ตลอดประวัติศาสตร์ วิธีการและความสำคัญของการบอกเวลาได้พัฒนาไปอย่างมาก สะท้อนให้เห็นถึงความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของสังคมมนุษย์ ในวัฒนธรรมเกษตรกรรมยุคแรก การแบ่งเวลาเป็นเรื่องง่ายๆ เช่น กลางวันและกลางคืน โดยกำหนดจากแสงแดด วิธีการพื้นฐานนี้เพียงพอจนกระทั่งมีการประดิษฐ์นาฬิกาแดดขึ้นราว 1500 ปีก่อนคริสตกาล ซึ่งทำให้อารยธรรมโบราณอย่างกรีกและโรมันสามารถแบ่งวันออกเป็นช่วงเวลาที่จัดการได้ง่ายขึ้นเรียกว่าชั่วโมง อย่างไรก็ตาม การพึ่งพาแสงแดดของนาฬิกาแดดนำไปสู่ข้อจำกัด จึงกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น นาฬิกาน้ำราว 1000 ปีก่อนคริสตกาล แม้ว่านาฬิกาน้ำจะมีความแม่นยำมากขึ้น แต่ก็มีข้อบกพร่องเช่นกัน รวมถึงปัญหาเรื่องแรงดันน้ำและการอุดตัน การนำนาฬิกาทรายมาใช้ในศตวรรษที่ 8 หลังคริสตกาลได้ให้ทางเลือกที่เชื่อถือได้มากกว่า แม้ว่าจะยังไม่เหมาะสำหรับการบอกเวลาในระยะยาวก็ตาม จนกระทั่งช่วงปี 1300 พระสงฆ์ชาวยุโรปซึ่งมีความต้องการที่จะกำหนดตารางเวลาการสวดมนต์ที่แม่นยำ ได้ประดิษฐ์นาฬิกาเชิงกลขึ้นเป็นครั้งแรก นาฬิกาในยุคแรกๆ เหล่านี้ ขับเคลื่อนด้วยตุ้มน้ำหนักและควบคุมด้วยกลไกการปล่อย ซึ่งนับว่าเป็นนวัตกรรมที่สำคัญ แต่ยังขาดความแม่นยำและความสะดวกในการพกพาที่จำเป็นสำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลาย การค้นพบหลักการของลูกตุ้มโดยกาลิเลโอ กาลิเลอี ในปี 1583 ถือเป็นก้าวสำคัญในด้านความแม่นยำ ทำให้สามารถวัดเวลาได้ภายในไม่กี่วินาทีต่อวัน อย่างไรก็ตาม ความท้าทายในเรื่องการพกพายังคงไม่ได้รับการแก้ไขจนกระทั่งมีการประดิษฐ์กลไกสปริง ซึ่งในที่สุดก็นำไปสู่การสร้างนาฬิกาพก นวัตกรรมนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการบอกเวลาแบบพกพาอย่างแท้จริง ปฏิวัติวิธีการที่ผู้คนมีปฏิสัมพันธ์และเข้าใจเวลา.
ตลอดช่วงเวลาส่วนใหญ่ของประวัติศาสตร์มนุษย์ การบอกเวลาอย่างแม่นยำนั้นไม่ใช่เรื่องสำคัญมากนัก นอกเหนือจากข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อหลายพันปีก่อนไม่มีวิธีใดที่จะบอกเวลาได้อย่างแม่นยำแล้ว ก็ไม่มีความจำเป็นที่จะต้องทำเช่นนั้นด้วย วัฒนธรรมยุคแรกๆ ที่พึ่งพาการเกษตรจะทำงานตราบเท่าที่ดวงอาทิตย์ยังส่องแสงและหยุดเมื่อมืดลง มีเพียงเมื่อมนุษยชาติเริ่มเปลี่ยนแปลงจากสังคมเกษตรกรรมอย่างเดียวเท่านั้นที่ผู้คนเริ่มมองหาวิธีการบอกเวลาอย่างแม่นยำกว่าการแบ่งแต่ละวันออกเป็น "กลางวัน" และ "กลางคืน"
อุปกรณ์ที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ทราบในการแบ่งวันออกเป็นช่วงเวลาเล็กๆ คือ นาฬิกาแดด ซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นอย่างน้อยที่สุดก่อนคริสต์ศักราช เมื่อสังเกตเห็นว่าเงาที่วัตถุทอดลงมานั้นเปลี่ยนความยาวและทิศทางไปตามช่วงเวลาของวัน บุคคลผู้ชาญฉลาดคนหนึ่งซึ่งชื่อของเขาจะสูญหายไปในประวัติศาสตร์ ได้ตระหนักว่าเราสามารถปักไม้ตั้งตรงลงบนพื้นดิน และโดยการทำเครื่องหมายตำแหน่งที่เงาตกกระทบ ก็สามารถแบ่งช่วงเวลากลางวันออกเป็นช่วงเวลาย่อยๆ ได้ ช่วงเวลาเหล่านี้ในที่สุดก็ถูกเรียกว่า "ชั่วโมง" โดยแต่ละชั่วโมงเท่ากับ 1/12 ของเวลาที่ดวงอาทิตย์ส่องแสงในแต่ละวัน นาฬิกาแดดเป็นความคิดที่ยอดเยี่ยมที่ช่วยให้การพัฒนาอารยธรรมกรีกและโรมันโบราณเป็นไปอย่างเป็นระเบียบ ข้อดีอย่างหนึ่งของนาฬิกาแดดคือมันพกพาสะดวก อย่างไรก็ตาม มันก็มีข้อบกพร่องพื้นฐานอยู่บ้าง ประการแรกและสำคัญที่สุด มันใช้งานได้เฉพาะเมื่อมีดวงอาทิตย์ส่องแสงเท่านั้น นี่ไม่ใช่ปัญหาในเวลากลางคืน เพราะไม่มีใครทำงานในที่มืดอยู่แล้ว แต่เป็นปัญหาใหญ่ในวันที่เมฆมาก ถึงแม้ดวงอาทิตย์จะส่องแสงเจิดจ้า แต่ความยาวของวันก็แตกต่างกันไปตลอดทั้งปี ซึ่งหมายความว่าความยาวของ "ชั่วโมง" ก็แตกต่างกันได้มากถึง 30 นาที ตั้งแต่ช่วงครีษมายันจนถึงช่วงเหมายัน.
เนื่องจากข้อจำกัดของนาฬิกาแดด ผู้คนจึงมองหาวิธีอื่นในการวัดเวลาโดยไม่ต้องพึ่งพาแสงอาทิตย์ หนึ่งในความพยายามแรกๆ ที่ได้รับความนิยมอย่างมากคือ นาฬิกาน้ำ (หรือที่เรียกว่า เคลปซิดรา) ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นราว 1000 ปีก่อนคริสตกาล นาฬิกาน้ำมีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่า น้ำจะรั่วออกจากรูเล็กๆ ในอัตราที่คงที่ และสามารถวัดเวลาได้โดยการสังเกตปริมาณน้ำที่รั่วออกมาจากรูที่ก้นภาชนะที่ทำเครื่องหมายไว้เป็นพิเศษ นาฬิกาน้ำมีความแม่นยำกว่านาฬิกาแดดมาก เนื่องจากอัตราการไหลไม่ได้รับผลกระทบจากเวลาของวันหรือปี และไม่สำคัญว่าดวงอาทิตย์จะส่องแสงหรือไม่ อย่างไรก็ตาม นาฬิกาน้ำก็มีข้อบกพร่องร้ายแรงอยู่เช่นกัน.
แม้ว่าน้ำอาจดูเหมือนหยดลงมาในอัตราคงที่ แต่ในความเป็นจริงแล้ว ยิ่งมีน้ำในภาชนะมากเท่าไหร่ น้ำก็จะยิ่งรั่วไหลออกมาเร็วขึ้นเท่านั้น เนื่องจากแรงดันที่เกิดจากน้ำหนักของน้ำ ชาวอียิปต์โบราณแก้ปัญหานี้โดยใช้ภาชนะที่มีด้านข้างเอียงเพื่อปรับสมดุลแรงดันน้ำเมื่อปริมาณน้ำลดลง อย่างไรก็ตาม ปัญหาอื่นๆ ที่เกิดขึ้น ได้แก่ รูที่น้ำหยดลงมามักจะขยายใหญ่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้มีน้ำไหลผ่านได้มากขึ้นและเร็วขึ้น และรูระบายน้ำก็มีแนวโน้มที่จะอุดตันได้ง่าย และหากอากาศหนาวจัดจนน้ำกลายเป็นน้ำแข็งก็ยิ่งแย่ไปอีก! นาฬิกาน้ำโดยธรรมชาติแล้วจึงไม่สะดวกในการพกพา.
ไม่นานนักผู้คนก็ตระหนักว่าน้ำไม่ใช่สิ่งเดียวที่ไหลด้วยอัตราคงที่ และต่อมาก็ได้คิดค้นนาฬิกาทรายขึ้นมา ซึ่งเกิดขึ้นราวศตวรรษที่ 8 เหตุผลหลักที่ไม่ได้คิดค้นมาก่อนหน้านี้อาจเป็นเพราะไม่มีใครสามารถเป่าแก้วได้ดีพอในสมัยนั้น นาฬิกาทรายใช้หลักการที่ทรายไหลจากภาชนะแก้วหนึ่งไปยังอีกภาชนะหนึ่งผ่านช่องเล็กๆ ที่เชื่อมต่อกัน และการไหลของทรายนั้นไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งที่ทำให้เกิดปัญหาในนาฬิกาน้ำและนาฬิกาแดดก่อนหน้านี้ อย่างไรก็ตาม นาฬิกาทรายขนาดใหญ่ไม่สะดวกในการใช้งาน และการจับเวลาเป็นเวลานานมักหมายถึงการพลิกแก้วไปมาตลอดทั้งวัน โดยพื้นฐานแล้ว มันเป็นเครื่องจับเวลาที่ดี แต่เป็นเครื่องบอกเวลาที่ไม่ดีนัก.
และนั่นก็เป็นสภาพการณ์มาโดยตลอดจนกระทั่งถึงช่วงปี 1300 เมื่อกลุ่มพระสงฆ์ในยุโรปตัดสินใจว่าพวกเขาจำเป็นต้องหาวิธีที่ดีกว่าในการบอกเวลาที่ควรสวดมนต์ เพราะชีวิตของพระสงฆ์นั้นหมุนเวียนอยู่กับตารางการสวดมนต์ที่กำหนดไว้ – ครั้งหนึ่งตอนรุ่งสาง ครั้งหนึ่งตอนพระอาทิตย์ขึ้น ครั้งหนึ่งตอนกลางวัน ครั้งหนึ่งตอนเที่ยง ครั้งหนึ่งตอนบ่ายแก่ๆ ครั้งหนึ่งตอนพระอาทิตย์ตก และครั้งหนึ่งตอนพลบค่ำ การรู้เวลาที่ถูกต้องจึงกลายเป็นมากกว่าแค่เรื่องเล็กน้อย – มันเป็นสิ่งจำเป็นทางศาสนา! และด้วยเหตุนี้ พระสงฆ์เหล่านั้นจึงประดิษฐ์นาฬิกาเชิงกลเครื่องแรกขึ้นมา คำว่า “นาฬิกา” นั้นมาจากคำภาษาดัตช์ที่แปลว่า “ระฆัง” เนื่องจากนาฬิกาเชิงกลยุคแรกๆ เหล่านั้นไม่มีเข็มนาฬิกาและถูกออกแบบมาเพื่อตีบอกเวลาเท่านั้น.
นอกจากกลไกการตีระฆังแล้ว นาฬิกาโบราณเหล่านี้ยังมีสิ่งสำคัญอีกสองอย่าง อย่างแรกคือแหล่งพลังงาน ซึ่งได้มาจากตุ้มน้ำหนักที่ผูกติดกับเชือกหรือโซ่ ตุ้มน้ำหนักนั้นจะถูกยกหรือดึงขึ้นไปด้านบนของนาฬิกา และแรงโน้มถ่วงจะทำหน้าที่ที่เหลือ อย่างที่สองคือวิธีการใดวิธีการหนึ่งที่จะบังคับให้ตุ้มน้ำหนักตกลงมาอย่างช้าๆ เป็นจังหวะ แทนที่จะร่วงหล่นลงมาอย่างรวดเร็วเหมือนตุ้มน้ำหนักตะกั่ว และสิ่งนี้ได้มาจากกลไกที่ยอดเยี่ยมและ..
สิ่งประดิษฐ์อันชาญฉลาดที่เรียกว่ากลไกควบคุมการเคลื่อนที่ (escapement) กล่าวโดยง่ายที่สุด กลไกควบคุมการเคลื่อนที่คืออุปกรณ์ที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของตุ้มน้ำหนักเป็นระยะๆ ทำให้ตุ้มน้ำหนักตกลงมาทีละน้อยแทนที่จะตกลงมาพร้อมกันทั้งหมด นี่คือสิ่งที่ทำให้เสียงนาฬิกา "ติ๊ก" ดังขึ้น เพราะเมื่อกลไกควบคุมการเคลื่อนที่เคลื่อนที่ไปมา สลับกันเกี่ยวและคลายกับเฟืองที่ติดอยู่กับตุ้มน้ำหนัก มันจะทำให้เกิดเสียงที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว.
นาฬิการุ่นแรกๆ เหล่านั้น แม้จะเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางเทคโนโลยี แต่ก็ไม่ได้มีความแม่นยำมากนัก นอกจากนี้ แม้ว่าจะสามารถแบ่งชั่วโมงออกเป็นนาทีได้ (จึงเป็นที่มาของคำว่า "นาที" สำหรับหน่วยย่อยแรกของชั่วโมง) แต่ก็ไม่สามารถแบ่งชั่วโมงออกเป็นหน่วยย่อยที่เล็กกว่านั้น หรือ "วินาที" ได้ (และใช่ นั่นคือที่มาของคำว่าวินาทีเช่นกัน) ต้องรอจนกระทั่งชายหนุ่มผู้ชาญฉลาดนามว่า กาลิเลโอ กาลิเลอี ค้นพบหลักการของลูกตุ้มในราวปี ค.ศ. 1583 กล่าวโดยสรุป เขาพบว่าไม่ว่าลูกตุ้มจะแกว่งกว้างแค่ไหน ก็ใช้เวลาในการแกว่งไปมาเท่ากันเสมอ ที่จริงแล้ว เขาค้นพบว่าเวลาที่ลูกตุ้มใช้ในการแกว่งกลับมานั้นถูกกำหนดโดยความยาวของลูกตุ้มเอง ไม่ใช่ความกว้างของการแกว่ง และด้วยการติดลูกตุ้มที่วัดได้อย่างแม่นยำเข้ากับกลไกการทำงานของนาฬิกา ช่างทำนาฬิกาจึงสามารถผลิตนาฬิกาที่มีความแม่นยำภายในไม่กี่วินาทีต่อวัน แทนที่จะเป็นนาที แรงที่กระทำต่อลูกตุ้มนั้นมากเท่าใด ก็ไม่มีผล เพราะแรงนั้นส่งผลต่อความกว้างของการแกว่งเท่านั้น ไม่ได้ส่งผลต่อความยาวของลูกตุ้มแต่อย่างใด.
ดังนั้น ตอนนี้เราจึงมีนาฬิกาที่ใช้งานได้ดีไม่ว่าจะเวลาไหนหรือฤดูกาลใด และมีความแม่นยำสูงในระยะเวลานาน แต่โชคร้ายที่มันยังไม่สะดวกในการพกพา เนื่องจากน้ำหนักจะไม่ลดลงอย่างสม่ำเสมอ และลูกตุ้มจะไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องหากถูกแรงภายนอกกระทำ และนี่คือจุดเริ่มต้นของนาฬิกาพก.
สิ่งประดิษฐ์สำคัญที่ทำให้สามารถพกพานาฬิกาได้ (และนาฬิกาข้อมือก็คือนาฬิกาแบบพกพานั่นเอง) คือสปริง อันที่จริง การใช้สปริงอาจเป็นการพัฒนาที่สำคัญที่สุดเป็นอันดับสองในด้านการผลิตนาฬิกา รองจากการประดิษฐ์กลไกการปล่อย (escapement) ขั้นตอนแรกในการทำให้นาฬิกาพกพาได้คือการแทนที่ตุ้มน้ำหนักหนักๆ ที่ใช้ในการขับเคลื่อนนาฬิกาด้วยสิ่งที่จะออกแรงคงที่โดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งที่ถือนาฬิกา และพบว่าแถบโลหะที่ขดแน่นและมีความตึงสูงจะออกแรงคงที่มากหรือน้อยขณะที่มันคลายตัว ซึ่งทำให้มันเหมาะสมกับงานนี้ แน่นอนว่าไม่นานนักช่างทำนาฬิกาก็สังเกตเห็นว่าสปริงออกแรงน้อยลงเรื่อยๆ เมื่อมันคลายตัว แต่พวกเขาก็คิดค้นวิธีการที่ชาญฉลาดมากมาย
วิธีการแก้ไขปัญหาดังกล่าว รวมถึงอุปกรณ์ต่างๆ เช่น "stackfreed" และ "fusee"
ขั้นตอนที่สองในการสร้างนาฬิกาที่พกพาได้จริงคือการคิดค้นสิ่งทดแทนลูกตุ้มซึ่งทำให้นาฬิกาเดินอย่างแม่นยำตามเวลาที่กำหนด นาฬิกาพกพารุ่นแรกๆ ใช้กลไกที่เรียกว่า "โฟลิออต" ซึ่งประกอบด้วยตุ้มน้ำหนักขนาดเล็กสองอันที่แขวนอยู่ปลายทั้งสองข้างของแท่งสมดุลที่หมุนได้ แต่กลไกนี้ไม่แม่นยำและพกพาได้จริง อย่างไรก็ตาม แนวคิดเรื่องสปริงที่เพิ่งค้นพบใหม่ได้เข้ามาช่วยแก้ปัญหาอีกครั้ง พบว่าขดลวดเส้นเล็กมาก (เรียกว่า "แฮร์สปริง" เนื่องจากบางมาก) สามารถติดเข้ากับล้อสมดุลได้โดยตรง และเมื่อแรงจากสปริงหลักถูกส่งไปยังกลไกการปล่อย แฮร์สปริงที่ติดอยู่จะขดและคลายตัวในจังหวะที่สม่ำเสมอ ทำให้กลไกการปล่อยทำงานและหยุดทำงานตามเวลาที่กำหนดอย่างแม่นยำ และโดยส่วนใหญ่แล้ว สิ่งนี้จะเป็นจริงไม่ว่านาฬิกาจะอยู่ในท่าใด ทำให้สามารถพกพาได้จริง.
ความแตกต่างระหว่างนาฬิกาพกพารุ่นแรกๆ กับนาฬิกาพกแบบจริงจังรุ่นแรกนั้นค่อนข้างคลุมเครือ แม้ว่านาฬิกาที่ใช้สปริงอาจได้รับการพัฒนาขึ้นตั้งแต่ช่วงปี 1400 แต่นาฬิกาที่ควบคุมด้วยสปริงนั้นเพิ่งปรากฏขึ้นในช่วงกลางปี 1600 และหลังจากนั้นไม่นาน นาฬิกาพกก็มีขนาดเล็กพอที่จะพกพาไว้ที่เอวหรือในกระเป๋าได้ และในไม่ช้า ใครก็ตามที่สามารถซื้อได้ก็จะถูกพบเห็นว่าพกพาสิ่งประดิษฐ์ใหม่ที่กำลังเป็นที่นิยมอย่างมากในขณะนั้น – นาฬิกาพก.
