人类计时的努力推动了我们技术和科学在整个历史中的发展。衡量昼夜划分的需求促使古代埃及人、希腊人和罗马人创造了日晷、水钟和其他早期的计时工具。西欧人采用了这些技术，但到了13世纪，对可靠计时仪器的需求促使中世纪工匠发明了机械钟。虽然这种新装置满足了修道院和城市社区的需求，但在使用摆锤控制其运行之前，它对于科学应用来说过于不准确和不可靠。随后开发的精密计时器解决了在海上找到船只位置的关键问题，并在工业革命和西方文明的进步中发挥了关键作用。
今天，高度精确的计时仪器为我们大多数电子设备设定了节拍。例如，几乎所有的计算机都包含一个石英晶体钟来调节其运行。此外，从全球定位系统卫星发出的时间信号不仅校准了精密导航设备的功能，还校准了蜂窝电话、即时股票交易系统和全国范围的配电网。这些基于时间的技术已经如此融入我们的日常生活中，以至于我们只有在它们无法工作时才会意识到我们对它们的依赖。
计算日期
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根据考古证据，巴比伦人和埃及人至少在 5000 年前就开始测量时间，引入日历来组织和协调社区活动和公共活动，安排货物的运输，特别是调节种植和收获的周期。他们的日历基于三个自然周期：太阳日，标志着地球绕轴旋转时光和暗交替出现的时期；农历月，追随月球绕地球运行的相位；以及太阳年，由伴随我们星球绕太阳旋转的季节变化来定义。
在人造灯发明之前，月亮具有更大的社会影响。而且，对于那些尤其生活在赤道附近的人来说，月亮的盈亏比季节的流逝更引人注目。因此，在低纬度地区开发的日历受月球周期的影响大于太阳年。然而，在更北方的气候中，季节性农业很重要，太阳年变得更加关键。随着罗马帝国向北扩张，它主要围绕太阳年组织其日历。今天的格里高利历源自巴比伦、埃及、犹太和罗马历法。
埃及人制定了一个有 12 个月、每月 30 天的民用历法，并增加了 5 天来近似太阳年。每个 10 天的周期都以称为星群（星座）的特殊星群的出现为标志。在天狼星在日出前升起时，大约在尼罗河一年一度的重要洪水期间发生，可以看到 12 个星群横跨天空。埃及人对这 12 个星群赋予的宇宙意义促使他们开发了一个系统，其中每个黑暗间隔（以及后来的每个白天间隔）被划分为十二个相等的部分。这些时期被称为临时小时，因为它们的持续时间随着季节的推移而昼夜长短变化。夏季的小时很长，冬季的小时很短；只有在春分和秋分时，白天和黑暗的小时才相等。临时小时被希腊人采用，然后被罗马人采用（他们将它们传播到整个欧洲），使用了 2500 多年。
发明家创造了日晷，通过太阳阴影的长度或方向指示时间，以在白天跟踪临时小时。日晷的夜间对应物，水钟，旨在测量夜间的临时小时。最早的水钟之一是一个底部附近有一个小孔的盆，水从小孔中滴出。当水位下降到内表面上刻划的小时线以下时，下降的水位表示小时的流逝。虽然这些装置在地中海周围运行良好，但在北欧多云且经常寒冷的天气中，它们并不总是可靠的。
时间的脉搏
有记录的最早的重力驱动机械钟于 1283 年安装在英格兰贝德福德郡的邓斯特布尔修道院。罗马天主教会应该在时钟技术的发明和发展中发挥重要作用并不奇怪：修道院严格遵守祈祷时间需要更可靠的计时工具。此外，教会不仅控制教育，而且还拥有雇用最熟练的工匠的能力。此外，13世纪下半叶欧洲城市商业人口的增长也产生了对改进的计时装置的需求。到 1300 年，工匠们正在为法国和意大利的教堂和大教堂建造时钟。由于最初的例子是通过敲响钟声来指示时间的（从而提醒周围社区注意其日常职责），因此这种新机器的名称是从拉丁语中的钟，clocca 派生出来的。
这个新计时器的革命性方面既不是提供其动力来源的下降的重物，也不是传递动力的齿轮（它们至少存在了 1300 年）；而是称为擒纵机构的部分。该装置控制轮子的旋转，并传递维持振荡器运动所需的动力，振荡器是调节计时器运行速度的部分[有关早期钟表机构的解释，请参见第 50 和 51 页的方框]。时钟擒纵机构的发明者是未知的。
统一小时
虽然机械钟可以调整以保持临时小时，但它自然适合保持相等的小时。然而，对于统一小时，出现了何时开始计算它们的问题，因此，在 14 世纪初，出现了许多系统。将一天划分为 24 个相等部分的方案根据计数的开始而有所不同：意大利小时从日落开始，巴比伦小时从日出开始，天文小时从中午开始，大钟小时（用于德国一些大型公共时钟）从午夜开始。最终，这些和竞争系统被小钟或法国小时所取代，它像我们目前所做的那样，将一天分为两个 12 小时的时间段，从午夜开始。
在 16 世纪 80 年代，制表师收到了显示分钟和秒钟的计时器的委托，但它们的机制不够精确，无法在 17 世纪 60 年代摆钟出现之前将这些分数包含在表盘上。分钟和秒来自巴比伦天文学家引入的角度的六十进制划分。单词“分钟”源自拉丁语 prima minuta，即第一个小划分；“秒”来自 secunda minuta，即第二个小划分。将一天划分为 24 小时，并将小时和分钟划分为 60 个部分在西方文化中根深蒂固，以至于所有改变这种安排的努力都失败了。最值得注意的尝试发生在 18 世纪 90 年代革命时期的法国，当时政府采用了十进制系统。虽然法国人成功地引入了米、升和其他以 10 为底的单位，但将一天分成 10 小时、每小时由 100 分钟组成、每分钟又分成 100 秒的努力仅持续了 16 个月。
便携式时钟
在机械钟发明后的几个世纪里，城镇教堂或钟楼的定期敲钟足以为大多数人划分一天的时间。但是到了 15 世纪，越来越多的时钟被用于家庭用途。那些负担得起拥有时钟的奢侈品的人发现有一个可以从一个地方移动到另一个地方的时钟很方便。创新者通过用盘绕的弹簧代替重物来实现便携性。然而，弹簧的张力在缠绕后会更大。克服这个问题的装置，称为芝麻链（来自拉丁语 fusus，意为纺锤），是由一位不知名的机械天才在 1400 年至 1450 年之间发明的[请参阅第 50 页方框中的插图]。这个锥形装置通过一条绳索连接到容纳弹簧的筒：当上紧时钟时，将绳索从筒上拉到芝麻链上，芝麻链螺旋线的直径减小会补偿弹簧拉力的增加。因此，芝麻链平衡了弹簧对计时器轮子的力。
芝麻链的重要性不应被低估：它使便携式时钟的发展以及随后的怀表进化成为可能。许多高档弹簧驱动的计时器，例如航海天文钟，直到二战后仍继续使用此装置。
摆锤开始摆动
在 16 世纪，丹麦天文学家第谷·布拉赫和他的同时代人试图将时钟用于科学目的，但即使是最好的时钟仍然太不可靠。特别是天文学家需要更好的工具来计时恒星的过境，从而创建更准确的天空地图。事实证明，摆锤是提高计时器准确性和可靠性的关键。意大利物理学家和天文学家伽利略·伽利莱和在他之前的其他人尝试过摆锤，但一位名叫克里斯蒂安·惠更斯的年轻荷兰天文学家和数学家在 1656 年圣诞节发明了第一台摆锤钟。惠更斯立即认识到他发明的商业和科学意义，并且在六个月内，海牙当地的一家制造商被授予制造摆锤钟的许可。
惠更斯发现，一个摆锤在圆弧上摆动时，小幅摆动的速度比大幅摆动的速度快。因此，摆锤摆幅的任何变化都会导致时钟走快或走慢。意识到要保持摆锤每次摆动的恒定幅度（摆动距离）是不可能的，惠更斯设计了一种摆锤悬挂装置，使摆锤的摆动轨迹呈摆线形而非圆形。这使得摆锤无论摆幅大小，都能以相同的时间振荡[参见下一页方框中的图示]。摆钟的精度比之前的时钟提高了约 100 倍，将每天通常快或慢 15 分钟减少到每周约 1 分钟。这一发明的消息迅速传播开来，到 1660 年，英国和法国的工匠们开始开发他们自己版本的这种新型计时器。
摆锤的出现不仅提高了对时钟的需求，也促使其发展成为家具。国家风格很快开始出现：英国制造商设计的表壳是为了适应机芯；相比之下，法国人更注重表壳的形状和装饰。然而，惠更斯对这些时尚没什么兴趣，他将大部分时间都投入到改进该装置，既用于天文用途，也用于解决海上确定经度的问题。
创新的钟表机芯
1675 年，惠更斯设计了他的下一个重大改进，即游丝。正如重力控制着时钟中摆锤的摆动一样，这种游丝调节着便携式计时器中摆轮的旋转振荡。摆轮是一个精细平衡的圆盘，它在一个方向上完全旋转，然后再在另一个方向上旋转，重复这个循环[参见左侧方框中的图示]。游丝彻底改变了手表的精度，使其能够将时间控制在每天一分钟之内。这一进步几乎立即刺激了手表市场的兴起，手表现在不再像过去那样通常挂在脖子上的链条上，而是装在口袋里，这是一种全新的服装时尚。
大约在同一时间，惠更斯听说了一项重要的英国发明。与他一直在摆钟中使用的擒纵机构不同，锚式擒纵机构允许摆锤在很小的弧度内摆动，因此不再需要保持摆线轨迹。此外，这种擒纵机构使使用长秒摆锤成为可能，从而导致了新的表壳设计。自 1876 年以来，长钟，俗称落地钟（源于美国人亨利·克莱·沃克的一首歌），开始成为最受欢迎的英国风格之一。带有锚式擒纵机构和长摆锤的落地钟可以使时间保持在每周几秒钟的范围内。著名的英国钟表匠托马斯·汤普逊和他的继任者乔治·格雷厄姆后来改进了锚式擒纵机构，使其在没有反冲的情况下运行。这种被称为静止擒纵机构的增强设计，在接下来的 150 年里成为精密计时中最广泛使用的类型。
解决经度问题
1675 年，英国格林威治皇家天文台成立时，其章程的一部分是寻找人们梦寐以求的地点经度。第一任皇家天文学家约翰·弗拉姆斯蒂德使用配备锚式擒纵机构的时钟来计时恒星穿越天体子午线的确切时刻，天体子午线是一条连接天球两极并定义夜空中正南点的假想线。这使他能够比以往仅通过使用六分仪或象限仪进行角度测量来收集更准确的恒星位置信息。
尽管航海家可以通过测量太阳或北极星的高度来在海上找到他们的纬度（他们在赤道以北或以南的位置），但天体并没有为寻找经度提供如此直接的解决方案。风暴和洋流常常混淆了人们跟踪跨洋航行距离和方向的尝试。由此造成的航行误差使航海国家付出了沉重的代价，不仅延长了航程，还造成了人员、船舶和货物的损失。1707 年，英国政府意识到了这一困境的严重性，当时一名海军上将和 1600 多名水手在锡利群岛海岸附近四艘皇家海军舰艇的残骸中丧生。因此，1714 年，通过一项议会法案，英国为寻找海上经度的实际解决方案提供了巨额奖金。最大的奖金 20,000 英镑（相当于今天的约 1200 万英镑）将奖励给能够确定船舶经度的仪器发明者，其精度在西印度群岛港口航行结束时计算时达到半度或 30 海里以内，其经度可以使用经过验证的陆地方法准确确定。
巨额奖励吸引了大量荒谬的计划。因此，经度委员会（被任命审查有希望的想法的委员会）在 20 多年里没有举行任何会议。然而，人们早就知道有两种方法在理论上是可靠的。第一种方法称为月球距离法，涉及精确观测月球相对于恒星的位置，以确定参考点的时间，从中可以测量经度；另一种方法需要一个非常精确的时钟来做出相同的确定。由于地球每 24 小时旋转一次，或每小时旋转 15 度，两个小时的时差代表 30 度的经度差。在海上保持准确时间方面似乎难以克服的障碍——其中包括船舶经常剧烈的运动、温度的极端变化以及不同纬度重力的变化——导致英国物理学家艾萨克·牛顿和他的追随者们相信，尽管存在问题，但月球距离法是唯一可行的解决方案。
然而，牛顿错了。1737 年，委员会终于召开了第一次会议，讨论了一位最不可能的候选人的工作，他是一位名叫约翰·哈里森的约克郡木匠。哈里森笨重的经度计时器曾在一次前往里斯本的航行中使用过，在返回途中证明了它的价值，它纠正了航海家对船舶经度的航迹推算 68 英里。然而，它的制造者并不满意。他没有要求委员会进行西印度群岛的试验，而是要求并获得了财政支持来制造一台改进的机器。经过两年的工作，哈里森仍然对他的第二次努力感到不满，于是开始了第三次努力，并在其上工作了 19 年。但是，当它准备好进行测试时，他意识到他同时开发的第四个航海计时器，一个直径五英寸的手表，更好。在 1761 年前往牙买加的航行中，哈里森的超大手表表现良好，足以赢得奖金，但委员会拒绝在没有进一步证据的情况下给他应得的报酬。1764 年的第二次海上试验证实了他的成功。哈里森不情愿地获得了 10,000 英镑。直到 1773 年乔治三世国王介入，他才收到剩余的奖金。哈里森的突破激发了进一步的发展。到 1790 年，航海精密计时器已经非常精炼，以至于其基本设计从未需要改变。
批量生产的计时器
在 19 世纪初，时钟和手表相对准确，但仍然很昂贵。认识到低成本计时器的潜在市场，康涅狄格州沃特伯里的两位投资者采取了行动。1807 年，他们与附近普利茅斯的钟表匠伊莱·特里签订了一份为期三年的合同，用木材制造 4,000 个落地钟机芯。一笔可观的定金使特里能够将第一年用于制造大规模生产的机器。通过制造可互换的零件，他在合同条款内完成了这项工作。
几年后，特里使用相同的批量生产技术设计了一种木制机芯的座钟。与需要买家单独购买表壳的落地钟设计不同，特里的座钟是完全独立的。顾客只需要将其放在水平的架子上并上紧发条即可。只需 15 美元左右的相对适中的价格，许多普通人现在都能负担得起时钟。这一成就促成了后来成为著名的康涅狄格州制钟业的建立。
在 19 世纪铁路扩张之前，美国和欧洲的城镇都使用太阳来确定当地时间。例如，由于波士顿的正午比马萨诸塞州伍斯特的正午早大约三分钟，因此波士顿的时钟设置比伍斯特的时钟提前大约三分钟。然而，不断扩张的铁路网络需要一个统一的时间标准，以便所有沿线的车站都能使用。天文台开始通过电报向铁路公司分发精确的时间。1851 年推出的第一项公共计时服务是基于马萨诸塞州剑桥的哈佛大学天文台的电报时钟信号。皇家天文台次年推出了其计时服务，为英国创建了一个单一的标准时间。
美国于 1883 年建立了四个时区。到次年，所有国家的政府都认识到全球统一时间标准对航海和贸易的好处。在 1884 年于华盛顿特区举行的国际子午线会议上，地球被划分为 24 个时区。签署国选择皇家天文台作为本初子午线（零度经度，所有其他经度都从中测量的线），部分原因是世界上三分之二的航运已经使用格林威治时间进行导航。
大众手表
这个时代的许多钟表匠意识到，如果能够降低生产成本，手表的市场将远远超过时钟的市场。然而，大规模制造手表可互换零件的问题要复杂得多，因为制造必要的微型化组件所要求的精度要高得多。尽管自 18 世纪后期以来，欧洲就已经建立了批量生产的改进，但欧洲制表商担心通过放弃传统做法来饱和市场并威胁其工人的工作，从而扼杀了大多数引入可互换手表零件生产机械的想法。
由于对美国制表商似乎无法与控制 1840 年代后期市场的欧洲同行竞争感到不安，缅因州的一位名叫亚伦·L·丹尼森的制表师与马萨诸塞州罗克斯伯里的钟表厂的经营者爱德华·霍华德会面，讨论手表的批量生产方法。霍华德和他的合伙人给了丹尼森进行实验和开发该项目机器的空间。到 1852 年秋天，在丹尼森的监督下完成了 20 块手表。他的工人到第二年春天完成了 100 块手表，一年后又生产了 1,000 块手表。到那时，罗克斯伯里的制造设施被证明太小了，因此新命名的波士顿手表公司搬到了马萨诸塞州的沃尔瑟姆，到 1854 年底，每周组装 36 块手表。
美国沃尔瑟姆钟表公司（The American Waltham Watch Company），正如其最终为人所知的那样，受益于内战期间对钟表的巨大需求，当时联邦军队用它们来同步行动。制造技术的进步进一步提高了产量并降低了价格。与此同时，其他美国公司也纷纷成立，希望分得这新兴贸易的一杯羹。瑞士人此前一直主导着这个行业，当他们在 19 世纪 70 年代出口量骤降时，他们开始感到担忧。他们派往马萨诸塞州的调查员发现，沃尔瑟姆工厂不仅生产效率更高，而且生产成本也更低。即使是一些低档的美国手表，也能保持相当好的走时精度。手表终于成为大众可以负担得起的商品。
因为女性在 19 世纪就佩戴过手镯式手表，所以腕表长期以来被认为是女性的装饰品。然而，在第一次世界大战期间，怀表经过改造，可以绑在手腕上，这样在战场上更容易查看时间。在大量的营销活动帮助下，战后男性佩戴腕表的时尚风潮开始流行起来。自动上弦机械腕表在 20 世纪 20 年代问世。
高精度时钟
19 世纪末，慕尼黑的西格蒙德·里弗勒（Siegmund Riefler）开发了一种全新的调节器设计——一种高度精确的计时器，作为控制其他计时器的标准。里弗勒的调节器安装在一个部分真空的环境中，以最大限度地减少气压的影响，并配备了一个基本上不受温度变化影响的摆锤，其精度达到了每天十分之一秒，因此几乎被所有天文台采用。
几十年后，当英国铁路工程师威廉·H·肖特（William H. Shortt）设计了一种所谓的自由摆钟时，取得了进一步的进展，据称这种钟表的走时精度在一年内误差约为一秒。肖特的系统采用了两个摆钟，一个主钟（安装在真空罐中），另一个是从钟（包含时间刻度盘）。每 30 秒，从钟向主钟摆锤发出电磁脉冲，并反过来由主钟摆锤调节，从而几乎不受机械干扰。
尽管在 20 世纪 20 年代，肖特钟开始取代里弗勒钟成为天文台的调节器，但它们的优势是短暂的。1928 年，纽约贝尔实验室的工程师沃伦·A·马里森（Warren A. Marrison）发现了一种极其均匀可靠的频率源，它对计时的革命性意义不亚于 272 年前的摆锤。石英晶体最初是为无线电广播而开发的，当受到电流激发时，会以高度规则的速率振动[参见对面方框中的插图]。1939 年安装在皇家天文台的第一批石英钟每天的误差只有千分之二秒。到第二次世界大战结束时，这种精度提高到了相当于每 30 年误差一秒的程度。
然而，石英晶体技术并没有长期保持其首要频率标准的地位。到 1948 年，华盛顿特区国家标准局的哈罗德·莱昂斯（Harold Lyons）及其同事基于更精确和稳定的计时来源——原子的自然共振频率，即其两个能量状态之间的周期性振荡，制造了第一台原子钟[参见对面方框中的插图]。20 世纪 50 年代在美国和英国进行的后续实验导致了铯束原子钟的开发。如今，世界各地铯钟的平均时间为协调世界时提供了标准频率，其精度优于每天一纳秒。
直到 20 世纪中期，恒星日，即地球自转轴相对于恒星的旋转周期，被用来确定标准时间。尽管人们早在 18 世纪后期就怀疑地球的轴向自转并非完全恒定，但这种做法仍被保留了下来。然而，能够测量地球自转差异的铯钟的出现，意味着必须做出改变。1967 年，根据铯原子的共振频率，秒的新定义被采用为新的标准时间单位。
精确测量时间对科学至关重要，因此对更高精度的追求仍在继续。当前和未来几代原子钟，例如氢原子激射器（一种频率振荡器）、铯喷泉钟以及特别是光学钟（两种频率鉴别器），有望在一天内提供 100 飞秒（100 千万亿分之一秒）的精度（更准确地说，是稳定性）[参见 W. Wayt Gibbs 撰写的《终极时钟》，第 56 页]。
尽管我们在未来测量时间的能力肯定会提高，但有一点不会改变，那就是时间是我们永远都不会足够的东西。
作者
威廉·J·H·安德鲁斯（William J. H. Andrewes）是一位博物馆顾问和精密日晷制造商，30 多年来一直专注于时间测量史。他曾在包括哈佛大学在内的几所学术机构工作过。除了为大众和学术期刊撰写文章外，安德鲁斯还编辑了《经度探索》，并与达瓦·索贝尔合著了《图解经度》。他过去的展览包括在纽约市弗里克收藏馆举办的“计时器的艺术”。