計測不可能なものを計測する
時間は、あらゆる文明が捉えようとしてきた唯一の資源であり、人類の歴史の大半において、その努力は驚くほど不正確なものでした。農民は季節を知る必要があり、司祭は儀式の時刻を、船乗りは満潮の瞬間を知る必要がありました。しかし、それらの問いに答えるために利用可能な道具は、地面に落ちる影から、水が滴る壺まで多岐にわたりました。時を計る物語は、人類が掴みどころのない抽象概念を、より細かな数値へとゆっくりと格闘させ、1時間単位で正確な装置から、宇宙の寿命の間も1秒も狂わない時計へと移行していく物語です。
以下は、古代エジプトの日時計から、今日の実験室で唸りを上げる光格子時計に至る、その旅路の短い歴史です。
影と太陽光：最初の時計
最も初期の時計は、地面を見るのではなく、空を見上げるものでした。太陽が空を横切るにつれ、その影は予測可能な弧を描いて地面を掃き、どんな高い物体も指針として機能しました。古代エジプト人は、紀元前3500年頃には早くもそびえ立つオベリスクを建て、その動く影が日中を認識可能な部分に分割しました。紀元前1500年頃までには、エジプト人は携帯用の影時計（印のついた目盛りに沿って影を落とす、隆起したクロスピースを持つ水平な棒）を使用していました。
これらの装置は日時計へと成熟し、ギリシャ人とローマ人は、影を落とす部品（ノーモン）が、年間を通じて時刻を一定に保つために天の極に向かって傾けられなければならないことを理解することで、これを洗練させました。日時計は優雅でメンテナンスを必要としませんでしたが、2つの明らかな欠点を共有していました。夜間は役に立たず、曇りの日には無力だったのです。結局のところ、時間は天候に依存することはできませんでした。
時を刻む水
解決策は、太陽光よりも信頼性の高いもの、すなわち水の安定した流れを測定することでした。水時計、またはクレプシドラ（ギリシャ語で「水の泥棒」の意）は、紀元前14世紀のアメンホテプ3世の治世頃に初めてエジプトに登場しました。最も単純な形では、水は印のついた容器からほぼ一定の速度で滴り落ち、水位の低下が経過時間を示しました。
異なる文化は、このアイデアを様々な方向に押し進めました。ギリシャでは、技術者はフロート、歯車、文字盤を追加し、クレプシドラは法廷に常設され、弁論家の演説の時間を計りました。中国では、この技術は驚くべき高みに達しました。西暦1088年、博学者蘇頌は、高さ10メートルを超える水動力の天文時計塔を完成させ、計測されたパルスで水を放出して機構を動かす脱進機機構を組み込みました。これは、後に登場する機械式時計の概念上の祖先と言えるでしょう。
水時計は時計を太陽から解放し、夜間やどんな天候でも時間を数えることを可能にしました。しかし、水は凍り、蒸発し、容器が満杯の時は空の時よりも速く流れます。精度は頑なに手の届かないままでした。
機械式革命
決定的な転機は中世ヨーロッパで訪れました。13世紀後半のある時、未知の職人（この発明には単一の名付けられた発明者はいません）が冠状脱進機を考案し、それによって機械式時計が誕生しました。
その原理は巧妙でした。落下する重りが安定した動力を提供しましたが、肝心なのは、その動力を一気に放出させるのではなく、制御された増分で放出させることでした。冠状脱進機は、両端に重りが付いた水平な棒（てんびん）を使用し、それが前後に揺れて、揺れるたびに歯車とかみ合ったり離れたりしました。各振動により、歯車列は単一の計測されたステップだけ前進しました。このチクタクという音（脱進機の可聴サイン）は、間違いなく機械文明を象徴する音です。
14世紀を通じて大聖堂や町の塔に設置されたこれらの初期の時計は、現代の基準では粗末で、しばしば1日に15分以上もずれていました。文字盤すらないことが多く、鐘を鳴らすためだけに存在していました（clockという言葉は、ラテン語で鐘を意味するcloccaに由来します）。それでも、それらは深遠な何かを表していました。すなわち、初めて、機械が太陽、水、季節から完全に独立して、それ自身の内部運動によって時間を測定したのです。
ホイヘンスと振り子
約4世紀の間、機械式時計は苛立たしいほど不正確なままでした。なぜなら、てんびんにはそれ自身の自然なリズムがなく、機構に押されるままに速くまたは遅く振れたからです。転機は1656年、オランダの科学者クリスティアーン・ホイヘンスが最初の実用的な振り子時計を製作した時に訪れました。
ホイヘンスは、特定の長さの振り子は、振れ幅の大きさに関わらず驚くほど一定の周期で振れるというガリレオの以前の観察を利用しました。この自然な規則性を時計の計時要素として利用することで、ホイヘンスは一夜にしてこの分野を変革しました。最高の機械式時計が1日に何分も誤差を生じていたのに対し、彼の振り子時計はすぐに約15秒以内の精度になり、後の改良により誤差は1日あたり1秒未満にまで抑えられました。
その飛躍は驚異的でした。一撃で約100倍の改善です。振り子時計はその後270年間、世界で最も正確な時計であり続け、天文台に設置され、国家の公式時刻を定義しました。
経度問題
正確な時計は単なる科学的な好奇心ではありませんでした。それは、その時代の大きな実用的課題の一つ、すなわち海上での位置特定の鍵を握っていました。船の緯度は太陽や星の高さから読み取ることができましたが、経度にはそのような簡単な解決策はありませんでした。地球は1時間に経度15度回転するため、固定された基準点での正確な時刻を知っている船乗りが、それを船上の正午と比較することで、どれだけ東または西に航海したかを計算できました。問題は、動揺し、温度が変化し、潮風にさらされる船上で、正確な時刻を保つ時計が存在しなかったことです。振り子は揺れる甲板では役に立ちませんでした。
その結果は致命的でした。答えがないために船は座礁し、財産は沈みました。そして1714年、英国議会は信頼できる解決策に巨額の賞金を懸けました。登場したのはジョン・ハリソン、独学のヨークシャー出身の大工兼時計職人で、この問題に人生を捧げました。数十年かけて彼は一連のマリンクロノメーターを製作し、1759年に完成した彼の傑作H4に至りました。コンパクトで宝石のように美しいこの時計は、船の動きに影響されない高速で打つテンプを使用していました。1761年のジャマイカへの航海中、H4は81日間でわずか約5秒しか狂いませんでした。これはほとんど奇跡と思われる精度でした。ハリソンは経度問題を解決し、それによってその後の世紀における信頼性の高い全球航法を可能にしました。
クォーツ：歯車のない時間
次の革命は、機械的な動きを完全に放棄しました。1927年、ベル電話研究所の技術者ウォーレン・マリソンとJ・W・ホートンは、最初のクォーツ時計を製作しました。クォーツ結晶に電流を流すと、圧電効果と呼ばれる特性により、極めて安定した周波数で振動します。これらの振動を電子的に数えることで、時計は振り子を振ったり、摩耗する脱進機を持ったりすることなく、時を刻むことができました。
クォーツ時計はすぐに最高の振り子式計器を凌駕し、20世紀半ばまでには新しい実験室標準となりました。しかし、その真の勝利は小型化でした。1970年代までに、クォーツムーブメントは安価で小型化され、腕時計に収まるようになり、19世紀の天文台の時計よりも正確な計時を一般の人々の手首にもたらしました。今日あなたの腕にあるクォーツ腕時計は、1927年のその画期的な発明の直接の子孫です。
原子時代
クォーツでさえ限界があります。結晶は温度や経年変化によってわずかに変化するからです。究極の基準は、自然そのもの、すなわち原子の不変の振る舞いからもたらされなければなりませんでした。1955年、英国国立物理学研究所のルイ・エッセンとジャック・パリーは、最初の正確なセシウム原子時計を製作しました。これは、セシウム133原子の共鳴周波数によって時間を測定しました。セシウム133原子は、物理法則によって本質的に固定されているほど一貫した周波数でマイクロ波放射を吸収・放出します。
原子時計は、それ以前のどの時計よりもはるかに優れていたため、時間そのものの定義を変えることを余儀なくされました。何千年もの間、秒は地球の自転（1日の端数）によって定義されていました。しかし、地球はぐらつき、徐々に遅くなる時計です。そこで1967年、国際社会は正式にSI秒を、セシウム133原子からの放射の9,192,631,770周期と再定義しました。初めて、時間の基本単位が天体から切り離され、原子に固定されました。
原子時計の精度は、すぐに他の単位も再形成しました。1983年、メートルは、光が真空中を1/299,792,458秒間に進む距離として再定義されました。光速度は現在、自然の固定定数として扱われているため、距離そのものが時間によって定義されています。その定数は本当に巨大で、光は約10億8000万 km/h (真空中の光速 へ キロメートル毎時) または約6億7100万 mph (真空中の光速 へ マイル/時) で移動します。これが、1秒のほんの一部で1メートル、そしてそれ以上の距離をカバーできる理由です。
未来：宇宙の時代のための時計
時計はセシウムで止まりませんでした。今日の最前線は光格子時計にあります。これは、数千もの原子（多くの場合ストロンチウムやイッテルビウム）をレーザー光の格子に閉じ込め、マイクロ波周波数ではなく光周波数でその振動を読み取ります。セシウムよりも数十万倍速く刻むため、驚異的な精度で測定できます。
これらの最高の時計は非常に安定しており、数十億年（現在の宇宙の年齢よりも長い期間）にわたって1秒も進んだり遅れたりしません。そのような精度は、単なる見せかけではありません。これは、時計が地球の重力場内でわずか数センチメートル高くなっただけで、アインシュタインが予測した時間の微小な遅れを検出できるほど正確であり、時計を地質学、航法、基礎物理学のためのセンサーとして使用する道を開きます。セシウムではなく光遷移に基づく秒の将来の再定義は、今後数年のうちに広く予想されています。
影からタイムゾーンへ
オベリスクの影から閉じ込められた原子の格子まで、時計の歴史は容赦なく精度へと向かってきました。脱進機、振り子、クロノメーター、クォーツ、原子というそれぞれの飛躍は、世界をより緊密に同期させました。その精度は、現代生活の背後にある目に見えない足場です。衛星を調整し、金融取引にタイムスタンプを付け、大陸を越えてインターネットを同期させています。
また、それはあなたが毎日使うものの基礎にもなっています。世界中の電話を予約したり、地球の反対側で飛行機に乗ったりすることを可能にする、きちんと整理されたタイムゾーンは、私たち全員が、ほんの一瞬の単位で、実際の時刻が何であるかに同意できるからこそ可能なのです。
よくある質問
時間を知るために使われた最初の装置は何ですか？
最も初期の時計は影を利用したものでした。紀元前3500年頃に建てられた古代エジプトのオベリスクは、動く影で一日を分割し、紀元前1500年頃までにはエジプト人は携帯用の影時計を使用していました。これらはギリシャ人とローマ人によって洗練された日時計へと進化しました。その限界は明らかでした。日中で晴天の時しか機能しなかったのです。
振り子時計を発明したのは誰ですか？
オランダの科学者クリスティアーン・ホイヘンスは、1656年に最初の実用的な振り子時計を製作しました。これは、振り子が一定の周期で振れるというガリレオの観察を利用したものです。これにより精度は約100倍向上し、1日あたりの誤差が数分から数秒になり、振り子時計は250年以上にわたって世界で最も正確な時計であり続けました。
時計はどのようにして船乗りが自分の位置を見つけるのを助けましたか？
地球は1時間に経度15度回転するため、固定された基準点での正確な時刻を知っている船乗りは、それを船上の正午と比較することで経度を計算できます。1759年に完成したジョン・ハリソンのマリンクロノメーターH4は、海上で十分な精度で時を刻み、この「経度問題」を解決しました。81日間の航海でわずか約5秒しか狂いませんでした。
今日、秒はどのように定義されていますか？
1967年以来、SI秒は、セシウム133原子が放出する放射の9,192,631,770周期として正確に定義されています。これは、あまりにも不規則であった地球の自転に基づく以前の定義に取って代わりました。最初の正確なセシウム原子時計は、1955年にルイ・エッセンとジャック・パリーによって製作されました。
これまでに作られた最も正確な時計は何ですか？
今日最も正確な時計は光格子時計であり、ストロンチウムやイッテルビウムなどの原子をレーザー光に閉じ込め、その光周波数の振動を読み取ります。最高のものは、数十億年（宇宙の年齢よりも長い期間）にわたって1秒も進んだり遅れたりしないほど安定しています。