Từ thời gian mặt trời đến thời gian đồng hồ
Xin các thần linh trừng phạt con người đầu tiên đã khám phá ra cách phân chia giờ giấc! Hắn đáng phải trừng phạt, vì hắn đã chế tạo ra đồng hồ mặt trời, chia cắt những ngày đời của tôi thành những mảnh vụn rắc rối. - Plautus (200 trước C.N.)
Đo những giờ tối
Vào thời loài người còn sống bằng nghề trồng trọt và chăn nuôi súc vật, họ ít có nhu cầu đo thời gian bằng những đơn vị nhỏ. Chỉ có các mùa là quan trọng - biết khi nào trời mưa, tuyết, nắng, lạnh. Cần gì phải bận tâm đến những giờ những phút? Chỉ có thời giờ ban ngày là quan trọng, vì là thời gian người ta có thể lao động. Do đó, đo thời gian có ích là đo những giờ của mặt trời.
Trong kinh nghiệm hằng ngày, không sự thay đổi nào tệ hại bằng việc mất cảm giác phân biệt ngày và đêm, ánh sáng và bóng tối. Thế kỷ ánh sáng nhân tạo của chúng ta làm chúng ta quên mất ý nghĩa của đêm tối. Cuộc sống đô thị hiện đại luôn luôn là một thời gian pha trộn giữa ánh sáng và bóng tối. Nhưng đối với hầu hết các thời đại của loài người, đêm tối đồng nghĩa với bóng tối đầy sự đe dọa của những điều bí ẩn. Sách Talmud cảnh giác, "Đừng bao giờ chào người lạ ban đêm, vì hắn có thể là ma quỷ". Còn Chúa Giêsu thì nói, "Tôi phải làm những công việc của Đấng là sai tôi, bao lâu còn là ban ngày. Khi đêm đến, không ai có thể làm được gì. Bao lâu tôi còn ở trong thế gian, tôi là ánh sáng thế gian". Ít có đề tài nào khêu gợi trí tưởng tượng nhiều bằng đêm tối. "Giữa đêm tối chết tróc ghê rợn" thường là khung cảnh mà Shakepeares và những nhà viết kịch chọn để đưa các tội ác vào kịch bản của họ.
Ôi đêm tối giết chết niềm an ủi,
Ngươi vẽ lên cảnh Địa ngục hãi hùng;
Ngươi chứng kiến bao hành vi tội lỗi,
Và phơi bày những thảm cảnh sát nhân;
Ngươi che giấu bao tội ác điên cuồng,
Và dung dưỡng những hành vi hư đốn.
Bước đầu tiên để làm cho đêm tối gần với ban ngày hơn đã được thực hiện từ lâu trước khi con người biết đến ánh sáng nhân tạo. Đó là lúc con người khi chơi đùa với thời gian, đã bắt đầu chia thời gian thành những mảnh nhỏ để đo lường.
Tuy người thời xưa đã biết đo thời gian theo năm và tháng và đặt ra khung thời gian theo tuần lễ, nhưng những đơn vị thời gian ngắn hơn vẫn còn rất mơ hồ và có ít vai trò trong kinh nghiệm thông thường của con người, mãi cho tới vài thế kỷ gần đây. Giờ đồng đều và chính xác của chúng ta là một phát minh của thời cận đại, các đơn vị phút và giây còn mới hơn nữa. Tự nhiên, khi ngày lao động là ngày có ánh sáng mặt trời, thì những cố gắng đầu tiên của người ta để chia thời gian và đo đường đi của mặt trời trên bầu trời. Vì mục đích này, các đồng hồ mặt trời, hay đồng hồ báo mặt trời, là những dụng cụ đo thời gian đầu tiên.
Các xã hội xa xưa đã nhận thấy rằng bóng của một cây cột dựng đứng sẽ ngắn dần khi mặt trời lên cao trên bầu trời và dài trở lại khi mặt trời xuống dần. Người Ai Cập cổ đại đã sử dụng một dụng cụ như thế, nhưng chúng ta còn có thể thấy một cái tồn tại từ thời Thutmose III (khoảng 1500 trước C.N.). Một thanh ngang dài chứng 30 centimet có một đầu hình chữ T, đầu này sẽ dọi bóng xuống vạch đo vẽ trên thanh ngang. Buổi sáng, người ta đặt thanh gỗ này với chữ T hướng về phía đông; Giữa trưa thanh cây này được quay xang hướng tây. Khi ngôn sứ Isaia hứa chữa lành bệnh cho vua Hêdêkia bằng cách làm cho thời gian quay ngược trở lại, ông tuyên bố sẽ làm được việc này bằng cách làm cho bóng mặt trời lui lại (Is 38, 8).
Suốt nhiều thế kỷ, bóng mặt trời luôn là phương tiện phổ biến để đo thời gian. Và đây cũng là một dụng cụ tiện dụng, vì ở bất cứ đâu và bất cứ ai cũng có thể lầm được đồng hồ mặt trời mà không cần sự hiểu biết hay dụng cụ đặc biệt nào. Nhưng lời tự hào hóm hỉnh ghi trên những đồng hồ mặt trời: "Tôi chỉ đo những giờ có mặt trời", cho thấy rõ sự giới hạn của đồng hồ mặt trời để đo thời gian. Đồng hồ mặt trời đo bóng mặt trời: không có mặt trời thì không có bóng. Đồng hồ bóng mặt trời chỉ có tác dụng ở những miền đất trên thế giới có nhiều nắng và chỉ vào lúc mặt trời đang chiếu".
Chỉ khi ánh mặt trời chói chang, chuyển động của bóng mặt trời quá chậm khiến khó có thể đo được phút và hoàn toàn không thể đo được giây. Đồng hồ đánh dấu thời gian một ngày ở một nơi sẽ không thích hợp để đo được một đơn vị thời gian chuẩn trên toàn cầu, như một giờ gồm sáu mươi phút của chúng ta. Bởi vì ngoại trừ vùng xích đạo, ở mọi nơi khác và quanh các mùa thì số giờ trong ngày không giống nhau. Muốn sử dụng bóng mặt trời ở bất kỳ nơi nào để định giờ theo giờ GMT, cần phải có một sự kết hợp các kiến thức về thiên văn, địa lý, toán học và cơ học. Phải đợi đến thế kỷ 16 các đồng hồ mặt trời mới được ghi số bằng những giờ thực này. Khi khoa học "đồng hồ số" này phát triển, việc có một chiếc đồng hồ mặt trời bỏ túi trở thành mốt thời thượng. Nhưng lúc đó người ta đã làm ra đồng hồ quả lắc và đồng hồ tay và chúng tiện dụng hơn về mọi mặt.
... Làm cách nào loài người thoát ra được mặt trời? Chúng ta đã chinh phục đêm tối thế nào để biến nó thành một thế giới có thể hiểu được? Chỉ có cách trốn thoát khỏi sự thống trị của mặt trời, chúng ta mới học được cách đo thời gian của mình thành những đơn vị nhỏ đồng đều và toàn cầu...
Các đồng hồ mặt trời ban đầu còn có nhiều mặt hạn chế khác. Thanh đo ngang của Thutmose II không đo được các giờ sáng sớm hay lúc hoàng hôn vì cây ngang chữ T sẽ kéo dài vô hạn và không thể nào đọc được trên thanh chia độ. Tiến bộ lớn trong thiết kế đồng hồ mặt trời thời cổ, tuy không giúp gì trong việc định giờ toàn cầu, nhưng đã thực sự giúp cho việc phân chia đều nhau các giờ ban ngày được dễ dàng hơn. Đó là một đồng hồ mặt trời có hình bán nguyệt, mặt trong của một bán cầu, với kim kéo từ một cạnh tới tâm và phần mở ngửa lên phía trên. Do đó, đường đi của bóng mặt trời trong bất cứ ngày nào sẽ là một bản sao y hệt đường đi của mặt trời trong bán cầu của bầu trời bên trên. Đường cung do mặt trời vẽ ra và ghi lại ở mặt trong bán cầu được chia thành 12 phần đều nhau. Sau khi vẽ những đường để chỉ các ngày khác nhau, người ta nối 12 phần chia giờ của mỗi ngày với những đường cong, để chỉ từng phần khác nhau của 12 giờ ban ngày.
Cả sau khi đồng hồ mặt trời được thiết kế để chia thời gian ban ngày thành 12 phần đều nhau, nó cũng không giúp người ta so sánh được thời gian giữa mùa này với mùa khác. Trong mùa hè, các ngày thì dài và các giờ cũng dài. Dưới thời hoàng đế Valentinianô I (364-375), quân đội Rôma được tập luyện để chạy bộ "với tốc độ 20 dặm trong năm giờ mùa hè". Một "giờ" - một phần mười hai của thời gian ban ngày - của một ngày nào đó tại một nơi nào đó sẽ khác với một giờ vào ban ngày khác và tại một nơi khác. Đồng hồ mặt trời là một thước đo co dãn.
Bất cứ cái gì chảy được, tiêu hao hay đốt cháy đều đã được người ta sử dụng khi này hay khi khác để đo thời gian. Tất cả đều là những cố gắng để thoát khỏi quyền thống trị của mặt trời, để nắm được thời gian một cách chắc chắn hơn, dễ dự đoán hơn và đem vào phục vụ con người. Dụng cụ để đo thời gian phổ quát, để đo chính đời sống, phải là một cái gì khác hơn là cái bóng mặt trời hay thay đổi, trôi nổi, chậm chạp và thường bị che khuất. Con người phải tìm ra được cái gì tốt hơn cái dụng cụ đo thời gian mà người Hi Lạp gọi là "vật săn đuổi cái bóng".
Nước quả là một vật kỳ diệu, là dung môi chảy, là may phước của hành tinh, phục vụ cho loài người bằng vô vàn cách khác nhau và tạo cho hành tinh chúng ta một tính chất đặc biệt. Nước là vật giúp cho con người đạt những thành công ban đầu trong việc đo những giờ tối. Nước có thể chứa trong bất cứ cái chén nhỏ nào, nên dễ xử lý hơn bóng mặt trời. Khi loài người bắt đầu dùng nước để đo thời gian, họ đã bước thêm một bước nhỏ nữa trong việc đưa hành tinh vào trong nhà của mình. Con người có thể làm cho nước trong một vật chứa chảy nhanh hay chậm, ngày và đêm. Họ có thể đo dòng chảy của nó bằng những đơn vị đều đặn, áp dụng chung được cho vùng xích đạo hay vùng băng giá, mùa đông hay mùa hạ. Nhưng hoàn thiện dụng cụ này là cả một con đường dài và gian truân. Đến lúc đồng hồ nước được phát triển thành một dụng cụ khá chính xác, nó đã bắt đầu bị thay thế bởi một dụng cụ khác tiện dụng, chính xác và thú vị hơn nhiều.
Tuy nhiên, suốt phần lớn lịch sử, đồng hồ nước đã được dùng để đo thời gian khi không có mặt trời. Và trước khi đồng hồ quả lắc được hoàn thiện vào khoảng 1700, thì đồng hồ nước có lẽ là vật đo thời gian chính xác nhất. Trong tất cả những thế kỷ ấy, đồng hồ nước đã thống trị sinh hoạt hằng ngày - đúng hơn, hằng đêm - của con người.
Từ rất sớm, con người đã khám phá ra rằng họ có thể đo dòng thời gian bằng lượng nước nhỏ giọt từ một bình nước. Khoảng 500 năm sau khi có những đồng hồ mặt trời đầu tiên, người Ai Cập cổ đại đã sử dụng các đồng hồ nước. Đất nước họ đầy ánh sáng mặt trời, nên đồng hồ mặt trời rất thích hợp cho các nhu cầu ban ngày của họ, nhưng họ cần đồng hồ nước để đo giờ giác ban đêm. Thoth là thần đêm của họ, cũng là thần tri thức, chữ viết và đo đạc, trông coi những mẫu đồng hồ nước chảy ra và chảy vào. Mẫu chảy ra là một chiếc bình thạch cao được ghi vạch bên trong và có một lỗ nhỏ duy nhất gần đáy bình để cho phép nước nhỏ giọt ra ngoài. Bằng cách quan sát giọt nước ở mực nước bên trong từ vạch trên tới vạch kế tiếp bên dưới, người ta đo được thời gian trôi qua. Loại chảy vào đánh dấu thời gian bằng mực nước dâng lên trong bình, là loại được phát triển sau này và phức tạp hơn, vì nó đòi một nguồn cung cấp nước điều hòa và liên tục. Tuy vậy, những dụng cụ đơn giản này cũng không phải không có vấn đề. Khi thời tiết lạnh, tính sền sệt của nước thay đổi gây nên rắc rối. Nhưng trong bất kỳ thời tiết nào, muốn đồng hồ chạy đều, phải làm sao cho miệng lỗ thoát nước không bị bít hay toang rộng ra. Các đồng hồ nước chảy ra còn có một vấn đề nhỏ khác nữa, vì tốc độ chảy tùy thuộc áp lực nước, mà áp lực này lại luôn luôn thay đổi theo lượng nước còn lại trong bình. Vì thế người Ai Cập đã thiết kế các mạt trong bình vắt xuống để khi lượng nước giảm thì áp lực nước trong bình vẫn không thay đổi vì nước được tập trung trên một diện tích nhỏ.
Vấn đề thiết kế một đồng hồ nước hữu dụng thì khá đơn giản nếu nó chỉ nhằm mục đích đo những đơn vị thời gian nhỏ đồng đều, giống như chiếc máy luộc trứng định giờ hiện đại. Nhưng muốn dùng đồng hồ nước như một dụng cụ để chia những giờ ban ngày hay ban đêm thành những đoạn đều nhau, việc định cỡ là một vấn đề khó. Rõ ràng đêm mùa đông ở Ai Cập ngắn hơn đêm mùa hè. Theo những đơn vị đo lường của Ai Cập, chiếc đồng hồ nước ở Thebes đòi hỏi đêm mùa hè phải đo được mười hai đốt ngón tay nước, trong khi đêm mùa đông phải đo được mười bốn. Những "giờ" như thế thay đổi, vì chúng là những phần chia đều của tổng số các giờ của ban đêm hay ban ngày và vì vậy không phải là những giờ để đo thời gian thực sự. Chúng được gọi là những giờ "tạm thời" vì chúng chỉ có giá trị tạm thời và không bằng một giờ của ngày kế tiếp. Vấn đề sẽ đơn giản hơn nhiều nếu làm được một đồng hồ để đo một đơn vị cố định, không đổi. Nhưng phải mất nhiều thế kỷ trước khi có được một chiếc máy đo thời gian trừu tượng bằng cách đo một cái gì khác với một đoạn của ban ngày hay ban đêm.
Không phải những dòng nước thời gian, mà là những hạt cát thời gian chảy xuống đã tạo cảm hứng cho những thi sĩ thời cận đại về thời gian trôi qua. Ở nước Anh, người ta thường để các đồng hồ cát trên những cỗ quan tài để nhắc nhở rằng một đời người đã trôi qua. Một bài thánh ca có câu này: "Cát bụi thời gian đang chìm lắng, bình minh ló dạng chốn thiên đường".
... Với sự tiến bộ của nghề thủy tinh, người ta có thể hàn kín đồng hồ cát để giữ cho nó khỏi bị ẩm ướt, làm cho cát xuống chậm. Các quy trình phức tạp đã sấy khô cát trước khi đổ nó vào trong bình thủy tinh...
Nhưng đồng hồ cát đo thời gian bằng những hạt cát rơi, đã xuất hiện khá muộn màng trong lịch sử. Hiển nhiên cát không có độ chảy dễ bằng nước và vì thế kém thích hợp hơn nước để đo những đơn vị nhỏ bé của các giờ ban ngày và ban đêm thời ban đầu. Bạn không thể đặt một cái thước nổi tự do trên cát. Nhưng cát có thể chảy ở những vùng thời tiết làm cho nước bị đông. Muốn có một đồng hồ cát hữu dụng và chính xác, cần có tài nghệ điêu luyện của người thợ thủy tinh.
Chúng ta nghe nói đến những đồng hồ cát ở châu Âu vào thế kỷ 8, khi truyền thuyết cho rằng một vị tu sĩ ở Chartres đã sáng chế ra nó. Với sự tiến bộ của nghề thủy tinh, người ta đã có thể hàn kín đồng hồ cát để giữ cho nó khỏi bị ẩm ướt làm cho cát xuống chậm. Các quy trình phức tạp đã sấy khô cát trước khi đổ nó vào trong bình thủy tinh. Một cuốn sách chuyên môn thời trung cổ đã quy định cát trong bình phải là đá hoa cương đen nghiền nhuyễn, được nấu đi nấu lại chín lần trong rượu. Trong mỗi lần nấu, phải hớt bỏ những hạt cặn, rồi cuối cùng đem phơi nắng.
Đồng hồ cát không thích hợp để tính thời giờ dài suốt ngày, vì nếu quá to nó sẽ kềnh càng bất tiện, hoặc nếu quá nhỏ thì phải lật đi lật lại thường xuyên và đúng lúc mỗi lần hạt cát cuối cùng rớt xuống. Nhưng nó thích hợp hơn đồng hồ nước để đo những khoảng thời gian ngắn khi mà người ta chưa biết đến một dụng cụ nào khác. Côlômbô đã sử dụng đồng hồ cát trên tàu của mình để giữ 7 "giờ kinh" theo luật và cứ nửa giờ lại lật bình một lần khi cát trong bình chảy hết. Vào thế kỷ 16, người ta đã dùng đồng hồ cát để đo những khoảng thời gian ngắn trong nhà bếp. Trong các lễ nghi ở nhà thờ, người ta cũng đặt một đồng hồ cát ở bục giảng để điều chỉnh thời giờ cho các bài giảng. Các thợ xây và các thợ thủ công khác cũng dùng đồng hồ cát để tính giờ làm việc của họ. Các giáo viên cũng đem đồng hồ cát vào trong lớp để tính thời gian cho bài giảng hay bài làm của học sinh. Một hiệu trưởng trường Oxford thời nữ hoàng Elizabeth có lần đe dọa những học sinh lười biếng rằng "nếu họ không chăm chỉ làm bài tập, ông sẽ để trong lớp một đồng hồ cát hai giờ".
Sau thế kỷ 16, người ta chỉ còn sử dụng đồng hồ cát để đo tốc độ của một con tàu. Người ta thắt những chiếc nút cách quãng từng 7 sải ở một cái dây cột vào một khúc gỗ có thể nổi ở phía sau tàu. Một thủy thủ ném khúc gỗ ra xa khỏi đuôi một chiếc tàu đang chạy và đếm những chiếc nút đã trải ra trên dây, đồng thời có một đồng hồ cát đo thời gian đó, chiếc tàu đang chạy với tốc độ 5 dặm một giờ. Suốt thế kỷ 19, các tàu buồm vẫn còn "kéo khúc gỗ" từng giờ để theo dõi tốc độ.
Cuối cùng người ta không còn sử dụng đồng hồ cát để đo giờ giấc ban đêm nữa vì nó quá bất tiện do cứ phải lật lại đồng hồ nhiều lần. Thỉnh thoảng người ta cũng nghĩ ra những giải pháp khác bằng cách kết hợp một dụng cụ đo thời gian với một dụng cụ thắp sáng. Họ tìm cách dùng lừa vừa cho ánh sáng vừa đo được dòng thời gian trôi qua ban đêm. Những phát minh này tuy độc đáo nhưng không thực tế. Chúng khá tốn phí, có khi nguy hiểm và không bao giờ có được những giờ ban ngày và ban đêm đồng đều. Vì các "giờ" co dãn như thế, nên đồng hồ lửa cũng giống như đồng hồ cát không thể dùng để đo những khoảng thời gian dài.
Truyền thuyết kể về một chiếc đồng hồ nến nổi tiếng được làm ra để giúp Alfred Đại Đế (849-899) giữ lời thề của ông khi ông phải bỏ vương quốc của mình để đi lánh nạn. Ông thề rằng nếu vương quốc được phục hồi, ông sẽ dành đủ một phần ba thời gian mỗi ngày để thờ phượng Chúa. Theo truyền thuyết, khi trở về Anh quốc, vua cho làm một đồng hồ nến. Người ta dùng 100 gram sáp đúc thành sáu cây nến, cây nào cũng to đều nhau, cao 12 inch và mỗi cây đều được khắc vạch từng inch một. Các cây nến được đốt xoay vòng và cả sáu cây cháy hết sẽ kéo dài đúng 24 giờ. Người ta lấy những tấm giấy kính dán vào khung gỗ để chắn gió cho nến khỏi tắt. Nếu vua Alfred đọc kinh đủ thời gian đốt hết hai cây nến, ông có thể chắc chắn đã làm trọn lời thề của mình.
Cả sau khi các đồng hồ cơ học trở thành phổ biến, các nhà sáng chế vẫn không ngừng thử đủ kiểu khác nhau mà họ thấy là thích hợp - có người dùng lửa đèn dầu để làm quay máy đồng hồ, có người dựa vào mức tiêu hao dầu trong bình có chia độ, người khác còn dùng bóng của một cây nến sắp tắt dọi trên một thước đo để tính những giờ thay đổi ban đêm - tất cả đều nhằm chinh phục đêm tối và đo thời giờ với cùng một dụng cụ.
Những sáng kiến tinh vi để tìm cách đo thời giờ ban đêm thật không tài nào đếm nổi trước khi việc thắp sáng nhân tạo trở nên phổ biến và ít tốn kém. Sau khi đồng hồ cơ học được phát minh, chuông đồng hồ là một sự chinh phục bóng đêm một cách hiển nhiên. Một nhà phát minh Pháp tài giỏi ở cuối thế kỷ 17, M. de Villayer, đã thử dùng tới vị giác. Ông thiết kế một đồng hồ được bố trí sao cho để khi ông chạm vào kim chỉ giờ ban đêm, nó dẫn ông tới một hũ gia vị nhỏ được gắn ở chỗ những con số, mỗi hũ có một vị riêng. Cả khi không nhìn thấy đồng hồ, ông vẫn luôn luôn "nếm" được giờ.
