人類計時的努力推動了我們技術和科學在整個歷史中的發展。衡量晝夜劃分的需求促使古代埃及人、希臘人和羅馬人創造了日晷、水鍾和其他早期的計時工具。西歐人採用了這些技術，但到了13世紀，對可靠計時儀器的需求促使中世紀工匠發明了機械鐘。雖然這種新裝置滿足了修道院和城市社群的需求，但在使用擺錘控制其執行之前，它對於科學應用來說過於不準確和不可靠。隨後開發的精密計時器解決了在海上找到船隻位置的關鍵問題，並在工業革命和西方文明的進步中發揮了關鍵作用。
今天，高度精確的計時儀器為我們大多數電子裝置設定了節拍。例如，幾乎所有的計算機都包含一個石英晶體鍾來調節其執行。此外，從全球定位系統衛星發出的時間訊號不僅校準了精密導航裝置的功能，還校準了蜂窩電話、即時股票交易系統和全國範圍的配電網。這些基於時間的技術已經如此融入我們的日常生活中，以至於我們只有在它們無法工作時才會意識到我們對它們的依賴。
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根據考古證據，巴比倫人和埃及人至少在 5000 年前就開始測量時間，引入日曆來組織和協調社群活動和公共活動，安排貨物的運輸，特別是調節種植和收穫的週期。他們的日曆基於三個自然週期：太陽日，標誌著地球繞軸旋轉時光和暗交替出現的時期；農曆月，追隨月球繞地球執行的相位；以及太陽年，由伴隨我們星球繞太陽旋轉的季節變化來定義。
在人造燈發明之前，月亮具有更大的社會影響。而且，對於那些尤其生活在赤道附近的人來說，月亮的盈虧比季節的流逝更引人注目。因此，在低緯度地區開發的日曆受月球週期的影響大於太陽年。然而，在更北方的氣候中，季節性農業很重要，太陽年變得更加關鍵。隨著羅馬帝國向北擴張，它主要圍繞太陽年組織其日曆。今天的格里高利曆源自巴比倫、埃及、猶太和羅馬曆法。
埃及人制定了一個有 12 個月、每月 30 天的民用曆法，並增加了 5 天來近似太陽年。每個 10 天的週期都以稱為星群（星座）的特殊星群的出現為標誌。在天狼星在日出前升起時，大約在尼羅河一年一度的重要洪水期間發生，可以看到 12 個星群橫跨天空。埃及人對這 12 個星群賦予的宇宙意義促使他們開發了一個系統，其中每個黑暗間隔（以及後來的每個白天間隔）被劃分為十二個相等的部分。這些時期被稱為臨時小時，因為它們的持續時間隨著季節的推移而晝夜長短變化。夏季的小時很長，冬季的小時很短；只有在春分和秋分時，白天和黑暗的小時才相等。臨時小時被希臘人採用，然後被羅馬人採用（他們將它們傳播到整個歐洲），使用了 2500 多年。
發明家創造了日晷，透過太陽陰影的長度或方向指示時間，以在白天跟蹤臨時小時。日晷的夜間對應物，水鍾，旨在測量夜間的臨時小時。最早的水鍾之一是一個底部附近有一個小孔的盆，水從小孔中滴出。當水位下降到內表面上刻劃的小時線以下時，下降的水位表示小時的流逝。雖然這些裝置在地中海周圍執行良好，但在北歐多雲且經常寒冷的天氣中，它們並不總是可靠的。
時間的脈搏
有記錄的最早的重力驅動機械鐘於 1283 年安裝在英格蘭貝德福德郡的鄧斯特布林修道院。羅馬天主教會應該在時鐘技術的發明和發展中發揮重要作用並不奇怪：修道院嚴格遵守祈禱時間需要更可靠的計時工具。此外，教會不僅控制教育，而且還擁有僱用最熟練的工匠的能力。此外，13世紀下半葉歐洲城市商業人口的增長也產生了對改進的計時裝置的需求。到 1300 年，工匠們正在為法國和義大利的教堂和大教堂建造時鐘。由於最初的例子是透過敲響鐘聲來指示時間的（從而提醒周圍社群注意其日常職責），因此這種新機器的名稱是從拉丁語中的鐘，clocca 派生出來的。
這個新計時器的革命性方面既不是提供其動力來源的下降的重物，也不是傳遞動力的齒輪（它們至少存在了 1300 年）；而是稱為擒縱機構的部分。該裝置控制輪子的旋轉，並傳遞維持振盪器運動所需的動力，振盪器是調節計時器執行速度的部分[有關早期鐘錶機構的解釋，請參見第 50 和 51 頁的方框]。時鐘擒縱機構的發明者是未知的。
統一小時
雖然機械鐘可以調整以保持臨時小時，但它自然適合保持相等的小時。然而，對於統一小時，出現了何時開始計算它們的問題，因此，在 14 世紀初，出現了許多系統。將一天劃分為 24 個相等部分的方案根據計數的開始而有所不同：義大利小時從日落開始，巴比倫小時從日出開始，天文小時從中午開始，大鐘小時（用於德國一些大型公共時鐘）從午夜開始。最終，這些和競爭系統被小鐘或法國小時所取代，它像我們目前所做的那樣，將一天分為兩個 12 小時的時間段，從午夜開始。
在 16 世紀 80 年代，製表師收到了顯示分鐘和秒鐘的計時器的委託，但它們的機制不夠精確，無法在 17 世紀 60 年代擺鐘出現之前將這些分數包含在錶盤上。分鐘和秒來自巴比倫天文學家引入的角度的六十進位制劃分。單詞“分鐘”源自拉丁語 prima minuta，即第一個小劃分；“秒”來自 secunda minuta，即第二個小劃分。將一天劃分為 24 小時，並將小時和分鐘劃分為 60 個部分在西方文化中根深蒂固，以至於所有改變這種安排的努力都失敗了。最值得注意的嘗試發生在 18 世紀 90 年代革命時期的法國，當時政府採用了十進位制系統。雖然法國人成功地引入了米、升和其他以 10 為底的單位，但將一天分成 10 小時、每小時由 100 分鐘組成、每分鐘又分成 100 秒的努力僅持續了 16 個月。
行動式時鐘
在機械鐘發明後的幾個世紀裡，城鎮教堂或鐘樓的定期敲鐘足以為大多數人劃分一天的時間。但是到了 15 世紀，越來越多的時鐘被用於家庭用途。那些負擔得起擁有時鐘的奢侈品的人發現有一個可以從一個地方移動到另一個地方的時鐘很方便。創新者透過用盤繞的彈簧代替重物來實現便攜性。然而，彈簧的張力在纏繞後會更大。克服這個問題的裝置，稱為芝麻鏈（來自拉丁語 fusus，意為紡錘），是由一位不知名的機械天才在 1400 年至 1450 年之間發明的[請參閱第 50 頁方框中的插圖]。這個錐形裝置透過一條繩索連線到容納彈簧的筒：當上緊時鐘時，將繩索從筒上拉到芝麻鏈上，芝麻鏈螺旋線的直徑減小會補償彈簧拉力的增加。因此，芝麻鏈平衡了彈簧對計時器輪子的力。
芝麻鏈的重要性不應被低估：它使行動式時鐘的發展以及隨後的懷錶進化成為可能。許多高檔彈簧驅動的計時器，例如航海天文鐘，直到二戰後仍繼續使用此裝置。
擺錘開始擺動
在 16 世紀，丹麥天文學家第谷·布拉赫和他的同時代人試圖將時鐘用於科學目的，但即使是最好的時鐘仍然太不可靠。特別是天文學家需要更好的工具來計時恆星的過境，從而建立更準確的天空地圖。事實證明，擺錘是提高計時器準確性和可靠性的關鍵。義大利物理學家和天文學家伽利略·伽利萊和在他之前的其他人嘗試過擺錘，但一位名叫克里斯蒂安·惠更斯的年輕荷蘭天文學家和數學家在 1656 年聖誕節發明了第一臺擺錘鍾。惠更斯立即認識到他發明的商業和科學意義，並且在六個月內，海牙當地的一家制造商被授予製造擺錘鐘的許可。
惠更斯發現，一個擺錘在圓弧上擺動時，小幅擺動的速度比大幅擺動的速度快。因此，擺錘擺幅的任何變化都會導致時鐘走快或走慢。意識到要保持擺錘每次擺動的恆定幅度（擺動距離）是不可能的，惠更斯設計了一種擺錘懸掛裝置，使擺錘的擺動軌跡呈擺線形而非圓形。這使得擺錘無論擺幅大小，都能以相同的時間振盪[參見下一頁方框中的圖示]。擺鐘的精度比之前的時鐘提高了約 100 倍，將每天通常快或慢 15 分鐘減少到每週約 1 分鐘。這一發明的訊息迅速傳播開來，到 1660 年，英國和法國的工匠們開始開發他們自己版本的這種新型計時器。
擺錘的出現不僅提高了對時鐘的需求，也促使其發展成為傢俱。國家風格很快開始出現：英國製造商設計的錶殼是為了適應機芯；相比之下，法國人更注重錶殼的形狀和裝飾。然而，惠更斯對這些時尚沒什麼興趣，他將大部分時間都投入到改進該裝置，既用於天文用途，也用於解決海上確定經度的問題。
創新的鐘表機芯
1675 年，惠更斯設計了他的下一個重大改進，即遊絲。正如重力控制著時鐘中擺錘的擺動一樣，這種遊絲調節著行動式計時器中擺輪的旋轉振盪。擺輪是一個精細平衡的圓盤，它在一個方向上完全旋轉，然後再在另一個方向上旋轉，重複這個迴圈[參見左側方框中的圖示]。遊絲徹底改變了手錶的精度，使其能夠將時間控制在每天一分鐘之內。這一進步幾乎立即刺激了手表市場的興起，手錶現在不再像過去那樣通常掛在脖子上的鏈條上，而是裝在口袋裡，這是一種全新的服裝時尚。
大約在同一時間，惠更斯聽說了一項重要的英國發明。與他一直在擺鐘中使用的擒縱機構不同，錨式擒縱機構允許擺錘在很小的弧度內擺動，因此不再需要保持擺線軌跡。此外，這種擒縱機構使使用長秒擺錘成為可能，從而導致了新的錶殼設計。自 1876 年以來，長鍾，俗稱落地鍾（源於美國人亨利·克萊·沃克的一首歌），開始成為最受歡迎的英國風格之一。帶有錨式擒縱機構和長擺錘的落地鍾可以使時間保持在每週幾秒鐘的範圍內。著名的英國鐘錶匠托馬斯·湯普遜和他的繼任者喬治·格雷厄姆後來改進了錨式擒縱機構，使其在沒有反衝的情況下執行。這種被稱為靜止擒縱機構的增強設計，在接下來的 150 年裡成為精密計時中最廣泛使用的型別。
解決經度問題
1675 年，英國格林威治皇家天文臺成立時，其章程的一部分是尋找人們夢寐以求的地點經度。第一任皇家天文學家約翰·弗拉姆斯蒂德使用配備錨式擒縱機構的時鐘來計時恆星穿越天體子午線的確切時刻，天體子午線是一條連線天球兩極並定義夜空中正南點的假想線。這使他能夠比以往僅透過使用六分儀或象限儀進行角度測量來收集更準確的恆星位置資訊。
儘管航海家可以透過測量太陽或北極星的高度來在海上找到他們的緯度（他們在赤道以北或以南的位置），但天體並沒有為尋找經度提供如此直接的解決方案。風暴和洋流常常混淆了人們跟蹤跨洋航行距離和方向的嘗試。由此造成的航行誤差使航海國家付出了沉重的代價，不僅延長了航程，還造成了人員、船舶和貨物的損失。1707 年，英國政府意識到了這一困境的嚴重性，當時一名海軍上將和 1600 多名水手在錫利群島海岸附近四艘皇家海軍艦艇的殘骸中喪生。因此，1714 年，透過一項議會法案，英國為尋找海上經度的實際解決方案提供了鉅額獎金。最大的獎金 20,000 英鎊（相當於今天的約 1200 萬英鎊）將獎勵給能夠確定船舶經度的儀器發明者，其精度在西印度群島港口航行結束時計算時達到半度或 30 海里以內，其經度可以使用經過驗證的陸地方法準確確定。
鉅額獎勵吸引了大量荒謬的計劃。因此，經度委員會（被任命審查有希望的想法的委員會）在 20 多年裡沒有舉行任何會議。然而，人們早就知道有兩種方法在理論上是可靠的。第一種方法稱為月球距離法，涉及精確觀測月球相對於恆星的位置，以確定參考點的時間，從中可以測量經度；另一種方法需要一個非常精確的時鐘來做出相同的確定。由於地球每 24 小時旋轉一次，或每小時旋轉 15 度，兩個小時的時差代表 30 度的經度差。在海上保持準確時間方面似乎難以克服的障礙——其中包括船舶經常劇烈的運動、溫度的極端變化以及不同緯度重力的變化——導致英國物理學家艾薩克·牛頓和他的追隨者們相信，儘管存在問題，但月球距離法是唯一可行的解決方案。
然而，牛頓錯了。1737 年，委員會終於召開了第一次會議，討論了一位最不可能的候選人的工作，他是一位名叫約翰·哈里森的約克郡木匠。哈里森笨重的經度計時器曾在一次前往裡斯本的航行中使用過，在返回途中證明了它的價值，它糾正了航海家對船舶經度的航跡推算 68 英里。然而，它的製造者並不滿意。他沒有要求委員會進行西印度群島的試驗，而是要求並獲得了財政支援來製造一臺改進的機器。經過兩年的工作，哈里森仍然對他的第二次努力感到不滿，於是開始了第三次努力，並在其上工作了 19 年。但是，當它準備好進行測試時，他意識到他同時開發的第四個航海計時器，一個直徑五英寸的手錶，更好。在 1761 年前往牙買加的航行中，哈里森的超大手錶表現良好，足以贏得獎金，但委員會拒絕在沒有進一步證據的情況下給他應得的報酬。1764 年的第二次海上試驗證實了他的成功。哈里森不情願地獲得了 10,000 英鎊。直到 1773 年喬治三世國王介入，他才收到剩餘的獎金。哈里森的突破激發了進一步的發展。到 1790 年，航海精密計時器已經非常精煉，以至於其基本設計從未需要改變。
批次生產的計時器
在 19 世紀初，時鐘和手錶相對準確，但仍然很昂貴。認識到低成本計時器的潛在市場，康涅狄格州沃特伯裡的兩位投資者採取了行動。1807 年，他們與附近普利茅斯的鐘表匠伊萊·特里簽訂了一份為期三年的合同，用木材製造 4,000 個落地鍾機芯。一筆可觀的定金使特里能夠將第一年用於製造大規模生產的機器。透過製造可互換的零件，他在合同條款內完成了這項工作。
幾年後，特里使用相同的批次生產技術設計了一種木製機芯的座鐘。與需要買家單獨購買錶殼的落地鍾設計不同，特里的座鐘是完全獨立的。顧客只需要將其放在水平的架子上並上緊發條即可。只需 15 美元左右的相對適中的價格，許多普通人現在都能負擔得起時鐘。這一成就促成了後來成為著名的康涅狄格州制鐘業的建立。
在 19 世紀鐵路擴張之前，美國和歐洲的城鎮都使用太陽來確定當地時間。例如，由於波士頓的正午比馬薩諸塞州伍斯特的正午早大約三分鐘，因此波士頓的時鐘設定比伍斯特的時鐘提前大約三分鐘。然而，不斷擴張的鐵路網路需要一個統一的時間標準，以便所有沿線的車站都能使用。天文臺開始透過電報向鐵路公司分發精確的時間。1851 年推出的第一項公共計時服務是基於馬薩諸塞州劍橋的哈佛大學天文臺的電報時鐘訊號。皇家天文臺次年推出了其計時服務，為英國建立了一個單一的標準時間。
美國於 1883 年建立了四個時區。到次年，所有國家的政府都認識到全球統一時間標準對航海和貿易的好處。在 1884 年於華盛頓特區舉行的國際子午線會議上，地球被劃分為 24 個時區。簽署國選擇皇家天文臺作為本初子午線（零度經度，所有其他經度都從中測量的線），部分原因是世界上三分之二的航運已經使用格林威治時間進行導航。
大眾手錶
這個時代的許多鐘錶匠意識到，如果能夠降低生產成本，手錶的市場將遠遠超過時鐘的市場。然而，大規模製造手錶可互換零件的問題要複雜得多，因為製造必要的微型化元件所要求的精度要高得多。儘管自 18 世紀後期以來，歐洲就已經建立了批次生產的改進，但歐洲製表商擔心透過放棄傳統做法來飽和市場並威脅其工人的工作，從而扼殺了大多數引入可互換手錶零件生產機械的想法。
由於對美國製表商似乎無法與控制 1840 年代後期市場的歐洲同行競爭感到不安，緬因州的一位名叫亞倫·L·丹尼森的製表師與馬薩諸塞州羅克斯伯裡的鐘錶廠的經營者愛德華·霍華德會面，討論手錶的批次生產方法。霍華德和他的合夥人給了丹尼森進行實驗和開發該專案機器的空間。到 1852 年秋天，在丹尼森的監督下完成了 20 塊手錶。他的工人到第二年春天完成了 100 塊手錶，一年後又生產了 1,000 塊手錶。到那時，羅克斯伯裡的製造設施被證明太小了，因此新命名的波士頓手錶公司搬到了馬薩諸塞州的沃爾瑟姆，到 1854 年底，每週組裝 36 塊手錶。
美國沃爾瑟姆鐘錶公司（The American Waltham Watch Company），正如其最終為人所知的那樣，受益於內戰期間對鐘錶的巨大需求，當時聯邦軍隊用它們來同步行動。製造技術的進步進一步提高了產量並降低了價格。與此同時，其他美國公司也紛紛成立，希望分得這新興貿易的一杯羹。瑞士人此前一直主導著這個行業，當他們在 19 世紀 70 年代出口量驟降時，他們開始感到擔憂。他們派往馬薩諸塞州的調查員發現，沃爾瑟姆工廠不僅生產效率更高，而且生產成本也更低。即使是一些低檔的美國手錶，也能保持相當好的走時精度。手錶終於成為大眾可以負擔得起的商品。
因為女性在 19 世紀就佩戴過手鐲式手錶，所以腕錶長期以來被認為是女性的裝飾品。然而，在第一次世界大戰期間，懷錶經過改造，可以綁在手腕上，這樣在戰場上更容易檢視時間。在大量的營銷活動幫助下，戰後男性佩戴腕錶的時尚風潮開始流行起來。自動上弦機械腕錶在 20 世紀 20 年代問世。
高精度時鐘
19 世紀末，慕尼黑的西格蒙德·裡弗勒（Siegmund Riefler）開發了一種全新的調節器設計——一種高度精確的計時器，作為控制其他計時器的標準。裡弗勒的調節器安裝在一個部分真空的環境中，以最大限度地減少氣壓的影響，並配備了一個基本上不受溫度變化影響的擺錘，其精度達到了每天十分之一秒，因此幾乎被所有天文臺採用。
幾十年後，當英國鐵路工程師威廉·H·肖特（William H. Shortt）設計了一種所謂的自由擺鐘時，取得了進一步的進展，據稱這種鐘錶的走時精度在一年內誤差約為一秒。肖特的系統採用了兩個擺鐘，一個主鍾（安裝在真空罐中），另一個是從鍾（包含時間刻度盤）。每 30 秒，從鍾向主鐘擺錘發出電磁脈衝，並反過來由主鐘擺錘調節，從而幾乎不受機械干擾。
儘管在 20 世紀 20 年代，肖特鍾開始取代裡弗勒鍾成為天文臺的調節器，但它們的優勢是短暫的。1928 年，紐約貝爾實驗室的工程師沃倫·A·馬裡森（Warren A. Marrison）發現了一種極其均勻可靠的頻率源，它對計時的革命性意義不亞於 272 年前的擺錘。石英晶體最初是為無線電廣播而開發的，當受到電流激發時，會以高度規則的速率振動[參見對面方框中的插圖]。1939 年安裝在皇家天文臺的第一批石英鐘每天的誤差只有千分之二秒。到第二次世界大戰結束時，這種精度提高到了相當於每 30 年誤差一秒的程度。
然而，石英晶體技術並沒有長期保持其首要頻率標準的地位。到 1948 年，華盛頓特區國家標準局的哈羅德·萊昂斯（Harold Lyons）及其同事基於更精確和穩定的計時來源——原子的自然共振頻率，即其兩個能量狀態之間的週期性振盪，製造了第一臺原子鐘[參見對面方框中的插圖]。20 世紀 50 年代在美國和英國進行的後續實驗導致了銫束原子鐘的開發。如今，世界各地銫鐘的平均時間為協調世界時提供了標準頻率，其精度優於每天一納秒。
直到 20 世紀中期，恆星日，即地球自轉軸相對於恆星的旋轉週期，被用來確定標準時間。儘管人們早在 18 世紀後期就懷疑地球的軸向自轉並非完全恆定，但這種做法仍被保留了下來。然而，能夠測量地球自轉差異的銫鐘的出現，意味著必須做出改變。1967 年，根據銫原子的共振頻率，秒的新定義被採用為新的標準時間單位。
精確測量時間對科學至關重要，因此對更高精度的追求仍在繼續。當前和未來幾代原子鐘，例如氫原子激射器（一種頻率振盪器）、銫噴泉鍾以及特別是光學鍾（兩種頻率鑑別器），有望在一天內提供 100 飛秒（100 千萬億分之一秒）的精度（更準確地說，是穩定性）[參見 W. Wayt Gibbs 撰寫的《終極時鐘》，第 56 頁]。
儘管我們在未來測量時間的能力肯定會提高，但有一點不會改變，那就是時間是我們永遠都不會足夠的東西。
作者
威廉·J·H·安德魯斯（William J. H. Andrewes）是一位博物館顧問和精密日晷製造商，30 多年來一直專注於時間測量史。他曾在包括哈佛大學在內的幾所學術機構工作過。除了為大眾和學術期刊撰寫文章外，安德魯斯還編輯了《經度探索》，並與達瓦·索貝爾合著了《圖解經度》。他過去的展覽包括在紐約市弗裡克收藏館舉辦的“計時器的藝術”。