两个时钟通过木桌交换能量。支撑材料的刚度、厚度和质量会影响时钟的同步方式和时钟的时间准确性。

那这些悬挂材料之间传递的能量是什么呢？

研究人员多次使用不同的悬挂材料进行测试。最后，他们发现，只有当材料具有很好的声音传导能力时，两个小时的时间才会越来越近，钟摆摆动的频率也会越来越近，共振才会出现。这项研究还为惠更斯摆钟之谜找到了一个可能的解释：行走钟的声能穿梭于连接它们的材料之间，导致它们最终产生相同振幅的共振。

虽然惠更斯设计的钟摆形式多样，但都遵循基本结构。钟摆、齿轮等装置相互产生推力运动，每个结构的机械运动都会产生少量的声能。当一个钟滴摇摆时，这些声能会在两个传导物之间传播，并交换能量。两个钟摆的摆幅会微调，直到它们产生共振，一个钟摆会与另一个同步。原来真正的幕后推手是声能。

那么，为什么这个实验需要18个小时甚至几天才能同步呢？为什么时钟同步这么慢？

研究人员还给出了一个很好的解释，惠更斯时钟重23公斤或27公斤，连接两个摆钟是一个僵硬的木梁，研究人员实验摆钟只有0.4公斤或更轻，时钟悬挂材料不那么坚固，更灵活的材料往往吸收时钟的大部分能量，防止传输，所以惠更斯时钟传输声能更大。

生活中有许多同步现象。例如，人体内有几种生物节律 ：呼吸、心跳和动脉跳动。科学家们发现，当这些节奏中的一些节奏相互同步时，能量消耗最小。因此，在这种情况下，同步对身体有益。

但另一方面，同步也可能是危险或有害的，如癫痫发作与神经元异常同步密切相关。在建筑中，一些工程师忽视了共振现象，导致桥梁倒塌。例如，华盛顿州的塔科马海峡吊桥由于桥面厚度不足而被强风吹走，导致卡门涡街摆动。当卡门涡街的振动频率与吊桥本身的固有频率相同时，会导致吊桥剧烈共振和坍塌。如果惠更斯钟摆的问题，可能有助于解释大自然中广泛存在的同步现象，解决一些实际问题。

然而，尽管钟摆之间的支撑材料可以传播声能，使两个钟同步，但研究人员对这个答案并不满意。研究人员做了另一个实验，用更平滑的机制取代了两个时钟的齿轮驱动机制。此时，时钟没有产生如此大的能量脉冲，但摆钟仍然同步，这表明除了声能外，这两个时钟必须受到其他因素的影响。对于研究人员来说，这个实验只是揭开了惠更斯钟摆之谜的一层面纱。在这个看似简单的问题背后，一定有其他未找到的答案。

本文起源于大科技*科学之谜 2017年第1期杂志 欢迎读者关注我们大科技的微观.信号：hdkj1997