Žmonijos pastangos žinoti laiką padėjo mokslo ir technologijų evoliucijai. Poreikis dieną ir naktį matuoti dalimis vertė senovės egiptiečius, graikus ir romėnus kurti saulės, vandens ir kitokius laikrodžius. 13 a. laiko matavimo poreikis privertė Vakarų išradėjus sukurti mechaninį laikrodį. Nors jis ir tenkino vienuolynų bei pasaulietinio gyvenimo reikmes, jis nebuvo pakankamai tikslus ir patikimas mokslo reikalams tol, kol jų veikimui nebuvo pritaikyta švytuoklė. Tikslesnis laiko matavimo leido nustatyti laivų padėtis jūroje ir vaidino svarbų vaidmenį pramoninėje revoliucijoje ir Vakarų civilizacijos progrese. Šiuo metu tikslūs laiko matavimo prietaisai tiesiog supa mus, įskaitant kompiuterius, GPS, mobiliuosius telefonus ir pan. Jie taip įaugę į mūsų gyvenimą, kad juos pastebime tik tada, kai liaujasi veikę.

Iš archeologinių duomenų aiškėja, kad babiloniečiai ir egiptiečiai laiką ėmėsi matuoti bent jau prieš 5000 m., sudarė kalendorius, kad prižiūrėtų visuomeninę ir prekybinę veiklą, ūkio darbus. Jų kalendoriai rėmėsi trimis ciklais: Saulės diena (šviesos-tamsos kaita), Mėnulio fazėmis (mėnuo) ir Saulės metais (metų laikai).

Kol nebuvo dirbtinio apšvietimo, Mėnulis turėjo milžinišką socialinį poveikį. Ir gyvenantiems arčiau pusiaujo, jo dilimas ir pilnėjimas buvo labiau dominantis procesas nei metų laikai. Tad žemesnėse platumose sukurti kalendoriai buvo labiau įtakoti Mėnulio ciklų nei Saulės metų. Rajonuose labiau į šiaurę, kur žemdirbystei svarbesni metų laikai, Saulės metai buvo svarbesnis faktorius. Kai Romos imperija išsiplėtė į šiaurę, ji savo kalendorių pertvarkė pagal saulės metus. Dabartinio Grigaliaus kalendoriaus ištakos Babilono, Egipto, Judėjos, Romos kalendoriuose.

Egiptiečiai sudarė pasaulietinį kalendorių, turintį 12 mėnesių po 30 dienų – ir dar pridedant 5 d., kad prisiderintų prie Saulės metų (skaitykite Senovės Egipto kalendorius). Kiekvienas 10-ies dienų periodas buvo pažymėtas tam tikra žvaigždžių grupe (žvaigždynu), vadinta dekanu. Sirijui patekant prieš pat auštant, kas nutikdavo beveik visada prasidedant Egiptui svarbiam Nilo potvyniui, 12-a dekanų buvo matoma slenkant dangumi. Kosminė svarba, kurią egiptiečiai skyrė 12-ai dekanų, leido jiems sukurti sistemą, kurioje kiekvienas tamsos periodas (o vėliau ir dienos) buvo padalintas į 12 lygių dalių. Jos tapo vadinamos valandomis, nes jų trukmė kito priklausomai nuo dienų ir naktų trukmės. Vasarą valanda buvo ilgesnė, žiemą – trumpesnė; ir tik per pavasario ir rudens lygiadienius dienos valanda prilygo nakties valandai. Laiko skirstymas į valandas, kurias perėmė graikai ir romėnai, išlieka jau 2500 m.

Laikui matuoti plačiai naudotos žvakės. Nuo Alfredo Didžiojo (871-901) laikų žvakės turėjo atžymas ir buvo talpinamos į specialius žibintus – jos sudegdavo per trečdalį paros. Kinijoje naudotasi trimetrinėmis smilkstančiomis virvutėmis su penkiomis atžymomis; tos virvutės gamintos iš medienos miltų, smilko labai lygiai ir jomis laikas matuotas gana tiksliai. Nors dar 1530 m. olandų astronomas Gema Frizijus¹⁾ sukūrė ilgumos nustatymo būdą laikrodžio pagalba, patikimų mechanizmų neturėta – ir tik 1760 m. laikrodžių meistras Dž. Harisonas jūreiviams pateikė taip vadinamąjį “ketvirtą” chronometrą. Tolesniais metais visi žinomi mechanikai (Arnoldas²⁾, Lomonosovas, Brėgė³⁾ ir kt.) prisidėjo kuriant kompaktiškus ir tikslius laikrodžius.

Anksčiausi svarmenų varomi laikrodžiai paminėti 1283 m. Bedforndšyro Dunstable priorijoje (Anglija). Kad Bažnyčia vaidino lemiamą vaidmenį laikrodžių tobulinime – nestebina: griežta vienuolių regula vertė tikslaus laiko matavimo. Be to, Bažnyčia ne tik kontroliavo išsilavinimo siekimą, bet ir įdarbindavo labiausiai įgudusius amatininkus. O ir prekybos plėtimasis 13 a. antroje pusėje skatino laikrodžių tobulinimą. Maždaug apie 1300- uosius Prancūzijos ir Italijos meistrai kūrė laikrodžius bažnyčioms. Kadangi pradžioje laikas buvo paskelbiamas varpo dūžiais, naujieji prietaisai pavadinti lotynišku „varpas“ pavadinimu, clocca.

Nors mechaninis laikrodis galėjo būti suderintas kintamo ilgio valandoms, labiau tiko vienodos trukmės valandoms. Tačiau tada kilo klausimas, nuo kada pradėti skaičiuoti, - ir taip buvo sukurtos kelios sistemos. Schemos, parą dalijančios į 24 valandas, skyrėsi pradžios momentu. Italai pradėdavo skaičiuoti nuo saulėlydžio, babiloniečiai – auštant, astronomijoje – vidurdienį, o „didieji laikrodžiai“ (kai kurie viešieji laikrodžiai Vokietijoje) – vidurnaktį. Tačiau tas sistemas „įveikė“ „mažieji laikrodžiai“ arba prancūzų, kurie dieną dalijo į 12 dalių, pradedant vidurnakčiu.

Po 1580 m. laikrodininkai gavo prašymus laikrodžiams, kurie rodytų minutes ir sekundes, tačiau tie mechanizmai dar nebuvo pakankamai tikslūs iki 1660-ųjų, kai išrasta švytuoklė. Minutės ir sekundės kilę iš 60-tainio laipsnio dalijimu, kurį įvedė babiloniečiai. Žodis „minutė“ kilęs iš lotynų prima minuta, pirmasis smulkus suskirstymas, o „sekundė“ iš secunda minuta, antrasis smulkus suskirstymas. Paros skaidymas į 24 valandas, o šių – į 60 minučių bei sekundžių, taip tvirtai prigijo Vakarų kultūroje, kad visos pastangos tai pakeisti buvo bevaisės. Rimčiausias bandymas buvo revoliucinėje Prancūzijoje po 1790 m., kai buvo bandoma įvesti dešimtainę sistemą (apie tai žr. >>>>> ).

Nešiojami laikrodžiai

Kelis šimtmečius po mechaninių laikrodžių išradimo, periodinis varpų skambėjimas bažnyčiose bei miestų bokštuose, pakako didžiajai daliai žmonių. Tačiau 15 a. daug laikrodžių imta naudoti namuose. Kas įstengdavo įsigyti tokius brandžius prietaisus, pajuto, kad būtų patogu, jei būtų galima juos gabenti iš vietos į vietą. Išradėjai sugebėjo sumažinti laikrodžius svarmenis pakeisdami prisukta spyruokle. Tačiau spyruoklės spaudimas didesnis, kai ji prisukta. Problemos išsprendimui panaudotas „suklys“ (sraigė arba fuzėja - grandininė transmisija, lot. fusus), nežinomo išradėjo išrastas kažkur 1400-1450 m. (1485 m. Leonardo da Vinči nupiešė fuzėjos eskizą bokšto laikrodžiui). Kūgio formos detalė laideliu sujungta su dėžute, kuri talpina spyruoklę. Laikrodį prisukus, spyruoklės skersmens sumažėjimas kompensuodavo spyruoklės spaudimą. Sraigė leido netgi pagaminti kišeninius laikrodžius. Net po Antrojo pasaulinio karo buvo naudojami tokie laikrodžiai, pvz., ir kaip jūrų chronometrai.

Ima švytuoti švytuoklės

16-me a. danų astronomas Tycho Brahė ir jo amžininkai bandė laikrodžius panaudoti mokslo reikalams, net jei jie nebuvo pakankamai patikimi. Astronomams reikėjo geresnių priemonių dangaus šviesulių matavimui, o tuo pačiu ir tikslesnių žvaigždėlapių sudarymui. Pasirodė, kad tikslumo padidinimui gali pasitarnauti švytuoklė. Italų fizikas ir astronomas Galileo Galilėjus ir kiti iki jo eksperimentavo su švytuoklėmis, tačiau jaunas danų astronomas ir matematikas Christianas Hiugensas pirmasis per 1656 m. Kalėdas parodė pirmąjį laikrodį su švytuokle. Hiugensas gerai suprato tiek komercinę, tiek mokslinę savo išradimo svarbą ir jau po 6 mėn. Hagos laikrodininkui buvo suteikta licencija gaminti tokius laikrodžius.

Hiugensas matė, kad švytuoklę apskritimo lanku trumpus svyravimus atlieka greičiau nei ilgus. Tad bet koks pokytis švytuoklės kelio ilgyje sukeltų laikrodžio skubėjimą arba vėlavimą. Tad Hiugensas įvedė švytuoklės užlaikymą, dėl kurio švytuoklės pasvaras judėjo labiau cikloide nei apskritimu. Tai leido jai švytuoti per tą patį laiką nepriklausomai nuo švytavimo amplitudės. Švytuokliniai laikrodžiai buvo maždaug 100 kartų tikslesnis už savo mechaninius pirmtakus – per parą paklaida tebuvo nuo 15 min. į dieną iki minutės per savaitę. Naujiena apie išradimą sklido greitai ir jau apie 1660 m. anglų ir prancūzų meistrai sukūrė savas švytuoklinių laikrodžių atmainas.

Švytuoklės panaudojimas ne tik leido geriau patenkinti poreikį laikrodžiams, bet ir paskatino jų, kaip baldų namams, gamybą. Susiformavo nacionaliniai stiliai: pvz., anglai didesnį dėmesį skyrė laikrodžio ciferblatui, o prancūzai – formai ir papuošimams. Tuo tarpu pats Hiugensui mažai rūpėjo tie mados vėjai ir jis užsiėmė jo kaip instrumento astronominiams matavimams bei ilgumos jūroje nustatymui tobulinimu.

Inovacijos

1675 m. Ch. Hiugensas pasiūlė savo didžiausią patobulinimą – spiralinę balansuojančią spyruoklę. Kaip kad gravitacija valdo švytuoklės švytavimą, toji spyruoklė nešiojamuose laikrodžiuose reguliuoja sukimąsi balanso ratelyje, kuris yra tiksliai subalansuotas diskas, kuris vieną kartą pasisuka į vieną pusę, o tada į kitą – vėl ir vėl. Tai leido nepaprastai patikslinti laikrodžių tikslumą, pasiekiant tik 1 minutės paklaidą per dieną. Tai iškart papildė laikrodžių rinką, leidžiant laikrodžius ne nešiotis ant grandinės ant kaklo, o įsidedant į kišenę – ir iškart atsiliepė drabužių madai.

Beveik tuo pat metu Hiugensas išgirdo apie svarbų anglų išradimą. Tai inkarinis užraktas, leidęs švytuoklei švytuoti tokiu mažu lanku, kad cikloidinio judesio būtinybė atkrenta. Tačiau kas dar svarbiau, jis leido turėti antrą ir ilgą, sekundes skaičiuojančią švytuoklę, kuris įtakojo naują laikrodžio dizainą. Toks pailgas laikrodis, nuo 1876 m. Amerikoje vadinamas senelio laikrodžiu (pagal Henry Clay Work‘o dainą), ėmė būti populiariausiu angliško stiliaus laikrodžiu. Jų paklaida tebuvo kelios sekundės per savaitę. Žinomas anglų laikrodininkas Thomas Thompson‘as⁴⁾ ir jo pasekėjas George Graham‘as vėliau patobulino inkarinį užraktą, kad galėtų veikti be prisukimo. Tasai pagerintas variantas, vadinamas „šakutės“ (deadbeat) užraktu, tapo populiariausiu principu ateinančių 150 metų laikrodžiuose.

Ilgumos nustatymo užduotis

Kai 1675 m. buvo įkurta Grinvičo karališkoji observatorija, vienas jos tikslų buvo nustatyti „taip labai trokštumą įvairių vietų ilgumą“. Pirmasis karališkasis astronomas John Flamsteed‘as naudojo laikrodžius su inkariniu užraktu, kad užfiksuotų tikslius žvaigždžių praėjimo pro dangaus pusiaują, įsivaizduojamą dangaus polius jungiančią liniją, momentus. Tai jam leido tiksliau išmatuoti žvaigždžių poziciją nei tai įmanoma atliekant kampinius matavimus vien sekstantų ir kvadrantų pagalba.

Nors navigatoriai galėjo surasti savo platumą (atstumą nuo pusiaujo link šiaurės ar pietų) matuodami Saulės ar poliuje esančios žvaigždės altitudę, tačiau danguje nebuvo paprasto sprendimo ilgumos nustatymui. Audros ir srovės dažnokai supainiodavo kortas, neleidžiant pasinaudoti plaukimo atstumu ir kryptimi. Klaidos ne tik prailgindavo keliones, bet buvo susijusios su laivų, žmonių ir krovinio praradimu. Tai ypač skaudžiai pajuto britų vyriausybė, kai 1707-ais laivyno admirolas ir per 1600 jūreivių žuvo 4-iems laivams sudužus prie Sili salų. Todėl 1712 m. Britanijos parlamentas išleido įsaką skirti premijas už praktinius sprendimus nustatant ilgumą. Didžiausia 20 tūkst. svarų premijas (dabar ji būtų verta apie 12 mln. dolerių) buvo numatyta išradėjui instrumento, nustatančio laivo ilgumą pusės laipsnio (arba 30 jūrmylių) tikslumu.

Paskelbimas apie premijas sukėlė neapgalvotų pasiūlymų laviną. Todėl Ilgumos taryba nerengė susirinkimų visus 20 m. Tarp pasiūlymų buvo dvi perspektyvios idėjos. Pirmasis, vadinamasis Mėnulio atstumo metodas, kai matuojama tiksli Mėnulio padėtis žvaigždžių atžvilgiu, o kitam reikėjo ypač tikslaus laiko matavimo priemonės. Kadangi Žemė apsisuka aplink ašį per 24 valandas (15^o per valandą – tad valandos paklaida reiškia 15^o ilgumos paklaidą), tai dėl neplanuoto laivų judėjimo, sunkumų tiksliai matuoti laiką jūrose, temperatūros ir gravitacijos skirtingose platumose skirtumų, I. Niutonas ir jo pasekėjai laikę, kad Mėnulio atstumo metodas tėra vienintelis praktiškai galimas.