Tak ludzie odliczali czas. Krótka historia zegarów

Przez tysiąclecia ludzie odmierzali czas na różne sposoby. Kolejne urządzenia służące do tego celu były konsekwencją rosnących potrzeb – oraz rozwoju nauki.

Nie ma wątpliwości, że najdawniejszym środkiem mierzenia czasu i określania pory dnia było wykorzystanie cienia różnych nieruchomych przedmiotów oświetlonych promieniami Słońca – pisze Ludwik Zajdler. – Przedmiotem takim mogło być pojedynczo rosnące drzewo, mógł być wbity w ziemię pionowy drąg. Mogła być także postać człowieka.

Droga, którą pokonuje cień nieruchomego przedmiotu, odpowiada drodze zakreślanej przez słońce na niebie. Cień zawsze jest zwrócony w kierunku przeciwnym niż słońce, a jego długość zmienia się w ciągu dnia. W południe cień jest najkrótszy i wskazuje północ. Gdy o wschodzie lub zachodzie słońce znajduje się tuż przy horyzoncie, cień jest najdłuższy. Wzmianki o tym dość prymitywnym sposobie określania pory dnia można znaleźć w starożytnych źródłach pisanych, na przykład w komedii Arystofanesa "Sejm niewieści". Jak zauważa Zajdler: "Z innych, mniej poetyckich źródeł wynika, że długość cienia odmierzano stopami; wymieniane są długości od 6 do 12, a nawet 20 stóp".

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Około 2–3 tys. lat p.n.e. w Babilonii, Chinach i Indiach pojawiły się pierwsze gnomony, czyli pionowe słupy lub pręty, które ustawiano na równym, płaskim terenie. Ich przesuwający się w ciągu dnia cień odgrywał rolę dzisiejszych wskazówek zegara. W Egipcie gnomony zastępowały obeliski – strzeliste, wysokie kolumny o kwadratowym przekroju, zakończone ostrzem piramidalnym i pokryte hieroglifami. Zarówno gnomony, jak i obeliski można określić mianem zegarów słonecznych i zaliczyć do najdawniejszych przyrządów służących do mierzenia czasu. Zdawałoby się, że wynalezienie ich zrewolucjonizowało życie ludzi i ułatwiło im planowanie codziennych czynności.

I z pewnością tak było. Jednak wielu nie podobało się, że muszą podporządkować życie rytmowi zegara. W 263 r. p.n.e. Maniusz Waleriusz Maksimus Messala zdobył dla Republiki Rzymskiej Katanię. Zajęcie tego miasta było jednym z pierwszych sukcesów pierwszej wojny punickiej. Wśród zrabowanych łupów i militarnych trofeów Waleriusz zaprezentował zegar słoneczny. Zatknął go na kolumnie nazwanej jego imieniem, na rzymskim Forum Romanum. Początkowo Rzymianie byli zachwyceni. David Rooney w książce "O czasie. Historia cywilizacji w dwunastu zegarach" pisze:

Wszyscy wiedzą, że kolumny triumfalne w miejscach publicznych, takich jak Forum, to symbole potęgi militarnej. Oznacza to, że publiczny zegar słoneczny Waleriusza z 263 roku p.n.e. – pierwszy zegar słoneczny w Rzymie – nie jest li tylko dekoracją. To łup wojenny ze splądrowanej Katanii, wyeksponowany na kolumnie dokładnie w tym miejscu, gdzie wygłasza się w Rzymie najznakomitsze mowy publiczne. Zegar słoneczny Waleriusza dumnie symbolizuje potęgę militarną republiki.

Gdy jednak do zegara słonecznego z Katanii dołączyły inne, rozmieszczone na obszarze całego Rzymu, obywatele miasta – jak zauważa Rooney – "poczuli się nieswojo w obliczu tej nowej technologii odmierzania czasu". Od tej pory nowatorskie urządzenia miały nie tylko regulować, ale i kontrolować wszystkie codzienne czynności.

W starożytności nie tylko słońce pomagało w określaniu pory dnia. Już 1500 lat p.n.e. w Egipcie i Mezopotamii używano pierwszych klepsydr, czyli naczyń składających się z dwóch baniek połączonych rurką, która przepuszczała określoną ilość wody. W starożytnej Grecji używano wodnych klepsydr np. podczas ćwiczeń retorycznych – szybko przepływająca woda sprawiała, że Grecy musieli się nauczyć zwięzłego formułowania swoich osądów. Pierwsze zegary wodne były żłobione w kamieniu. Dopiero później udało się uzyskać szklane naczynia.

W średniowieczu wodę zastąpiono piaskiem. Klepsydry piaskowe wymagały używania wyłącznie baniek z przezroczystego dmuchanego szkła, aby piasek mógł swobodnie się przesypywać. Sam piasek trzeba było staranie przygotować. Nie mógł się sklejać ani zatykać otworu między szklanymi bankami. Kiedy klepsydry piaskowe stały się już popularne, znalazły wiele zastosowań. Autor książki "O czasie. Historia cywilizacji w dwunastu zegarach" wylicza:

Żeglarze wykorzystywali je do odmierzania czasu wachty oraz do szacowania prędkości i położenia – początkowo zwano nieraz klepsydry zegarami morskimi. Prawnicy i politycy odmierzali nimi czas podczas debat i polemik prawnych, kaznodzieje mierzyli czas trwania kazań, a nauczyciele – lekcji. Mnisi mogli odmierzać przerwy między kolejnymi modłami, w domach klepsydry służyły do wielu praktycznych celów.

W wytwórniach i fabrykach regulowały proces produkcji, w obserwatoriach odliczały czas między tranzytami gwiazd, w dłoniach lekarzy pozwalały mierzyć tętno pacjenta. Można ich było nawet używać do wyznaczania momentu ręcznego bicia w dzwony zegarowe, gdy sam zegar nie był dość dokładny bądź gdy się zepsuł.

Choć zegary słoneczne i klepsydry wodne, a później także piaskowe przez wieki pomagały regulować życie codzienne, to miały też swoje słabe strony. Nie były doskonałe. "Najbardziej oczywiste były względy praktyczne" – zauważa David Rooney. – "Słońce nie zawsze świeciło, Księżyc nierzadko chował swoje oblicze, zegary wodne zatykały się i wymagały ciągłego doglądania i napraw".

Nowy rodzaj zegara opracowano pod koniec XIII wieku. Skonstruowano wówczas zegar mechaniczny, który – jak opisuje autor książki "O czasie. Historia cywilizacji w dwunastu zegarach" – "miał formę systemu zazębiających się kół zębatych, napędzanych przez obciążniki opadające pod wpływem siły ciężkości, regulowanego w ten sposób, aby obracał się ze stałą prędkością (bądź bliską stałej)". Przełomową cechą nowych zegarów było to, że mogły chodzić bez przerwy, dzień i noc. Wystarczało tylko regularnie je nakręcać i regulować.

Pierwsze zegary mechaniczne wciąż były prostymi urządzeniami. Nie miały ani tarcz, ani wskazówek, a godziny sygnalizowano biciem w dzwon. Pierwszy krok w stronę postępu został już jednak poczyniony.

W połowie XVII wieku opracowano nową technologię zegarmistrzowską. Po raz pierwszy zastosowano wahadło do kontrolowania odmierzania czasu. Znacznie poprawiło ono dokładność. Jak bardzo? David Rooney pisze: "W latach dwudziestych XX wieku najlepsze mechaniczne zegary wahadłowe osiągały taką dokładność, że w ciągu dwóch, trzech miesięcy nie odbiegały więcej niż o sekundę od czasu rzeczywistego, mierzonego przez astronomów z narodowych obserwatoriów zajmujących się ustalaniem czasu".

Ale nawet najlepsze zegary wahadłowe nie były tak dokładne jak modele kwarcowe, które inżynierowie elektronicy zaczęli budować pod koniec lat 20. XX wieku. W zegarach kwarcowych wykorzystywano wibrujące jak dzwon kryształki kwarcu. Za pomocą urządzeń elektronicznych można było mierzyć częstotliwość tych wibracji, co znalazło zastosowanie właśnie w mechanizmie zegara kwarcowego. Pierwsze modele wykazywały dokładność około sekundy na trzydzieści lat. Z czasem zostały jeszcze ulepszone.

Spektakularny przełom nastąpił w 1955 roku w brytyjskim Narodowym Laboratorium Fizycznym (NPL). Skonstruowano tam pierwszy na świecie funkcjonujący zegar atomowy. Jako podstawę pomiaru czasu wykorzystano w nim zasadnicze, niezmienne właściwości atomów. Oscylatory takie jak wahadło czy plasterek kryształu, narzucające jakości odmierzania czasu praktyczne ograniczenia, przestały być potrzebne.

Pierwszy pionierski zegar z Narodowego Laboratorium Fizycznego 1955 roku miał dokładność jednej sekundy na 300 lat. Trzydzieści lat później zegary atomowe odmierzały już czas z dokładnością do jednej sekundy na 300 000 lat. David Rooney podkreśla w tym miejscu, że około 300 000 lat temu pojawił się Homo sapiens:

To długi czas jak na zachowanie dokładności pomiaru co do sekundy, lecz dzisiejsze zegary atomowe są jeszcze dokładniejsze. Zegary odmierzające obecnie czas w NPL, znane jako fontanny cezowe, mają dokładność do jednej sekundy na 158 milionów lat. Ale nawet te czasomierze są niemrawe w porównaniu z nową generacją zegarów atomowych, nad którą pracują aktualnie naukowcy i technolodzy. Mogą się one pochwalić dokładnością jednej sekundy na 30 miliardów lat. To ponad dwa razy tyle, ile wynosi wiek wszechświata.

Co to oznacza? Mniej więcej tyle, że gdyby jeden z tych zegarów uruchomiono podczas Wielkiego Wybuchu, to dziś spóźniałby się on – bądź śpieszył – zaledwie o pół sekundy.

Tekst powstał m.in. w oparciu o książkę Davida Rooneya "O czasie. Historia cywilizacji w dwunastu zegarach" (Bo.wiem, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego 2023).

Bibliografia:

1. Aveni A.F., Imperia czasu: kalendarze, zegary i kultury, Poznań 2001.
2. Christianson D., Historia pomiaru czasu, Warszawa 2012.
3. Mrugalski Z., Czas i urządzenia do jego pomiaru: zegary dawne i współczesne, Warszawa 2008.
4. Rooney D., O czasie. Historia cywilizacji w dwunastu zegarach, Kraków 2023.
5. Zajdler L., Dzieje zegara, Warszawa 1977.