Erindi flutt í Myndlistaskólanum í Reykjavík í apríl 2013 og endurflutt í janúar 2015, með breytingum og viðbótum

Inngangur

   Fyrir  fjörutíu árum eða svo fundu fréttamenn hjá ríkisútvarpinu upp á því að spyrja menn á götunni þessarar einföldu spurningar: Hvað er klukkan? Spurningin var ekki alveg út í bláinn, því að spyrjendur höfðu orðið þess áskynja að helstu viðmiðunarklukkum landsins bar ekki saman: Símaklukkan var í ósamræmi við útvarpsklukkuna, og sjónvarpsklukkan var ósammála hinum báðum. Klukkan á Dómkirkjunni virtist líka hafa sína sérstöku skoðun á málinu. Hvaða klukku áttu menninnirnir að trúa? Þeir reyndu að spyrja hina og þessa, fengu ólík og stundum óljós svör, og komust loks að þeirri niðurstöðu, að líklega vissi enginn með vissu, hvað rétt klukka væri.
    Þetta vandamál heyrir nú sögunni til. Nú hefur allur almenningur aðgang að klukkum sem ganga svo rétt að þær þarf sjaldan að stilla, eða þá að þær stilla sig sjálfar eftir merkjum sem koma gegnum síma eða útvarp frá fjarlægum tímamerkjastöðvum eða gervitunglum. En fæstir leiða hugann að því hvernig farið er að því að ákvarða réttan tíma. Áður en ég fer út í þá sálma er rétt að velta því fyrir sér hvernig menn fóru að fyrr á tíð þegar engar voru klukkurnar. Í sögu mannkynsins eru klukkur tiltölulega nýleg uppfinning. Menn hafa snemma fundið þörf fyrir að ákvarða tímann með einhverjum hætti þegar þeir vildu mæla sér mót eða skipuleggja framkvæmdir. Menn þurftu að fylgjast með árstíðunum og tíma dags og nætur, og auk þess gat verið þörf á að mæla tímalengdir, óháð því hvað áliðið var dags eða árs.
    Frá fornu fari hafa menn ráðið gang tímans af afstöðu himintunglanna, sólar og tungls. Með því að skrásetja athuganir öfluðu menn sér smám saman nákvæmrar vitneskju um lengd árstíðaársins og lengd tunglmánaðarins. Mörgum öldum fyrir Krists burð höfðu Babyloníumenn í Asíu og Mayar í Ameríku náð ótrúlega mikilli nákvæmni í slíkum reikningum. Þessa vitneskju mátti nota til að spá fyrir um komu árstíðanna og fylgjast með gangi tungls, en hún kom hins vegar að litlu haldi við að leysa það hversdagslega vandamál að finna tíma dags eða nætur.
    Frumstæðasta aðferðin til að finna tíma dags er sú að fylgjast með því hvar sólin er stödd miðað við ákveðin kennileiti á sjóndeildarhringnum. Þessa aðferð notuðu t.d. Íslendingar að fornu og nefndu kennileitin eyktamörk eða dagsmörk. Aðferðin hefur augljósar takmarkanir, og menn fóru því snemma að smíða áhöld til tímamælinga.
   Skipting sólarhringsins í 24 stundir er svo forn að uppruninn er á huldu. Sumir telja að Babyloníumenn hafi fyrstir tekið upp þessa skiptingu, en aðrir að Egyptar hafi átt hugmyndina. Lengi vel var deginum skipt í 12 stundir og nóttinni í 12, en þar sem lengd dags og nætur breytist með árstíðum, urðu stundirnar mislangar.

Sólúr

   Lóðréttur sólstafur er sennilega elsti tímamælirinn. Hann þekktist í Kína a.m.k. 2400 árum f. Kr. Stafurinn varpar skugga á skífu þar sem stundir dagsins eru merktar. Gallinn við þessa aðferð er sá að stefna skuggans er háð árstíðum. Það er til dæmis aðeins á jafndægrum sem sólin er í austri kl. 6 og í vestri kl. 18 að sönnum sóltíma. En með því að halla stafnum svo að hann bendi á pólstjörnuna verður skipting skífunnar jafnari og óháðari árstímum. Besta útkoman fæst með því að halla bæði stafnum og skífunni. Elsta sólúr með hallandi staf, sem fundist hefur, er frá Egyptalandi, frá því um 1300 fyrir Krists burð. Það sólúr var á lóðréttum vegg.
    Elsta "ferðasólúrið" sem varðveist hefur, er líka egypskt. Það er talið vera frá 8. öld f. Kr. og var ætlað til að halda á því í hendi.
    Rétt er að benda á, að maðurinn sjálfur er nokkurs konar færanlegt sólúr. Ef maður mælir lengd eigin skugga getur hann fengið allgóða hugmynd um það hve áliðið er dags. Þessi aðferð var notuð þegar í fornöld, t.d. meðal Rómverja, og hún tíðkaðist langt fram eftir miðöldum, Varðveist hafa töflur sem sýna tíma dags eftir lengd mannsskugga á mismunandi árstímum.
    Vítrúvíus, rómverskur ariktekt, sem uppi var rétt eftir Krists burð, skrifaði mikið ritverk þar sem m.a. var fjallað um ýmsar gerðir sólúra. Í ritinu kvartar Vítrúvíus yfir því að ekki sé mögulegt að finna upp nýja tegund af sólúri því að allar hugsanlegar tegundir hafi þegar verið fundnar upp. Þarna vanmat Vítrúvíus mannlega hugvitssemi. Þróun sólúrsins var engan veginn lokið á hans dögum. Jafnvel nú, tuttugu öldum síðar, hafa margar nýjar gerðir verið hannaðar. Sumar af þessum nýju sólúrum sýna meðaltíma líkt og klukkur, en ekki sannan sóltíma, eins og gömlu sólúrin.
    Þótt sólúr geti verið býsna nákvæm og hugvitsamleg, hafa þau sína vankanta. Jafnvel í svonefndum sólarlöndum kemur það fyrir að ekki sést til sólar fyrir skýjum, og að nóttu til eru sólúrin til lítils gagns. Þá má reyndar ráða tímann af gangi stjarna. Frá tímum Forn-Egypta hafa varðveist stjörnuhæðarmælar, sem notaðir voru í þessum tilgangi. En aðferðin hefur þann ókost, að afstaða stjörnuhiminsins til sólar breytist sífellt eftir árstímum.

Vatnsúr

    Um 1400 f.Kr. höfðu Egyptar fundið upp vatnsúrið. Svipuð áhöld munu þá hafa þekkst í Kína. Fyrstu vatnsúrin voru einfaldlega ker sem vatn rann úr eða í. Merkt var á kvarða hve mikið hafði runnið, þannig að lesa mátti stundirnar beint. Í fyrstu voru vatnsúrin notuð til að mæla lengd tímaskeiða, en ekki til að sýna tíma dagsins. Rómverjar notuðu til dæmis vatnsúr til að ákveða hve lengi sækjandi og verjandi mættu tala við réttarhöld. Fyrst voru taldar könnur vatns, en síðar kom útbúnaður sem sýndi tímann með vísi.
    Vélræn klukka, knúin af vatnsafli, mun hafa verið fundin upp í Kína, einhvern tíma á fyrstu öldunum eftir Krists burð. Þar var um að ræða vatnshjól með röð af skálum sem vatn rann í þar til þunginn knúði hjólið áfram einn rykk í senn. Um aldamótin 1200 voru vatnsúr orðin eftirsótt verslunarvara í Evrópu.

Tímaglös

    Tímaglasið byggist á svipaðri hugmynd og vatnsúrið, en í stað vatns er annað efni, venjulega sandur, látið renna milli íláta. Frá 13. öld eru heimildir um tímaglös í Evrópu. Óhætt mun að fullyrða að einhvers konar sandklukkur hafi verið fundnar upp snemma í sögu mannkynsins þótt heimildir skorti um þær. Þær komu m.a. að gagni í sjóferðum þegar þurfti að mæla hraða skipa og deila vöktum. Í frásögnum af ferð Ferdinands Magellan suður fyrir Ameríku um 1520 er getið um tímaglös. Í sumum tímaglösum var kvikasilfur notað í stað sands.

Tímakerti

     Á miðöldum voru kerti notuð til að mæla tímann, og kepptu þá við tímaglösin. Strik voru merkt á kertin, og mátti ráða tímann af því, hve mikið var brunnið af kertinu.

Klukkuverk

    Forn-Grikkir smíðuðu ýmis flókin klukkuverk sem lítið er vitað um, þótt frásagnir um sum þeirra hafi varðveist og brot úr öðrum hafi fundist.
    Fyrstu vélrænu klukkurnar, knúðar með lóðum, voru fundnar upp í Evrópu seint á 13. öld. Slíkri klukku er fyrst lýst í ritum Dantes snemma á 14. öld, en hann talar um hana sem alþekktan hlut. Klukkan sem Dante lýsti, hafði það eina hlutverk að gefa merki til bænahalds. Á fyrstu klukkunum var það skífan sem snerist, en vísirinn stóð kyrr.
    Á 15. öld fara menn að hafa klukkur í heimahúsum. Fljótlega fundu menn upp á því að nota fjöður í stað lóða til að knýja gangverkið.Á þessum tíma höfðu klukkur aðeins einn vísi, sem sýndi stundirnar, enda var nákvæmnin ekki meiri svo að skakkað gat klukkustund á sólarhring. Á stórum turnklukkum mátti vænta skekkju sem nam fjórðungi stundar eftir sólarhringinn. Í fyrstu sýndu klukkurnar stundir frá 1 upp í 24, en þegar kom fram á 16. öld urðu 12 tíma skífur, eins og þær sem nú tíðkast, vinsælli. Þá var líka farið að smíða vasaúr.
    Þegar Galíleó var að gera sínar frægu tilraunir í eðlisfræði, seint á 16. öld, var ekki til nein klukka, sem hann gæti notað til að mæla stutt tímaskeið með nægilegri nákvæmni. Galíleó notaði því vatnsílát með mjóu opi sem hann tók fingurinn frá, rétt á meðan hann gerði hverja tilraun. Með því að vega nákvæmlega vatnið sem runnið hafði út um gatið, gat hann borið saman mismunandi tímalengdir.
    Á 16. öldinni koma fram klukkur með mínútuvísi. Mínútuvísar verða þó ekki algengir fyrr en á 17. öld þegar pendúlklukkur koma til sögunnar. Það var árið 1656 sem Hollendingurinn Huygens fann upp pendúlklukkuna. Það var fyrsta vélræna klukkan sem var nákvæmari en hin fornu vatnsúr. Pendúlklukkurnar ollu byltingu í tímamælingum; gang þeirra mátti stilla svo að ekki skeikaði meira en 10 sekúndum á dag. Þegar fram liðu stundir tókst að auka nákvæmnina enn frekar. En pendúlklukkurnar höfðu þann ókost að það var ekki hægt að nota þær í ruggandi skipi. En á skipsfjöl var einmitt brýn þörf fyrir góða klukku til þess að unnt væri að reikna út með hliðsjón af himintunglum hvar skipið væri statt. Landfræðileg breidd var ekki vandamál. Hana gátu menn fundið með athugunum á hæð sólar eða stjarna. En til þess að finna landfræðilega lengd þurftu menn klukku sem sýndi tímann á viðmiðunarstað, t.d. Greenwich. Sóltímann þar sem skipið var statt gátu menn mælt. Mismunurinn á þeim tíma og tímanum sem klukkan sýndi, gaf þá lengdarmun staðanna.
     Árið 1714 hét enska stjórnin 20 þúsund sterlingspunda verðlaunum hverjum þeim sem gæti smíðað klukku, sem þyldi sjóferðir og nota mætti til að staðsetja skip með 30 sjómílna nákvæmni á löngum sjóferðum. Svo að dæmi sé tekið, á ferð frá Englandi til Vestur-Indía mátti klukkan ekki seinka sér eða flýta um meira en tvær mínútur. Hálfri öld síðar tókst úrsmiðnum John Harrison að smíða fyrstu klukkuna sem uppfyllti þessi skilyrði og vel það. Úr Harrisons, krónómetrinn eða sæúrið, gekk svo rétt, að ekki skakkaði sekúndu á dag í margra mánaða sjóferðum.
    Fyrstu vasaúrin voru smíðuð á 16. öld. Fyrstu armbandsúrin komu fram um 1800. Eiginkona Napóleons, Jósefína, var ein af þeim fyrstu sem átti slíkt úr. En það var ekki fyrr en um 1910 að armbandsúrin urðu vinsælli en vasaúrin.
    Á 20. öld voru bestu pendúlklukkur orðnar svo gangvissar að skekkjan var komin niður í 2-3 sekúndur á ári. En þá komu rafeindaklukkur til sögunnar og leystu pendúlklukkurnar af hólmi. Áður en við skiljum við vélrænu klukkurnar er rétt að geta þess að sumar þeirra voru hannaðar af mikilli snilld og gerðu meira en að sýna dag og stund. Frægt dæmi um það er klukka sem kennd er við úrsmiðinn Jens Olsen og stendur í ráðhúsinu í Kaupmannahöfn. Klukka þessi sýnir m.a. stöðu reikistjarna á hverjum tíma, sólarupprás og sólarlag og bæði tunglmyrkva og sólmyrkva. Undirbúningur að smíði klukkunar tók meira en 15 ár og smíðin sjálf tók 12 ár. Klukka þessi var gangsett að viðstöddum Danakonungi árið 1955. Hún er drifin af lóðum sem þarf að draga upp einu sinni í viku. Ein af fjölmörgum skífum þessarar klukku sýnir möndulveltu jarðar og á sú skífa að snúast einn hring á 26 þúsund árum. Sagt er klukka Jens Olsens sé nákvæmasta vélræna klukkan sem smíðuð hefur verið, en uppgefnar tölur um nákvæmni hennar eru svo ævintýralegar að ég hika við að hafa þær eftir. Klukkusmiðirnir fullyrtu nefnilega að skekkjan ætti ekki að vera meiri en 0,4 sekúndur á 300 árum, en það samsvarar einni sekúndu á 750 árum. Þegar klukkan hafði gengið í 40 ár, tók sænskur ferðamaður eftir því að ein skífan sýndi ranga niðurstöðu. Við athugun kom í ljós að allt klukkuverkið þurfti endurnýjunar við. Sú endurnýjun tók hálft annað ár, frá 1995-1997. Menn kenndu því um, að á styrjaldarárunum, þegar unnið var að smíði klukkunnar, hefði ekki verið hægt að fá nægilega góðan málm í smíðina, og auk þess hefði loftmengun komist að verkinu. En þótt menn hafi sjálfsagt ofmetið nákvæmni þessa merkilega klukkuverks, fer ekki á milli mála að það er völundarsmíð. Þeir sem eiga leið til Kaupmannahafnar ættu að gera sér ferð í ráðhúsið til að sjá þennan merkisgrip.

Rafeindaklukkur

    En nú víkur sögunni aftur að nútímalegri klukkuverkum. Fyrsta kristalsklukkan kom hingað til lands árið 1954. Bandarískir vísindamenn höfðu slíkan grip með sér og settu upp í tjaldi í Landeyjum til að fylgjast með almyrkva á sólu hinn 30. júní það ár. Tilgangurinn var að nota tímasetningar á myrkvanum til að ákvarða fjarlægðina frá Íslandi til meginlandanna. Í kristalsklukku er kvarskristall örvaður með rafsveiflum til að titra. Titringnum fylgja rafhrif, sem unnt er að magna þannig að þau stjórni klukku. Fyrsta klukkan af þessari gerð var smíðuð af starfsmönnum Bell símafélagsins í Bandaríkjunum árið 1927. Kristalsklukkur má gera svo nákvæmar, að ekki skakki sekúndu á ári, en þá þarf m.a. að sjá til þess að hitastig klukkuverksins haggist ekki. Þetta voru fyrstu klukkurnar sem tóku sjálfri jörðinni fram sem tímamælir. Í alfræðibókinni Encyclopedia Britannica frá árinu 1959 er rætt um kristalsklukkur og sagt, að þær séu svo sérhæfð tæki, að engar líkur séu til þess að þær verði nokkru sinni til heimilisnota. Reyndin varð þó önnur eins og allir vita. Um 1960 komu fram rafeindaklukkur sem byggðust á sveiflum í lítilli tónkvísl (Bulova Accutron, 1960). Úr sem gengu fyrir kvarskristal, oftast ölluð kvarsúr, komu svo fram árið 1969. Þau fyrstu voru með ljóstvistum (ljósdíóðum), en þeir voru mjög frekir á rafmagn svo að skuggastafir (fljótandi kristallar) ruddu þeim brátt úr vegi. Nú eru á markaði ótal gerðir af kvarsúrum, bæði stafræn úr og úr með vísum.
    Fyrsta atómklukkan var smíðuð árið 1949 í staðlastofnun Bandaríkjanna, National Bureau of Standards. Atómklukkur byggjast á sveiflum milli orkustiga í sameindum eða frumeindum. Fyrsta klukkan studdist við sveiflur niturfrumeindar í ammoníakssameind og var því nefnd ammoníakklukka. Ammoníakklukkan gekk svo rétt að ekki skakkaði meira en sekúndu á 10 árum.
    Fyrsta klukkan sem byggðist á sveiflum í frumeind var sesínklukkan, sem breski eðlisfræðingurinn Louis Essen fann upp árið 1955. Sesínklukkur munu einna algengastar af atómklukkum nú.  Þær stýrast af pólveltu rafeindar í sesínfrumeind. Fyrsta sesínklukkan gekk svo rétt að ekki skakkaði sekúndu á 300 árum, en þróunin hefur verið svo ör að segja má að nákvæmnin hafi tífaldast á hverjum áratug sem liðinn er. Nýjustu sesínklukkurnar sem notaðar eru til að stjórna tímamerkjum í heiminum  ganga svo jafnt að ekki skakkar sekúndu á 100 milljón árum.  Þetta eru stór tæki og ekki til flutninga. Í tilraunastofum hafa verið smíðaðar enn nákvæmari sveiflugjafar.  Minni atómklukkur hafa verið framleiddar, að vísu ekki svona nákvæmar,  bæði sesínklukkur og svonefndar rúbidín klukkur sem stjórnast af sveiflum í rúbidín frumeindum. Klukkur af báðum þessum gerðum eru um borð í GPS gervitunglunum eins og síðar verður vikið að.
     Í nútímavísindum og tækni er þörf fyrir ótrúlega nákvæmar tímamælingar. Ekki er óalgengt að mælt sé í milljónustu hlutum úr sekúndu, og stundum þarf jafnvel að mæla í nanósekúndum. Ein nanósekúnda er þúsund-milljónasti hluti úr sekúndu. Til eru ratsjártæki þar sem aflestrargildi eru í nanósekúndum. Merki sem notuð eru til að staðsetja skip og flugvélar þurfa að vera afar nákvæm og stjórnast því af atómklukkum.
    Nú hugsar kannski einhver sem svo, að þetta skipti almenning litlu máli; í daglegu lífi sé aldrei þörf fyrir svona mikla nákvæmni. Menn þurfi í hæsta lagi að mæla upp á 1/100 úr sekúndu í íþróttakappleikjum. En það er mesti misskilningur. Leiðsögutækin sem almenningur er farinn að nota til að rata um götur og vegi stjórnast af merkjum frá gervitunglum. Í GPS kerfinu, sem flestir kannast við, eru um 30 gervitungl sem ganga um jörðina í 20 þúsund kílómetra hæð. Til að fá nákvæma staðsetningu á jörðu niðri þarf leiðsögutækið að greina merki frá a.m.k. fjórum þessara tungla. Fjarlægð tunglanna á hverju augnabliki segir til um það hvar athugandinn er staddur. Í merkjunum eru upplýsingar um það hvenær merkið var sent og hvar gervitunglið var statt á braut sinni.. Venjulegt leiðsögutæki til almenningsnota sýnir athugandanum hvar hann er staddur svo að ekki skakkar nema fáum metrum. Með sérútbúnaði er hægt að auka þessa nákvæmni verulega. Þetta er í sjálfu sé undravert þegar þess er gætt að GPS tunglin þjóta áfram hraðar en byssukúla og fara um það bil 4 kílómetra á hverri sekúndu. Til þess að vita hvar þau eru stödd á hverju augnabliki þarf mjög nákvæmar klukkur. Um borð í hverju GPS tungli eru atómklukkur sem ganga svo rétt að ekki skakkar meiru en einum 70 milljónasta úr sekúndu. Klukkurnar eru stilltar við og við með samanburði við nákvæmustu klukkur á jörðu niðri.
    Þegar mælinákvæmnin er komin á þetta stig þarf að taka tillit til þess að tíminn er afstæður og háður hraða. Samkvæmt afstæðiskenningu Einsteins (nánar tiltekið takmörkuðu afstæðiskenningunni) gengur klukka sem er á ferð hægar en klukka sem er í kyrrstöðu. Með öðrum orðum, tíminn líður hægar hjá þeim sem er að ferðast en hjá þeim sem heima situr, og ef ferðalangurinn snýr aftur hefur hann elst minna en sá sem heima sat. Þetta hefur orðið mönnum efni í vísindaskáldsögur. Munurinn er ekki mælanlegur undir venjulegum kringumstæðum, en menn hafa sannreynt þetta með því að fljúga með atómklukkur í flugvél umhverfis jörðina og bera þær svo saman við aðrar atómklukkur þegar heim var komið. Tíminn er líka háður þyngdarsviði og líður hraðar hátt frá jörðu en við yfirborð jarðar. Þótt munurinn sé örlítill kom hann líka fram í þessum flugferðum. Í GPS staðsetningarkerfinu er gangur klukknanna í gervitunglunum stilltur til að leiðrétta fyrir áhrifum þyngdaraflsins á gang tímans. Ekki má gleyma því að taka tillit til þess hve lengi merkin eru að berast frá gervitungli til leiðsögutækis. Þótt merkin fari með ljóshraða er þessi tími umtalsverður. Jafnvel þegar gervitunglið er næst athugandanum, þ.e.a.s. beint yfir honum í 20 þúsund kílómetra hæð, er tímatöfin 1/15 úr sekúndu.
    Eins og fyrr er sagt er framrás tímans á hverjum stað háð þyngdarsviði staðarins. Þessu er lýst í hinni almennu afstæðiskenningu Einsteins. Sé þyngdarsviðið nógu sterkt, eins og í  svonefndum svartholum, getur framrás tímans nánast stöðvast.

Áhrif tækniframfara á tímareikning
 
    Gríski stjörnufræðingurinn Hipparkos, á 2. öld f.Kr., virðist fyrstur hafa tekið upp þá reglu að reikna í 24 jöfnum stundum frá miðnætti til miðnættis. Þetta var reikniaðferð sem hentaði stjörnufræðingum en náði ekki útbreiðslu meðal almennings. Almenningur kaus heldur að skipta deginum í 12 stundir og nóttinni í 12, þótt stundirnar yrðu mislangar eftir árstímum. Notkun 24 jafnra stunda kemst ekki á í Evrópu fyrr en á 15. öld, og þá eingöngu vegna þess að hinar nýju vélrænu klukkur neyddu menn til þess.
    Eftir að pendúlklukkan var fundin upp, kom upp nýtt vandamál. Fyrir þann tíma höfðu menn einfaldlega stillt klukkur eftir gangi sólar. Þegar sólin var í hásuðri á einhverjum stað áttu réttar klukkur á þeim stað að sýna 12. Klukkurnar sýndu því það sem kallað er sannur sóltími. En þegar pendúlklukkunum fjölgaði og þær urðu nákvæmari, urðu menn áþreifanlega varir við það, sem fræðimenn höfðu reyndar vitað, að sólarhringarnir eru örlítið mislangir. Munurinn getur numið allt að því mínútu frá einum árstíma til annars, og á nokkrum dögum safnast mínúturnar saman og skekkjan verður greinileg. Sveiflan er árstíðabundin og stafar af halla jarðmöndulsins og fráviki jarðbrautarinnar frá hringlögun. Til þess að góð klukka fylgi sönnum sóltíma þarf sífellt að vera að stilla hana. Á endanum fór svo að menn gáfust upp á þessu og ákváðu að stilla klukkurnar eftir meðalgangi sólar. Þarna hafði tæknin aftur tekið af mönnum ráðin ef svo mætti segja. Þetta þýddi að menn sættu sig við það að sólin væri ekki alltaf nákvæmlega í suðri klukkan 12. Munurinn er mestur í nóvember og febrúar, en þá er sólin stundarfjórðungi á undan eða eftir áætlun miðað við klukkuna.
    Meðalsóltími mun fyrst hafa verið tekinn upp í Genf árið 1780. Þótt menn tækju upp meðalsóltíma, var haldið áfram að stilla klukkur eftir meðalsóltímanum á hverjum stað. Þannig munaði t.d. stundarfjórðungi á Reykjavíkurtíma og Akureyrartíma. Meðan samgöngur voru takmarkaðar, skipti þetta ekki máli, en aukin tækni og hraði í samgöngum fóru fljótlega að valda erfiðleikum. Einkum voru það járnbrautarfélögin sem þurftu á samræmdum tíma að halda. Árið 1833 voru í gildi einir 50 mismunandi járnbrautatímar í Bandaríkjunum, og menn ræddu um nauðsyn þess að taka upp samræmdan tíma á stórum landssvæðum. Uppfinning ritsímans um miðja 19. öld gerði mönnum kleift að samræma klukkur á fjarlægum stöðum. Í Englandi var ákveðið að meðalsóltími Greenwich skyldi gilda fyrir landið allt. Greenwich var valin vegna þess að þar var heimsþekkt stjörnustöð sem hafði haft ákvörðun tímans að meginverkefni í tvær aldir. Önnur lönd miðuðu gjarna við meðalsóltíma í eigin stjörnustöðvum eða höfuðborgum, svo að tímamunur milli landa nam sjaldnast heilum stundum. Þetta gat vissulega verið óþægilegt fyrir þá sem þurftu að ferðast langar vegalengdir til austurs eða vesturs.
    Það voru járnbrautarfélögin í Bandaríkjunum sem leystu þetta vandamál. Á fundi sem haldinn var árið 1883, var gerð tillaga um að Bandaríkjunum skyldi skipt upp í tímabelti frá austri til vesturs, þannig að tímamismunurinn frá einu belti til hins næsta yrði nákvæmlega ein klukkustund. Tíminn í vestasta beltinu, þar sem Kalifornía er, skyldi vera 8 tímum á eftir meðalsóltíma í Greenwich. Tillagan var samþykkt og kom fljótlega til framkvæmda. Á næstu árum náði þessi regla útbreiðslu í öðrum löndum. Á Íslandi voru lög um sameiginlegan tímareikning sett árið 1907, en fram til þess tíma hafði verið miðað við sóltímann á hverjum stað. Ákveðið var að hinn sameiginlegi tími, sem nefndur var íslenskur meðaltími eða íslenskur miðtími, skyldi vera einni stund á eftir meðaltíma Greenwich. Árið 1968 var þessu breytt og miðtími Greenwich lögleiddur í staðinn.
    Það var engin tilviljun að lögin um tímareikning á Íslandi voru sett árið eftir að símasamband við útlönd komst á, því að þá var unnt var að fá upplýsingar símleiðis til að stilla klukkur hér á landi. En hvernig fóru Íslendingar að fyrir daga símans? Sjálfsagt hefur verið allur gangur á því og nákvæmnin í tímareikningi misjafnlega mikil. Um aldamótin 1900 var það skólastjóri Stýrimannaskólans í Reykjavík, Magnús Bjarnason, sem ákvarðaði tímann með sólarathugunum. Gaf hann svo tímamerki klukkan 12 á hádegi með því að láta kúlu falla niður úr fánastöng. Magnús hafði samvinnu um þetta við nafna sinn Benjamínsson úrsmið sem stillti leiðarklukkur skipa og hafði umsjón með dómkirkjuklukkunni í Reykjavík.
    Rétt er að undirstrika, að með því að taka upp sameiginlega stillingu klukkunnar á stóru svæði, voru menn að fjarlægjast enn meir þá grundvallarhugmynd, að klukkan skyldi vera 12 þegar sólin væri hæst á lofti. Hér eftir heyrði það til undantekninga að hádegið væri klukkan 12. Eftir að lögin um tímareikning tóku gildi 1907 gat það aldrei gerst í Reykjavík, og eftir breytinguna 1968 gerist það ekki neins staðar á landinu. Í Reykjavík er hádegi nú að meðaltali klukkan 13:28, en getur verið allt frá kl. 13:11 (í nóvember) til kl. 13:42 (í febrúar).
    En það er eitt að segja það, að klukkur skuli stilltar eftir meðalsóltíma, og annað að fylgja því eftir. Meðalsólin sést ekki á himninum. Hvernig á þá að finna meðalsóltímann? Í fyrstu töldu menn sig hafa einfalt svar við þessu: Með því að safna mælingum á gangi sólar er hægt að reikna út hvar meðalsólin sé miðað við stjörnurnar á hverjum tíma.Eftir það nægir að fylgjast með gangi stjarna, því að þá er hægt að reikna út hvað meðalsólinni líður.
    En brátt kom babb í bátinn. Sjálf meðalhreyfing sólar reyndist ekki stöðug. Þetta kann að hljóma undarlega, en ástæðan er sú, að lengd ársins, það er umferðartími jarðar um sólu, er smám saman að breytast. Í stað þess að fylgja hinni raunverulegu meðalsól var því brugðið á það ráð að fylgja svokallaðri ímyndaðri meðalsól, sem færi alltaf með jöfnum hraða.
    Þegar klukkur eru stilltar eftir stjörnuathugunum er í rauninni verið að stilla þær eftir snúningi jarðar um möndul sinn. Allt fram á 20. öld litu flestir svo á að snúningur jarðar miðað við fastastjörnurnar væri alltaf samur og jafn, þótt einstaka vísindamaður setti að vísu fram hugmyndir um hið gagnstæða. Þannig komst enski stjörnufræðingurinn Flamsteed svo að orði í bréfi til kunningja síns árið 1675 að hugsanlegt væri að snúningur jarðar breyttist eitthvað eftir árstíma. En engin klukka var svo nákvæm, hvorki þá né lengi síðar, að unnt væri að kanna þessa tilgátu, og jörðin hélt áfram að vera sú móðurklukka sem allar aðrar klukkur voru stilltar eftir. Þegar nægilega nákvæmar klukkur komu til sögunnar varð mönnum ljóst að snúningstími jarðar er ekki jafn. Með öðrum orðum, stjörnutíminn, sem notaður var til að reikna út meðalsóltímann, leið ekki alls kostar jafnt. Hér komu mörg atriði til, áhrif tunglsins á snúning jarðar, árstíðabundnar breytingar vegna vinda og veðurs, hægfara hringsól á jarðmöndlinum miðað við yfirborð jarðar og óreglulegar breytingar vegna hreyfinga í iðrum jarðar. Ýmist eru þetta smávægilegar eða mjög hægfara breytingar, en þær eru mælanlegar, og vegna þess hve kröfurnar um nákvæmni eru orðnar miklar, er ekki unnt að leiða þær hjá sér.
    Menn hafa brugðist við þessu á þann hátt að taka upp tvenns konar tímareikning. Í fyrsta lagi svonefndan atómtíma sem ræðst af gangi atómklukkna og er óháður sveiflum í snúningi jarðar. Hins vegar þann tíma, sem almennar klukkur miðast við. Sá tími nefnist (samræmdur) heimstími og fæst með því að draga nægilegan sekúndufjölda frá atómtímanum svo að samræmi fáist við meðalgang sólar. Heimstíminn er sá tími sem klukkur eru stilltar eftir á Íslandi og samsvarar hér um bil miðtíma Greenwich. Leiðréttingar á heimstímanum til að samræma hann snúningi jarðar eru gerðar með því að skjóta inn aukasekúndum á miðju ári eða í árslok. Síðasta breyting af þessu tagi var gerð um mitt ár 2012. Þá var 30. júní hafður einni sekúndu lengri en venjulega. Sem stendur er heimstíminn 35 sekúndum á eftir atómtíma. Þar sem jörðin er smám saman að hægja á snúningi sínum vegna flóðhrifa tunglsins hefur oft þurft að skjóta inn aukasekúndum (nánar tiltekið 25 sinnum á síðustu 40 árum), en aldrei hefur þurft að fella sekúndu niður. Næst verður skotið inn aukasekúndu í lok júní á þessu ári (2015). Þá verður heimstíminn 36 sekúndum á eftir atómtíma.  Leiðréttingunum er ætlað að tryggja það að heimstíminn víki aldrei meira en 0,9 sekúndur frá miðtíma Greenwich. Sú stofnun sem fylgist með þessu heitir því langa nafni "Alþjóðaþjónusta jarðsnúnings- og viðmiðunarkerfa" (International Earth Rotation and Reference Systems Service) og skiptist í deildir í Bandaríkjunum, Evrópu og Ástralíu. Upplýsingar um gang atómklukkna í ýmsum löndum eru sendar til "Alþjóðastofnunar um mál og vog" í París, sem samræmir gögnin og ákvarðar atómtímann.
  

Nútímaaðferðir til að fylgjast með tímanum

    Fjölmargar stjörnuathugunarstöðvar víða um heim taka þátt í því verkefni að fylgjast með snúningi jarðar, Gögnum er safnað saman til úrvinnslu í tveimur aðalstöðvum: Alþjóðlegu tímastofnunninni í París og Alþjóðlegu pólhreyfingastofnuninni í Mizusawa í Japan. Nafn hinnar síðarnefndu gefur til kynna að ákvörðun tímans tvinnast saman við annað verkefni, þ.e. að fylgjast með færslu á heimskautum jarðar. Athuganir hafa sýnt að heimskautin færast til miðað við yfirborð jarðar. Í megindráttum er hreyfingin hringsól innan svæðis sem er 15 metrar í þvermál, og fer heimskautið einn hring um meðalstöðuna á rúmu ári. Þessi hreyfing veldur því að lengd og breidd allra staða á jörðinni er stöðugt að rokka til og frá, lítið að vísu, en þó svo að máli skiptir við nákvæmar mælingar. Ef hnattstaða einhvers staðar breytist, verður um leið breyting á afstöðu stjarnanna frá staðnum séð. Ef gerð er mæling á afstöðu stjarna í þeim tilgangi að finna hvað tímanum líður, verður niðurstaðan örlítið háð því hvar heimskautin eru stödd á róli sínu þá stundina. Með ítrekuðum mælingum frá mörgum stöðum má greina sundur og finna hvort tveggja, tímann og hreyfingu heimskautanna.
    Á síðari árum hefur verið tekin í notkun ný aðferð til tímaákvarðana. Aðferðin er í því fólgin að sterkur leysigeisli er sendur út í geiminn og hann látinn endurvarpast frá gervitungli á braut um jörðu. Með því að mæla tímann sem það tekur geislann að endurvarpast, fæst fjarlægð gervitunglsins með ótrúlegri nákvæmni. Unnt er að gera allt að þúsund mælingar í hvert sinn sem gervitunglið fer yfir, hvort sem er á nóttu eða degi. Braut gervitunglsins er að sjálfsögðu þekkt með nokkurri vissu, en með endurteknum leysigeislamælingum má gera hvort tveggja í senn, ákvarða brautina enn betur og ákvarða óreglur í snúningi jarðar, þ.e.a.s. breytingar á heimstímanum. Gervitungl henta vel í þessu skyni, en menn hafa líka notað gamla góða mánann og látið leysigeisla endurvarpast af speglum sem á sínum tíma var komið fyrir á yfirborði mánans. Fleiri aðferðir hafa verið þróaðar sem taka hefðbundnum stjörnuathugunum fram, en hér er ekki rúm til að lýsa þeim.
    Þegar heimstíminn er leiðréttur með því að skjóta inn aukasekúndum veldur það ýmiss konar vandræðum í tölvukerfum opg staðsetningarkerfum. Því hefur oft verið rætt um það hvort hætta skuli þessum leiðréttingum og styðjast við atómtímann einvörðungu. Það myndi þýða að klukkur færu ekki lengur eftir afstöðu jarðar til stjörnuhiminsins eða sólar. Við það kæmu upp nýir erfiðleikar, t.d.  við stjörnufræðilegar mælingar og staðsetningu gervitungla. Niðurstaða í þessu máli er því óviss.
    Sérstakar útvarpsstöðvar (tímamerkjastöðvar) hafa lengi verið notaðar til að koma tímamerkjum til notenda. Þekktustu stöðvarnar eru WWV (í Fort Collins, Colorado) sem er á vegum Bandarísku staðla- og tæknistofnunarinnar, MSF (í Rugby, Kumbaralandi) sem Breska staðlastofnunin rekur og DCF77 (í Mainflingen, nálægt Frankfurt) sem er í umsjá Eðlistæknistofnunar Þýskalands.  Sum úr og klukkur ná útvarpsmerkjum frá þessum stöðvum og stilla sig eftir þeim. Merki eru einnig send frá GPS staðsetningartunglunum, en sérhæfð loftnet þarf til að ná þeim. Loks eru merki send um símalínur með háþróuðu samskiptakerfi sem þekkt er undir skammstöfuninni NTP (Network Time Protocol). Þetta kerfi leitast við að leiðrétta fyrir þeim töfum sem verða frá sendingu til móttöku merkjanna, en töfin er breytileg eftir því hvaða leið merkin fara. Snjallsímar stilla sig að jafnaði eftir þessu kerfi, svo og símaklukkan (nú 155, áður 04). Ekki er hægt að útiloka smávægilegar tímaskekkjur í slíkum boðum, en að jafnaði eru þær innan við tíunda hluta úr sekúndu.

  
Myndir

Einfalt sólúr þar sem vegfarandi gegnir hlutverki sólstafs

Egypsk súla (obelisk), skuggastika og vatnsker frá því um 1400 f. Kr. Súlan var notuð sem stafur í sólúri og tíminn markaður í kring Skuggastikunni var snúið þannig að þverstöngin sneri frá norðri til suðurs og tíminn réðst af skuggalengdinni. Á hádegi þurfti að snúa stikunni lárétt í hálfhring til að skugginn félli á hana síðari hluta dagsins Með vatnskerum var tíminn mældur ýmist með því að láta vatn drjúpa í kerið eða úr því (gegnum gat)

Rómverskt sólúr með   láréttum staf

;

Tímakerti. Merkin sýna hve mikið er brunnið af kertinu og þar með hvað tímanum líður

Tímaþráður. Þráðurinn brennur hægt, og af  fjölda hnútanna má ráða hvað tímanum líður

Tímaglas (sandklukka)
 

Nútíma sólúr með hallandi staf

Önnur mynd af nútíma sólúri

Sólúr til skrauts í garði í Tallinn í Eistlandi

Sólúr með sveigðum staf, hannað til að sýna meðalsóltíma

Klukka Jens Olsens í ráðhúsi Kaupmannahafnar (framhlið)




Klukka Jens Olsens (bakhlið)

 

Önnur mynd af fyrstu sesínklukkunni



Sesínklukkur í Eðlistæknistofnun Þýskalands
 (Physikalisch-Technische Bundesanstalt)



Sesínklukka í Staðla- og tæknistofnun Bandaríkjanna
(National Institute of Standards and Technology)
 

Minnsta gerð af atómklukku
 

Nýjasta gerð af sesínklukku í Staðla- og tæknistofnun Bandaríkjanna. Smíði þessarar klukku lauk í apríl 2014. Hún er þrefalt nákvæmari en þær sesínklukkur sem fyrir voru

Ytterbín klukka. Tilraunaverkefni bandarískra vísindamanna, tífalt nákvæmari en bestu sesínklukkur

 

Strontínklukka. Í ársbyrjun 2014 tilkynntu vísindamenn að tekist hefði að smíða nákvæmari klukku en nokkru sinni fyrr, klukku sem ekki myndi skekkjast um sekúndu á milljörðum ára. Myndin sýnir kjarna klukkunnar sem stýrist af sveiflum í strontínfrumeindum.     Allt frá árinu 1967 hefur  lengd sekúndunnar í hinu alþjóðlega einingakerfi (SI) verið skilgreind sem tiltekinn fjöldi sveiflutíma í sesínfrumeind. Ekki er ólíklegt að skilgreiningunni verði breytt með hliðsjón af þróunninni í klukkusmíði.

Myndaheimildir

    Flestar myndanna eru fengnar af Veraldarvefnum, en nokkrar úr bókinni Clocks and Watches eftir Kenneth Ullyett (Hamlyn, 1971).

Síðast breytt 25. 7. 2023