Pomiar czasu

Zegar słoneczny nie należy do praktycznych w nocy, podczas zachmurzenia czy na pokładzie statku. Trzeba było pilnie znaleźć innych „strażników czasu” w postaci urządzeń zdolnych odtwarzać czas trwania dłuższych lub krótszych okresów i przekazywać te informacje. I wtedy nastąpił długi ciąg wspaniałych wynalazków, które były w stanie dokonać pomiaru czasu.

Klepsydra

Najstarsza forma mierzenia czasu. Zasada jest prosta: wyskalowane naczynie z wodą kapiącą przez otwór. Wykonanie klepsydry nastręcza jednak trudności, ponieważ wiele zjawisk może zakłócić wyciek płyny (średnica i zatykanie się ujścia, niska temperatura itp.). Udoskonalano klepsydrę za pomocą godnych podziwu mechanizmów, mimo to wciąż była przedmiotem troski jej właścicieli, aż do XIII w.

Klepsydra piaskowa

Drobny piasek przesypuje się z jednego szklanego pojemnika do drugiego przez wąski otwór. Wiarygodna, precyzyjna, przenośna i niekosztowna, była instrumentem najbardziej rozpowszechnionym od XIV do XVIII w. Konstruowano klepsydry mierzące czas od jednej minuty do kilku godzin. Przede wszystkim było to urządzenie użyteczne na chwiejnym pokładzie statku.

Zegar wahadłowy

Najstarsze zegary mechaniczne, z początku XIV w., miały napęd obciążnikowy. Jako regulator chodu stosowano tzw. kolebniki, a wychwytem był wychwyt wrzecionowy. Zegary tego typu były niedokładne, ponieważ okres wahań kolebnika zależał od siły napędu. Galileusz stwierdził, że okres ruchu swobodnego wahadła zależy od jego długości, a nie od amplitudy wychyleń – to prawo w praktyce zastosował holenderski uczony Christiaan Huygens, który w 1656 r. zbudował pierwszy zegar wahadłowy, używając wahadła jako regulatora chodu. Tempo opuszczania się wagi (obciążnika) regulował w nim używany do dziś typ wychwytu – wychwyt kotwicowy, dający odgłos tykania, które na długo zadomowiło się w mieszkaniach. Dokładność tego zegara była oszałamiająca: 1 min na dobę! Zegary wahadłowe wciąż ulepszano, aby zwiększyć ich dokładność.

Zegar balansowy

W XV w. pojawiły się zegary sprężynowe, w których do napędu zastosowano sprężynę. Pozwoliło to na zmniejszenie rozmiarów zegara. Kolejnym etapem rozwoju było zastąpienie wahadła balansem – kółkiem na osi ze sprężyną zwrotną. W 1674 roku Huygens zastosował w regulatorze balansowym zegara sprężynowego stalową sprężynę spiralną (tzw. włos). Zapewniło to większą dokładność i funkcjonowanie zegara bez względu na jego położenie.

Chronometr morski

Dokładny zegar był niezbędny do określenia długości geograficznej, ale żaden z istniejących nie był odporny na warunki morskie i nie spełniał wymagania dokładności 2 sekundy na dobę. Pierwszy chronometr morski zbudował John Harrison. Zastosował on dwa przeciwbieżnie sprzężone balanse i wychwyt własnego pomysłu. Dzisiejsze chronometry morskie mają dokładność 0,05 sekundy na dobę.

Zegar kwarcowy

Zasada działania jest taka sama, jak w zegarach z wahadłem, z tym że ruch wahadłowy zastąpiono wibracją małego kryształka kwarcu. Dokładność takich zegarów wynosi do 2 s na dziesięć lat. Zegar kwarcowy wynaleziono w 1928 r., lecz opuścił laboratoria dopiero w latach 60.

Zegar atomowy

Tutaj nie ma podobieństw z zegarami mechanicznymi. Nie tylko precyzja w pomiarze czasu (jeśli porównamy dwa zegary na cez 133, różnica w czasie nie wyniesie więcej niż 3 sekundy na milion lat), ale także zasada działania jest inna. Regulator nie jest już wykonany ręką ludzką, lecz zapożyczony od natury, wykorzystujący właściwości atomu.
Pierwszy zegar atomowy został zbudowany w roku 1949. Wykorzystywano w nim częstotliwość mikrofal emitowanych przez molekułę amoniaku. Nie był on jednak na tyle precyzyjny, by użyć go do wyznaczaniu standardowego czasu. Wystarczająco precyzyjny zegar atomowy, wykorzystujący drgania atomów cezu, powstał w 1955 roku.
Przez długi czas najbardziej precyzyjnym zegarem atomowym był zbudowany w Australii Zegar Szafirowy. Niedawno amerykańscy fizycy zbudowali zegar, którego dokładność jest tak ogromna, że może on spóźnić się lub przyspieszyć o 1 sekundę raz na 14 miliardów lat. Ten niezwykle dokładny zegar atomowy korzysta z atomów iterbu i dzieli sekundę na 500 bilionów równych fragmentów.