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計時装置の歴史は、古代文明が初めて天体が空を移動するのを観測したころまで遡ります。時間を計るための装置と方法は、水時計の液体の流れなどの連続的なプロセスによる時間の測定から機械式時計、そして最終的には振り子の振動などの反復的な振動プロセスまで、一連の新しい発明を通じて徐々に改善されてきました。振動式時計は現代の時計に使用されています。
日時計と水時計は、紀元前 1200年頃（紀元前と同程度）に古代エジプト で初めて使用され、その後バビロニア人、ギリシャ人、中国人にも使用されました。香時計は6世紀までに中国で使用されていました。中世には、イスラムの水時計は14世紀半ばまでその精巧さにおいて比類のないものでした。ヨーロッパで発明された砂時計は、海上で時間を計測する数少ない信頼できる方法の1つでした。
中世ヨーロッパでは、鐘を鳴らすアラームが発明された後、修道院の鐘を鳴らす正確な時刻を知らせる、純粋に機械的な時計が開発されました。重りで駆動し、バージとフォリオットの動作で制御される機械式時計は、ヨーロッパとイスラムの科学の初期のアイディアを統合したものです。機械式時計は大きな進歩であり、特に 1360 年頃にヘンリー・ド・ヴィックによって設計、構築され、その後 300 年間の基本的な時計設計を確立しました。15 世紀初頭のゼンマイの発明など、小さな進歩も加わり、初めて小型の時計を製造できるようになりました。
17世紀以降、時計製造における次の大きな進歩は、時計が調和振動子によって制御できることの発見であった。レオナルド・ダ・ヴィンチは1493年から1494年にかけて、知られている限りで最も古い振り子の図面を制作しており、 1582年にはガリレオ・ガリレイが振り子の規則的な動きを調査し、周波数は重さではなく長さのみに依存することを発見した。オランダの博学者クリスティアーン・ホイヘンスが1656年に設計・製作した振り子時計は、他の種類の機械式時計よりもはるかに正確であったため、バージとフォリオットの機構はほとんど残っていない。この時期の計時におけるその他の革新には、打鐘時計、リピーティングクロック、デッドビート脱進機の発明がある。
初期の振り子時計の誤差要因には温度変化が含まれていたが、この問題は 18 世紀にイギリスの時計職人ジョン・ハリソンとジョージ・グラハムによって取り組まれた。1707年のシリー海戦の惨事の後、政府は経度を決定する方法を発見した者に賞金を出すと発表したが、ハリソンは次々と正確な時計を製作し、クロノメーターという用語を導入した。1840 年に発明された電気時計は、1940 年代にクオーツ タイマーが時間と周波数の正確な測定の基礎になるまで、最も正確な振り子時計を制御するために使用されていた。
腕時計はボーア戦争中に貴重な軍事ツールとして認識されていましたが、第一次世界大戦後に人気が高まり、非磁性、電池駆動、太陽電池式などのバリエーションが生まれ、クォーツ、トランジスタ、プラスチック部品が導入されました。2010年代初頭以降、スマートフォンとスマートウォッチが最も一般的な計時デバイスになりました。
現在実用化されている最も正確な計時装置は原子時計であり、これは年間数十億分の一秒の精度を誇り、他の時計や計時機器の校正に使用されています。
連続計時装置
古代文明は、時間を決定するために天体、特に太陽と月を観測しました。[1]歴史家エリック・ブルトンによると、ストーンヘンジは石器時代の天文台に相当するもので、春分や夏至などの季節や年中行事の観測に使用されていたようです。[2]巨石文明は記録された歴史を残していないため、その時間計測方法についてはほとんどわかっていません。 [3]ウォーレンフィールドの暦記念碑は現在、これまでに発見された中で最も古い太陰太陽暦であると考えられています。
メソアメリカ人は、暦を扱う際に通常の20進法（基数20）の計算システムを変更し、 1年を360日としました。[4]オーストラリアの先住民は天体の運動をよく理解しており、その知識を暦の作成や航海の補助に使用しました。ほとんどの先住民文化では、季節が明確に定義され、天体現象を含む年間を通じての自然の変化によって決定されていました。月の満ち欠けは、より短い期間をマークするために使用されました。南オーストラリアのヤラルディは、太陽の位置を使用して1日を7つの部分に分割した時間を計測する方法を持っていた数少ない人々の1人として記録されています。[5]
13世紀以前のすべての時計は、継続的に動くものを利用する方法に依存していました。初期の時間計測方法は、一定の速度で変化することはありませんでした。[6 ]時間計測の装置と方法は、長い一連の新しい発明とアイデアを通じて継続的に改善されてきました。[7]
影時計と日時計
太陽の位置を測るために最初に使われた装置は影時計で、これが後に日時計へと発展した。[8] [注 1]最も古い日時計は紀元前1200 年頃 （第19王朝時代）のもので、2013年に王家の谷で発見された。 [9] [10]オベリスクは午前か午後か、夏至と冬至を示すことができた。[11]紀元前 500年頃には、曲がったT定規 に似た形の影時計が開発された。これは横木が落とす影で時間の経過を測り、午前中は東を向き、正午になると向きを変えて反対方向に影を落とすことができた。[12]
日時計は聖書の列王記下20章9～ 11節に記されており、紀元前8世紀のユダヤ王ヒゼキヤが預言者イザヤによって癒され、回復の兆しを求めたと記録されている。[13]
イザヤは言った、「主が約束されたことをなされるというしるしが、主からあなたに与えられるであろう。すなわち、影が十度進むか、それとも十度退くかである。」ヒゼキヤは答えた、「影が十度下がるのは、小さな事である。いや、影は十度退きなさい。」預言者イザヤが主に叫ぶと、主はアハズの日時計に沈んでいた影を、十度退かせられた。
後期バビロニア時代の粘土板には、一年のさまざまな時期の影の長さが記されている。[14]ギリシャ人は、石をくり抜いて作った半球形の日時計を発明したのはバビロニアの作家ベロッソス（紀元前 3世紀頃）だと信じており、影の軌跡を12の部分に分け、時刻を刻んでいた。[15]ギリシャの日時計は進化して非常に洗練されたものとなり、紀元2世紀に書かれたプトレマイオスの『アナレンマ』では、時刻や地理的な緯度などのデータから太陽の位置を導き出すために、初期の三角法が使われていた。[ 16 ] [注2 ]
ローマ人はギリシャ人から日時計を受け継いだ。[19] ローマに最初の日時計が到着したのは紀元前264年で、シチリア島のカターニアから略奪されたものである。この日時計は、それまでローマ人が単に一日を早朝と午前（maneとante merididiem）に分けたのに対し、一日を通して「horologium」の時間を革新的に表示した。[20]それでも、予想外の天文学上の課題があった。この時計は1世紀にわたって誤った時間を示した。この間違いに気付いたのは紀元前164年、ローマの検閲官が検査に来て適切な緯度に調整したときだけだった。[21] [20]
ドイツの天文学史家エルンスト・ツィナーによると、等時を示す目盛りを備えた日時計は13世紀に開発された。極時刻に基づいた最初のものは 1400年頃にドイツで登場した。別の説では、極時刻で測定するダマスカスの日時計は1372年に遡る可能性があるとされている。[22]日時計のデザインに関するヨーロッパの論文は 1500年頃に登場した。[23]
エジプトでは少なくとも紀元前600年から夜間の時間を決定する方法として、メルケトと呼ばれる一種の鉛直線が使われていた。北極星であるポラリスと一直線に並んだ2つのメルケトを使って南北の子午線が作られた。子午線を横切る特定の星を観察することで時刻が決定された。[24]
1727年にジャイ・シング2世によって建てられたジャイプールのジャンタル・マンタルには、高さ88フィート（27メートル）の日時計であるヴリハット・サムラト・ヤントラがある。[25]この日時計は、現地時間を約2秒の精度で知らせることができる。[26]
水時計
クレプシドラ、つまり水時計に関する最も古い記述は、エジプト第18王朝初期（紀元前 1500 年頃）の宮廷役人アメンエムハトの墓碑銘に記されており、彼が発明者とされている。[27]碑文に記されている物体は、時刻を示す目盛りの付いたボウルであると推定されている。[28]現存する最古の水時計は、ファラオの アメンホテプ3世（紀元前 1417年頃～1379年）の墓で発見された。[29]古代メソポタミアから流出型水時計の実例は確認されていないが、文献は残っている。[14]
中国への水時計の導入は、おそらくメソポタミアからで、紀元前2千年紀の商王朝時代に遡り、遅くとも紀元前1千年紀には導入されていた。西暦550年頃、殷蘷（イン・クイ）が著書『漏刻法』の中で、中国で初めてオーバーフロータンクまたは定水位タンクについて記した。610年頃、隋代の2人の発明家、耿詢（ゲン・シュン）と宇文愷（ユーウェン・カイ）が、天秤の標準位置を備えた最初の水位計を作成した。 [ 30] 721年、数学者の易興と官僚の梁霊山は、天文時計を動かす水の力を調節し、その力を単位パルスに分割して惑星や星の動きを再現した。[31] 976年、宋代の天文学者張思胤は、寒い気候で水銀時計の水が凍ってしまうという問題に対処し、水を液体水銀に置き換えた。[32]博学者蘇宋は1088年に水力天文時計塔を建設した。[33]この塔には、世界初の無限動力伝達チェーン駆動が採用されていた。[34]
ギリシャの哲学者 アナクサゴラスとエンペドクレスは、どちらも時間制限を強制したり、時間の経過を測ったりするために使われた水時計について言及している。[35] [36]アテネの哲学者プラトンは、銅の皿の上に鉛の球が音を立てて流れ落ちる目覚まし時計を発明し、学生を起こしたとされている。[37]
ほとんどの水時計の問題は、流体圧力の変化による水の流れの変動であったが、これは時計の水容器が円錐形になった紀元前100年から解決された。ゴングや可動機構などの革新が取り入れられると、水時計はより洗練されたものとなった。[33]紀元前1世紀のアテネの風の塔には、水時計と風向計、そして今でも外側に見られる9つの垂直な日時計があったという強力な証拠がある。[38]ギリシャの伝統では、水時計は宮廷で使用され、後に古代ローマ人にも採用された。[39]
中世のアル＝アンダルスのイブン・ハラフ・アル＝ムラディは、分節歯車と遊星歯車の両方を採用した水時計について記述している。複雑な歯車列を使用し、オートマタの配列を含むイスラムの水時計は、14世紀半ばまでその精巧さにおいて他に並ぶものがないほどだった。[40] [41]液体駆動機構（重いフロートと定圧システムを使用）が開発され、水時計をより低速で作動させることができるようになった。[41]一部の人々は、最初の歯車時計は紀元前3世紀に偉大な数学者、物理学者、技術者であるアルキメデスによって発明されたと主張する。アルキメデスは天文時計を作ったが、[42] [要出典]それは、鳥が1時間ごとに鳴きながら動くカッコー時計でもあった。それは、鳥の鳴き声に驚いて人が目を瞬きすると同時に音楽を奏でる、最初のカリヨン時計である。アルキメデスの時計は、4つの重り、カウンターウェイト、ひもで構成され、水容器内のフロートシステムによって制御され、サイフォンによって時計の自動継続が制御されます。このタイプの時計の原理は、数学者で物理学者のヘロンによって説明されており、[43]ヘロンは、いくつかの時計は機構内の歯車を回転させるチェーンで動作すると述べています。[44]
ダマスカスのウマイヤド・モスクにある12世紀のジャイルーン水時計は、ムハンマド・アル・サーティによって建造され、後にその息子リドワン・イブン・アル・サーティの著書『時計の建造とその使用について』（1203年）で説明されている。 [45]精巧な水力天文時計は、アル・ジャザリーが1206年に書いた機械に関する論文で説明されている。[46]この城の時計は高さが約11フィート（3.4メートル）だった。[47] 1235年には、バグダッドのムスタンシリヤ・マドラサの玄関ホールに「祈りの定められた時間と昼夜の時刻を告げる」水力時計が立っていた。[48]
中国の香時計
香時計は6世紀頃に中国で初めて使用され、[49]主に宗教的な目的で使用されましたが、社交の場や学者によっても使用されました。[50] [51]デーヴァナーガリー文字が頻繁に使用されていることから、アメリカの中国学者 エドワード・H・シェーファーは、香時計はインドで発明されたと推測しています。[52]香は炎を出さずに均一に燃えるため、室内で使用しても安全でした。[53]異なる時間を刻むために、異なる香りの香（異なるレシピで作られた）が使用されました。[54]
使用された線香はまっすぐなものやらせん状のものがあり、らせん状のものは長期間の使用を想定しており、家や寺院の屋根から吊るされることが多かった。[55]一部の時計は等間隔で重りを落とすように設計されていた。[50]
香印時計には、1つまたは複数の溝が刻まれた円盤があり、その中に香が入れられました。[56]香の軌跡の長さは印章の大きさに直接関係しており、時計の持続時間を決定する主な要因でした。12時間燃やすと、約20メートル（66フィート）の香の軌跡が推定されています。[57]おそらく宋王朝の頃から徐々に金属製の円盤が導入され、職人はさまざまなサイズの印章をより簡単に作成し、より美しくデザインおよび装飾し、溝の軌跡を変えて、1年の日の長さの変化に対応できるようになりました。より小さな印章が利用可能になると、香印時計の人気が高まり、贈り物として贈られることも多くなりました。[58]
アストロラーベ
歯車機構を備えた精巧な計時用アストロラーベはペルシャで作られた。例としては、11世紀の博学者アブー・ライハーン・ビールーニーや、 1221年頃の天文学者ムハンマド・イブン・アビー・バクル・アル・ファリシが作ったものなどがある。 [59] [60]エスファハーンでアル・ファリシが作った真鍮と銀のアストロラーベ（カレンダーとしても機能する）は、歯車がそのまま残っている最古の機械である。アストロラーベの裏側の開口部は月の満ち欠けを表し、月齢を示している。黄道帯の目盛りの中には、太陽と月の相対的な位置を示す2つの同心円がある。[61]
イスラムの天文学者たちは、モスクや天文台で使用するために、非常に正確な天文時計を数多く製作しました。 [62]例えば、 14世紀初頭にイブン・アル・シャティルが製作した天文時計などです。[63]
キャンドル時計と砂時計
ろうそく時計に関する最も古い言及の一つは、520年に游建福が書いた中国の詩で、夜間に時間を確認する手段として目盛り付きのろうそくが使われていたと書かれている。同様のろうそくは10世紀初頭まで日本でも使われていた。[64]
アングロサクソン人は、ろうそく時計の発明をウェセックス王アルフレッド大王（在位871-889）に帰した。彼は、1インチ（25 mm）間隔で目盛りが付けられた6本のろうそくを使用した。各ろうそくは12 ペニーウェイトのワックスで作られ、高さ12センチメートル（4.7インチ）で均一な厚さに作られていた。[65]
12世紀のイスラム教徒の発明家アル＝ジャザリは、著書『巧妙な機械装置に関する知識の書』の中で、ろうそく時計の4つの異なる設計について説明しています。[66] [67]彼のいわゆる「筆記」ろうそく時計は、同じ長さの14時間の経過をマークするために発明されました。精密に設計されたメカニズムにより、特定の寸法のろうそくがゆっくりと押し上げられ、目盛りに沿ってインジケーターが動きます。
砂時計は海上で時間を計測する数少ない信頼できる方法の一つであり、11世紀には船上で使用されていたと推測されており、航海の補助としてコンパスを補完していたと考えられる。砂時計の使用に関する最も古い明確な証拠は、 1338年にイタリアの芸術家アンブロージョ・ロレンツェッティが制作した絵画「善政の寓話」に見られる。 [68]
ポルトガルの航海者フェルディナンド・マゼランは、1522年の世界一周の航海の際、各船に18個の砂時計を搭載していました。[69]中国でも砂時計が使用されていましたが、その歴史は不明です。[70]しかし、16世紀半ば以前には使用されていないようです。[71]砂時計は、当時完全にヨーロッパと西洋の芸術であった吹きガラスの使用を示唆しています。[72]
15世紀以降、砂時計は海、教会、産業、調理など幅広い用途で使われてきました。砂時計は信頼性が高く、再利用可能で、適度に正確で、簡単に作れる最初の時間測定装置でした。砂時計は死、節制、機会、そして髭を生やした老人として表現される時の父などの象徴的な意味を持つようになりました。 [73]
時計における初期の振動装置の歴史
英語の「時計」という単語は、中英語でclok、cloke、またはclokkeとして初めて登場しました。この単語の起源は定かではありませんが、フランス語またはオランダ語からの借用語である可能性があり、おそらく古典後期のラテン語 clocca（「鐘」）に遡ることができます。7世紀のアイルランド語と9世紀のゲルマン語の資料では、時計は「鐘」を意味すると記録されています。[74]
ユダヤ教、キリスト教、イスラム教には祈りのための時間が設けられていたが、キリスト教徒だけが昼夜の特定の時間に祈りに出席することが求められていた。歴史家のジョー・エレン・バーネットはこれを「一日に何度も繰り返して唱える祈りの厳格な遵守」と表現している。[75]鐘を鳴らす警報は、当番の修道士に修道院の鐘を鳴らすよう警告する。彼の警報は、小さな鐘を鳴らすための脱進機の一種を使ったタイマーだった。この機構は、機械式時計に見られる脱進機装置の先駆けとなった。[76] [77]
13世紀
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砂時計と水時計の精度を向上させる最初の革新は10世紀に起こり、摩擦や重力を利用して流れの速度を遅くする試みがなされました。[78]吊り下げられた重りで動く時計の最も古い描写は、1226年から1234年の間に作られた装飾写本である聖ルイ聖書にあります。そこには、車輪に作用する水によって時計が遅くなっている様子が描かれています。この図は、重りで動く時計が西ヨーロッパで発明されたことを示しているようです。[79] 1271年にロベルトゥス・アングリクスが書いた論文によると、中世の職人たちはこの時期に純粋に機械的な時計（つまり、重力のみで動く時計）を設計しようとしていました。[80]このような時計は、ギアシステム、重り駆動、打撃機構など、ヨーロッパとイスラムの科学から派生した以前のアイデアを統合したものです。[81]
1250年、画家ヴィラール・ド・オヌクールは、脱進機の発展につながる装置を描いた。[82]脱進機のもう一つの先駆けは、初期のバージ機構を使用してノッカーを操作し、ベルを連続的に鳴らす時計である。 [83]重りで動く時計はおそらく西ヨーロッパの発明で、時計の絵には、重りが軸を引っ張り、ゆっくりと水を放出する穴のシステムによって動きが遅くなっている様子が描かれている。[84] 1271年、イギリスの天文学者ロベルトゥス・アングリクスは、同時代の人々が機械式時計を開発中であると書いている。[85] [注 3]
14世紀
1275年頃のバージ・フォリオット脱進機の発明[87]は、時計の歴史[88]と技術の歴史の両方で最も重要な発明の1つでした。[89]これは時計学における最初のタイプのレギュレーターでした。[6] バージ、つまり垂直シャフトは、重りで駆動される冠歯車によって回転するように強制されますが、フォリオットによって自由に回転しないように止められます。自由に振動できないフォリオットは前後に揺れ、これによりホイールは一度に1つの歯を回転させることができます。[89] [90]バージ・フォリオットは以前の時計よりも進歩していましたが、加えられた力の変化によって引き起こされるビートの変動を避けることは不可能でした。最も初期の機械式時計は、日時計を使用して定期的にリセットされていました。[91] [92]
脱進機の発明とほぼ同時期に、フィレンツェの詩人ダンテ・アリギエーリは、14世紀初頭に書かれた『神曲』第3部『天国篇』の中で、祝福された人々の魂を描写するために時計のイメージを用いている。これは機械式時計に関する最初の文学的記述かもしれない。 [93] 1314年以降、家にある時計についての言及があり、1325年までに機械式時計の開発が起こったと推測される。[94]
鐘を直接鳴らすために塔に設置された大型の機械式時計が作られた。1273年頃に建設されたノリッジ大聖堂の塔時計（この年に機械式時計の支払いがあったと記載されている）は、そのような大型時計として知られている最古のものである。この時計は現存していない。[95]毎正時に規則的に鳴る最初の時計として知られる、縁とフォリオット機構を備えた時計は、1336年にミラノで記録されている。 [96] 1341年までに、重りで動く時計は穀物工場に採用できるほど普及し、[97] 1344年までにロンドンの旧セントポール大聖堂の時計は脱進機付きのものに置き換えられた。[98]フォリオットは1364年にドンディによって初めて図解され、[99] 1369年に宮廷歴史家ジャン・フロワサールによって言及された。 [100]
中世の時計装置で最も有名なのは、1360年頃に時計職人のヘンリー・デ・ヴィックが設計・製作した時計である[88] [101]。この時計は1日に最大2時間も誤差があったと言われている。その後300年間、時計の改良はすべてデ・ヴィックの時計の原理に基づいたものだった[102] 。 1348年から1364年にかけて、ヤコポ・ドンディの息子であるジョヴァンニ・ドンディ・デッロロロジオがフィレンツェに複雑なアストラリウムを建設した[103] [注4] 。
14世紀には、公共の場で鐘を鳴らす時計がますます頻繁に見られるようになり、最初はイタリアで、その後少し遅れてフランスとイギリスでも見られるようになりました。1371年から1380年の間に、公共の時計はヨーロッパの70以上の都市で導入されました。[105] ソールズベリー大聖堂の時計は、1386年頃に建てられたもので、現在稼働している世界最古の時計の一つであり、おそらく最古の時計でしょう。今でもほとんどのオリジナルの部品が残っています。[106] [注 5]ウェルズ大聖堂の時計は、1392年に建てられたもので、中世のオリジナルの文字盤を今も保っているという点でユニークです。時計の上には鐘を鳴らす人形と、15分ごとに軌道を回る一組の馬上槍試合をする騎士がいます。[107] [注 6]
その後の展開
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15世紀初頭のゼンマイの発明（最初は錠前や銃のフリントロック式に使用された装置）により、初めて小型の時計が製造可能になった。[109]蓄積されたエネルギーの放出を着実に制御する脱進機機構の必要性から、スタックフリード（15世紀に発明されたが、1535年より前の記録は確認されていない）とフュゼ（クロスボウなどの中世の武器に由来）という2つの装置が開発された。[109]現存する最古のゼンマイ駆動時計にはフュゼがあり、 1430年頃にフィリップ善良公のために作られた室内時計である。[109] 1493～1494年に最古の振り子の図面を作成したレオナルド・ダ・ヴィンチ[110]は、1435年頃にフュゼを描いている。 1500年、コイルばねが初めて登場してから25年後のことである。[111]
中世の西ヨーロッパの時計塔は時を告げていた。初期の時計の文字盤は時間を示していたが、1475年の写本には分表示の文字盤を備えた時計のことが記されている。[112] 16世紀には、時計職人はより洗練され、精巧になり、1577年までにはデンマークの天文学者ティコ・ブラーエが秒を計測できる最初の4つの時計を手に入れた。 [113]またニュルンベルクでは、ドイツの時計職人ペーター・ヘンラインが1524年に作られた、最も古い腕時計と思われる時計の製作料を受け取った。[114] 1500年までには、時計におけるフォリオットの使用は衰退し始めた。[115]現存する最古のゼンマイ駆動時計は、1525年にボヘミアのヤコブ・ツェク[111] [116] 1530年に、時計を持って旅行して経度を測定することを最初に提案したのは、オランダの計器製作者ジェンマ・フリシウスであった。時計は、経度がわかっている出発点の現地時間に合わせられ、他の場所の経度はその現地時間と時計の時間を比較することで決定できた。[117] [118]
オスマン帝国の技術者タキ・アッディーン（Taqi ad-Din）は、1565年頃に執筆した著書『機械式時計の製作のための最も明るい星』（Al-Kawākib al-durriyya fī wadh' al-bankāmat al-dawriyya）の中で、重りで動く脱進機、歯車の打撃列、アラーム、月の満ち欠けの表現を備えた時計について説明しています。 [119]イエズス会の宣教師は、中国に最初のヨーロッパの時計を贈り物として持ち帰りました。[120]
イタリアの博学者 ガリレオ・ガリレイは、ピサ大聖堂の吊りランプの動きを見て、振り子が正確な時間計測に使えることに初めて気づいたと考えられている。[121] 1582年、彼は振り子の規則的な動きを調査し、それが振り子の長さにのみ依存することを発見した。ガリレオは自分の発見に基づいて時計を製作することはなかったが、死ぬ前に息子のヴィンチェンツォに振り子時計の製作手順を口述した。[122]
精密計時の時代
振り子時計
最初の正確な計時装置は、調和運動と呼ばれる現象に依存していました。調和運動では、振り子や伸びたバネなどの物体が平衡位置から離れた位置に移動すると、復元力が物体をその位置に戻そうとし、振動を引き起こします。[123]調和振動子は、振動周期が運動の振幅に依存せず、1回の振動に常に同じ時間がかかることから、正確な計時装置として使用できます。[124]調和振動子の周期は、振動システムの物理的特性に完全に依存し、開始条件や振幅には依存しません。[125]
時計が調和振動子によって制御されていた時代は、計時において最も生産性の高い時代であった。[102] [注 7]このタイプの最初の発明は振り子時計であり、1656年にオランダの博学者クリスティアーン・ホイヘンスによって設計・製作された。初期のバージョンの誤差は1日1分未満、後期のバージョンは10秒と、当時の時刻としては非常に正確であった。振り子時計によって精度が向上した後、分と秒を表示する文字盤が一般的になった。ブラーエは分と秒を表示する時計を使用して星の位置を観察した。[112]振り子時計は他のすべての種類の機械式時計よりも優れていたため、通常は振り子が取り付けられた。これは容易に実行できた作業であった。[127]そのため、エッジエスケープメント装置で元の形のまま残っているものはほとんどない。[128]
最初の振り子時計はバージ脱進機を使用していたが、これは約100°の広い振幅を必要としたため、短くて軽い振り子が使われていた。[129]アンカー機構の発明により、より単振動に近く、より電力を必要とせず、摩擦や摩耗も少ないため、変動の少ない、より長く重い振り子を遅いビートで使用できるようになり、振幅は約6°に減少した。[130]最初のアンカー脱進機時計として知られているのは、1671年にイギリスの時計職人ウィリアム・クレメントがケンブリッジ大学キングス・カレッジのために製作したもので、[131]現在はロンドンのサイエンス・ミュージアムに所蔵されている。[132]アンカー脱進機はフックが発祥だが、クレメント[133]またはイギリスの時計職人ジョセフ・ニブ[132]が発明したという説もある。
イエズス会は17世紀と18世紀に振り子時計の開発に大きく貢献した。彼らは「精度の重要性を並外れて鋭く認識していた」。[134]例えば、1秒の振り子を正確に測定するために、イタリアの天文学者ジョヴァンニ・バッティスタ・リッチョーリ神父は9人のイエズス会士を説得し、「1日で約87,000回の振動を数える」ことに成功した。[135]彼らは当時の科学的アイデアを広め、検証する上で重要な役割を果たし、ホイヘンスや同時代の人々と協力した。[136]
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ホイヘンスは初めて時計を使って均時差（見かけの太陽時と時計の時刻の差）を計算し、その結果を1665年に発表した。この関係により、天文学者は星を使って恒星時を測定できるようになり、正確な時計の設定が可能になった。均時差は日時計に刻まれ、太陽を使って時計を設定できるようになった。1720年、ジョセフ・ウィリアムソンはカムと差動歯車装置を取り付けた太陽時を表示する時計を発明したと主張し、時計は真太陽時を表示するようになった。[137] [138] [139]
この時期の計時におけるその他の革新としては、イギリスの機械工エドワード・バーロウによるラックとカタツムリの打鐘機構の発明、バーロウかロンドンの時計職人ダニエル・クアレのどちらかが1676年に時間数や分数をチャイムで鳴らすリピーティングクロックを発明したこと、 [140]天文学者リチャード・タウンリーが1675年頃に発明したデッドビート脱進機が挙げられる。[141]
パリとブロワはフランスにおける初期の時計製造の中心地であり、ヴェルサイユの時計職人ジュリアン・ル・ロワなどのフランスの時計職人は、ケースのデザインと装飾時計のリーダーでした。[142]ル・ロワは時計職人一家の5代目に属し、同時代の人々から「フランス、おそらくヨーロッパで最も熟練した時計職人」と評されました。彼は、時計や腕時計の精度を向上させる特別なリピーティング機構、内部の時計を見るために開けられる文字盤を発明し、1759年に死去するまでの50年近くのキャリアで3,500以上の腕時計を製造または監督しました。彼の発見から生まれた競争と科学的な競争は、研究者たちがより正確に時間を計測する新しい方法を求めることをさらに促しました。[143]
初期の振り子時計に固有の誤差は、温度変化などの要因によって引き起こされる他の誤差よりも小さかった。[144] 1729年、ヨークシャーの木工職人で独学の時計職人ジョン・ハリソンが、少なくとも3種類の長さと膨張特性の異なる金属を組み合わせた格子振り子を発明した。これにより、周囲によって加熱または冷却されても振り子の全体の長さが維持される。[145] 1781年、時計職人ジョージ・グラハムは、水銀を入れたガラス瓶で作った錘を使用して鉄の振り子の温度変化を補正した。水銀は室温では液体の金属で、ガラスよりも速く膨張する。この発明のより正確なバージョンでは、より応答性を高めるために、より薄い鉄瓶に水銀が入れられた。このタイプの温度補正振り子は、水銀が棒自体に含まれることでさらに改良され、2つの金属をより密接に熱的に結合できるようになった。[146] 1895年に、鉄とニッケルから作られ、ほとんど膨張しない合金であるインバーが発明され、温度変化を補正するために設計された以前の発明の必要性が大幅に排除されました。[147]
1794年から1795年にかけて、フランス革命の余波で、フランス政府は1日を100分ずつの10時間に分割する十進法の時間の使用を義務付けました。チュイルリー宮殿の時計は1801年まで十進法の時間を刻んでいました。[148]
マリンクロノメーター
1707年のシリー海戦で航海のミスにより4隻の船が難破した後、英国政府は赤道のすぐ北の緯度で経度を50キロメートル（31マイル）以内の誤差で測定できる者に2万ポンド（現在の価値で数百万ポンドに相当する）の賞金を出すと発表した。 [149]航海士が1日に約6秒未満の誤差または進みを持つ時計を参照できれば、海上の船の位置を100キロメートル（62マイル）以内の誤差で測定できる。[150]提案は新設された経度委員会によって検討された。[151]多くの人々がこの賞を獲得しようと試みたが、その中にはヨークシャーの時計職人ジェレミー・サッカーがいた。彼は1714年に出版されたパンフレットで初めてクロノメーターという用語を使用した。 [152]ホイヘンスは、動いている船上で水平に保たれるように設計された最初の海上時計を製作したが、船が突然動くと動かなくなった。[152]
1715年、22歳のジョン・ハリソンは、木工の技術を生かして木製の8日時計を製作した。[153]彼の時計には、追加の潤滑（および清掃）の必要性をなくすために木製の部品を使用したり、摩擦を減らすローラーを使用したり、新しい種類の脱進機を使用したり、温度変化による膨張の問題を減らすために2種類の金属を使用したりといった革新があった。[154] 彼はロンドンに行き、経度委員会に海上時計製作の支援を求めた。彼はグラハムを訪ね、グラハムは時計製作の資金を手配してハリソンを支援した。30年後、彼の装置は現在「H1」と名付けられ、1736年に海上でテストされた。ハリソンはその後、さらに2つの海上時計「H2」（1739年頃完成）と「H3」を設計・製作し、どちらも1755年までに完成させた。[155] [156]
ハリソンは「H4」と「H5」という2つの時計を製作した。エリック・ブルトンは著書『時計の歴史』の中で、H4を「おそらくこれまでに製作された中で最も注目すべき時計」と評している。[157] 1761年から1762年の冬に行われた海上試験の完了後、ハリソンが経度賞を受賞するのに必要な精度の3倍の精度であることが判明した。[158] [159]
電気時計
1815年、多作なイギリス人発明家フランシス・ロナルズは電気時計の先駆けである静電時計を製作した。この時計は乾電池で駆動され、非常に長寿命の高電圧電池であったが、電気特性が気温や湿度によって変化するという欠点があった。彼は電気を制御する方法を実験し、改良した装置はより信頼性が高いことが証明された。[160]
1840年、スコットランドの時計・計器製作者アレクサンダー・ベインは、初めて電気を使って振り子時計を動かしたため、電気時計の発明者として認められている。[161] 1841年1月11日、ベインとクロノメーター製作者のジョン・バーワイズは、電磁振り子を備えた時計の特許を取得した。ベインがロンドンで電気時計のアイデアについて議論したイギリスの科学者チャールズ・ホイートストンは、 1840年11月に独自の時計を製作したが、ベインは法廷闘争に勝って発明者としての地位を確立した。[162] [163]
1857年、フランスの物理学者 ジュール・リサジューは、電流を使って音叉を無限に振動させる方法を示し、この発明を周波数を正確に測定する方法として初めて使用した人物であると考えられています。[164]水晶の圧電特性は、1880年にフランスの物理学者兄弟ジャックとピエール・キュリーによって発見されました。[165]
最も正確な振り子時計は電気的に制御されていました。[166] 1921年に設計された電気駆動の振り子時計であるショート・シンクロノーム時計は、地球自体よりも正確な時間管理を可能にした最初の時計でした。[167]
一連の技術革新と発見により、現代のクオーツタイマーが発明された。真空管発振器は1912年に発明された。 [168]電気発振器は、 1919年にイギリスの物理学者ウィリアム・エクルズによって初めて音叉の動きを維持するために使用された。 [169]彼の業績により、機械装置に伴う減衰の多くが取り除かれ、振動周波数の安定性が最大限に高められた。[169] 最初の水晶発振器は、1921年にアメリカの技術者ウォルター・G・ケイディによって製作され、1927年10月にはベル電話研究所のジョセフ・ホートンとウォーレン・マリソンによって最初のクオーツ時計が発表された。[170] [注 8]その後の数十年間で、クオーツ時計は研究室での精密時間測定装置として開発が進んだ。真空管で作られた大きくて繊細な計数電子機器のため、他の場所での実用的な使用は限られていた。1932年には、地球の自転速度の毎週の小さな変化を測定できるクオーツ時計が開発された。[172]その固有の物理的・化学的安定性と正確さにより、その後の普及が進み、1940年代以降は世界中で時間と周波数の精密測定の基礎を形成してきました。[173]
時計の開発
最初の腕時計は16世紀に作られました。イギリスのエリザベス1世は1572年に自分が手に入れた腕時計の目録を作成しており、それらはすべて彼女の宝石コレクションの一部と考えられていました。[174]最初の懐中時計は、そのサイズのために十分によく作られた可動部品がなかったため、不正確でした。[175]装飾のない時計は1625年頃に登場し始めました。[176]
分と秒を表示する文字盤は、ひげぜんまい（またはヘアスプリング）によって精度が向上した後に一般的になりました。 [112] 1675年にホイヘンスとフックによって別々に発明されたひげぜんまいは、テンプの振動を固定周波数にすることを可能にした。[177]この発明により、機械式時計の精度は1日あたり約30分から数分以内に大幅に向上しました。[178]ひげぜんまいを最初に発明したのがホイヘンスかフックかについては議論が続いています。どちらの科学者も、ひげぜんまいのアイデアを最初に思いついたと主張しています。ホイヘンスが設計したひげぜんまいは、今日に至るまで事実上すべての時計に使用されているタイプです。[178]
トーマス・トンピオンは、テンプスプリングの可能性を認識し、それを懐中時計にうまく応用した最初の時計職人の一人でした。 [179]精度が向上したことにより、時計は今日一般的に使用されているのと同じように機能するようになりました。これは1690年代に開発されたもので、文字盤に秒針が追加されました。 [180]同心円状の分針はもっと早い時期に発明されましたが、クアレが針を同時に動かす機構を考案しました。[181]スイスの自然哲学者ニコラ・ファティオ・ド・デュイリエは、1704年に時計の最初の宝石軸受を設計したと言われています。[ 182 ]
18世紀イギリスの著名な時計職人にはジョン・アーノルドやトーマス・アーンショーなどがおり、彼らは高品質のクロノメーターや、ポケットに収まるクロノメーターの小型版であるいわゆる「デッキウォッチ」の製作に生涯を捧げた。[183]
時計の軍事利用
腕時計は普仏戦争（1870-1871）の頃には着用されており、ボーア戦争（1899-1902）の頃には貴重な道具として認識されていました。[184]初期のモデルは基本的に革のストラップが付いた標準的な懐中時計でしたが、20世紀初頭までにメーカーは専用の腕時計を製造し始めました。1904年、初期の飛行家であったアルベルト・サントス・デュモンは、友人のフランス人時計職人ルイ・カルティエに、飛行中に役立つ時計の設計を依頼しました。[185]
第一次世界大戦中、腕時計は砲兵将校によって使用されていました。 [186]いわゆる塹壕時計、または「リストレット」は、通常は懐中時計を操作するために使用される片手を自由にするため実用的であり、標準装備となりました。[187] [188]塹壕戦の要求により、兵士は腕時計のガラスを保護する必要があり、ヒンジ付きケージの形をしたガードが使用されることがありました。[188]このガードは数字が読みやすいように設計されていましたが、針が見えにくくなっていました。この問題は、1930年代に破損に強いプレキシガラスが導入された後に解決されました。 [188]軍事用途の出現前、腕時計を着用するのは通常女性のみでしたが、第一次世界大戦中は男らしさと勇敢さの象徴となりました。[188]
現代の時計
現代の腕時計: ハーウッドの自動巻き腕時計(1920 年代)、ロレックス サブマリーナ(1950 年代)、1966 年にスピードマスターを着用した宇宙飛行士トーマス P. スタッフォード、デジタル クォーツ腕時計 ( 1970 年代頃)。
懐中時計は20世紀初頭に置き換えられ始めた。[189]第一次世界大戦中中立を保っていたスイスは、戦争の両陣営向けに腕時計を製造した。戦車の導入はカルティエのタンクウォッチのデザインに影響を与え、[190] 1920年代の腕時計のデザインはアールデコ様式の影響を受けていた。[191]自動巻き腕時計は18世紀に初めて導入され、限定的な成功を収めたが、1920年代にイギリスの時計職人ジョン・ハーウッドによって再導入された。[192]彼が1929年に破産した後、自動巻き腕時計に対する規制は解除され、ロレックスなどの企業がそれらを製造できるようになった。[193] 1930年、ティソは史上初の非磁性腕時計を製造した。[194]
最初の電池式腕時計は1950年代に開発された。[195]パテック フィリップなどの企業によって高品質の腕時計が生産され、その一例が1941年に発表されたパテック フィリップのRef.1518で、おそらくステンレススチールで作られた中で最も複雑な腕時計であり、2016年にオークションで世界記録となる11,136,642ドルで落札された。[196] [197] [198]
手巻きのスピードマスター・プロフェッショナル、または「ムーンウォッチ」は、NASAのジェミニ4号ミッションの一環として行われた米国初の宇宙遊泳の際に着用され、アポロ11号ミッション中に月面を歩いた宇宙飛行士が着用した最初の時計となった。 [199] 1969年、セイコーは世界初のクオーツ腕時計「アストロン」を製造した。[200]
1970年代には、トランジスタとプラスチック部品を使用したデジタル時計の導入により、企業は労働力を削減することができました。1970年代までに、より複雑な金属加工技術を維持していた企業の多くは倒産しました。[201]
本質的には時計の形をしたウェアラブルコンピュータであるスマートウォッチは、21 世紀初頭に市場に導入されました。
原子時計
原子時計は、現在実用化されている最も正確な計時装置である。数千年にわたって数秒以内の精度を保っており、他の時計や計時機器の校正に使用されている。[202]米国国立標準局（NBS、現在の米国国立標準技術研究所（NIST））は、1960年代に米国の時間基準をクォーツから原子時計に変更した。[203]
原子遷移を利用して時間を測定するというアイデアは、1879年にイギリスの科学者ケルビン卿によって初めて提案されましたが、[204]この方法で時間を測定する実用的な方法が登場したのは、1930年代に磁気共鳴が開発された後のことでした。 [205]アンモニア メーザー装置のプロトタイプは、1948年にNISTで構築されました。既存のクォーツ時計ほど正確ではありませんでしたが、原子時計の概念を証明するのに役立ちました。[206]
最初の正確な原子時計は、セシウム133原子の特定の遷移に基づくセシウム標準であり、 1955年にイギリスの物理学者ルイス・エッセンによってロンドンの国立物理学研究所で構築されました。 [207]これは天文時間スケールの天体暦（ET）を使用して較正されました。[208]
1967年、国際単位系（SI）はセシウムの特性に基づき時間の単位である秒を標準化した。[206] SIでは秒を、133 Cs原子の基底状態の2つの電子スピンエネルギーレベル間の遷移に対応する放射線の9,192,631,770サイクルと定義した。 [209] NISTが維持するセシウム原子時計は、1年あたり300億分の1秒の精度である。[206]原子時計は水素やルビジウム蒸気などの他の元素を採用しており、安定性が高く（水素時計の場合）、サイズが小さく、消費電力が少なく、したがってコストが低い（ルビジウム時計の場合）[206] 。最近の時計技術の進歩は主にトラップイオンプラットフォームに基づいており、最も低い系統的不確かさの記録はアルミニウムイオン時計[210]とストロンチウム光格子時計の間で争われている。[211]次世代の時計は、229mTh原子核の核遷移に基づくものになる可能性が高い。これは、原子核が付随する電子雲によって外部の影響から保護されており、遷移周波数が光時計やイオン時計よりもはるかに高いため、時計周波数の系統的不確実性が大幅に低減されるためである。[212]
参照
- 時計職人 – 時計を製作、修理する職人
- クロック同期 – 独立したクロックの調整
- 協定世界時 – 主要な時間基準 (UTC)
- 寸法計測学 – 専門分野
- 法医学計測学 – 法医学に応用される計測の科学
- エジプトの時計の歴史
- 量子計測学 - 量子もつれの高精度計測への応用
- クォーツ危機 – 1970年代から80年代の時計製造業界の大変動
- 秒振り子 – 周期が正確に2秒である振り子
- スマート計測 - 産業計測へのアプローチ
- 時間計測学 – 明確な基準単位で時間測定の尺度を指定する
- 時間標準 – 時間を計測するための仕様
- 月面での計時#歴史
- 時間測定の発明のタイムライン
- 時計職人 – 時計を製造および修理する職人
説明ノート
- ^ クォーツ時計の発明者であるウォーレン・マリソンは、日時計は「せいぜい地方の太陽時を計ることしかできない」ため、計時装置ではないと指摘した。[7]
- ^ プラウトゥス（紀元前 254年頃-184年）の詩には、 日時計がローマ人にとって馴染み深いものであったことが記されている。[17] [18]
神々は、時間の区別の仕方を最初に発見した男を辱める。
この場所に日時計を設置し、
私の日々をひどく細かく切り刻んだ者も辱めるのだ
。私が子供だった頃、
私の腹が日時計だった。
他のどの日時計よりも確実で、真実で、正確なものだった。この日時計は 、食事に行くのに適切な時間、何か食べるものがあるとき
を教えてくれた 。しかし今では、たとえ食べ物があっても、 太陽が許さない限り、私は寝ることができない。 街にはこうした忌まわしい日時計があふれ、 住民の大部分は 飢えで体が縮み、通りを這いずり回っている。 - ^ また、いかなる時計も天文学の判断に完全正確に従うことはできません。しかし、時計職人は春分点の円ごとに完全に一回転する歯車を作ろうとしていますが、その仕事を完全に完成させることはできません。 (ラテン語: Nec est hoc possibile、quod aliquod horologium sequaturomnino iudicium astronomie secundum veritatem。Conantur tamen artifices horologiorum facere circulum unum quiomnino moveatur secundum motum circuli equictialis、sed non possuntomnino complere opus eorum、 quod, si possent facere, esset horologium verax valde et valeret plus quam astrolabium quantum ad horas capiendas vel aliud 天文学, si quis hoc sciret facere secundum modum antedictum ) [86]。
- ^ ジョヴァンニ・デ・ドンディの作品は、そのデザインに基づいて複製された。彼の時計は7面構造で107個の可動部品があり、太陽、月、5つの惑星の位置と宗教的な祝祭日を表示していた。彼の時計は、ロンドンの科学博物館やスミソニアン協会など、いくつかの現代のレプリカに影響を与えた。[104] [95]
- ^ ソールズベリー大聖堂の時計の元々のバージとフォリオットの計時機構は失われており、振り子に改造され、1956年にレプリカのバージに置き換えられました。目的は鐘を鳴らすことだったので、文字盤はありません。[106]車輪と歯車は1.2メートル（3フィート11インチ）の鉄のフレームに取り付けられ、金属のダボとペグで固定されています。2つの大きな石が動力を供給し、木製の樽からロープを巻き出します。樽は主車輪（脱進機によって調整されます）と打撃機構と空気ブレーキを駆動します。[106]
- ^ この時計は17世紀に振り子とアンカーの脱進機に改造され、1884年にロンドンの科学博物館に設置され、現在も稼働し続けている。 [108]
- ^ 調和駆動時計は、平衡位置からの何らかの変形に依存しており、その結果生じる振動は、減衰のない自然周波数に近い周波数でエネルギーを受け取ったときに最大振幅を持ちます。時間を保つために使用されるこのような調和振動子の主な例としては、電気共振回路、重力振り子、水晶振動子と音叉、バランススプリング、ねじりバネ、垂直振り子などがあります。[126]
- ^ 水晶振動子は、非常に小さな振幅で振動することができ、その振幅は正確に制御することができ、その特性により、非常に高い周波数安定性を実現しています。[171]
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外部リンク
- 相対性科学計算機 – 哲学的な質問: 時計と時間は分離可能か? 2019 年 11 月 9 日にWayback Machineにアーカイブされました
- イスラムの時計発明の歴史の繰り返しからの古代の発見イスラム科学パート 4 クリップ(YouTube)。