Trong suốt lịch sử, các phương pháp và tầm quan trọng của việc đo thời gian đã phát triển mạnh mẽ, phản ánh nhu cầu thay đổi và những tiến bộ công nghệ của xã hội loài người. Trong các nền văn hóa nông nghiệp sơ khai, việc phân chia thời gian đơn giản chỉ là ngày và đêm, được quyết định bởi sự hiện diện của ánh sáng mặt trời. Cách tiếp cận thô sơ này đã đủ dùng cho đến khi đồng hồ mặt trời được phát minh vào khoảng năm 1500 trước Công nguyên, cho phép các nền văn minh cổ đại như Hy Lạp và La Mã chia ngày thành các khoảng thời gian dễ quản lý hơn gọi là giờ. Tuy nhiên, sự phụ thuộc của đồng hồ mặt trời vào ánh sáng mặt trời đã dẫn đến những hạn chế của nó, thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị tinh vi hơn như đồng hồ nước vào khoảng năm 1000 trước Công nguyên. Mặc dù đồng hồ nước mang lại độ chính xác được cải thiện, nhưng chúng cũng có những nhược điểm, bao gồm các vấn đề về áp suất nước và tắc nghẽn. Sự ra đời của đồng hồ cát vào thế kỷ thứ 8 sau Công nguyên đã cung cấp một giải pháp thay thế đáng tin cậy hơn, mặc dù nó vẫn không lý tưởng cho việc đo thời gian dài hạn. Mãi đến những năm 1300, các tu sĩ châu Âu, do nhu cầu về lịch cầu nguyện chính xác, mới phát minh ra những chiếc đồng hồ cơ khí đầu tiên. Những chiếc đồng hồ ban đầu này, hoạt động bằng quả tạ và được điều chỉnh bằng bộ thoát, là một bước đột phá nhưng vẫn thiếu độ chính xác và tính di động cần thiết để sử dụng rộng rãi. Việc Galileo Galilei phát hiện ra nguyên lý con lắc vào năm 1583 đánh dấu một bước tiến đáng kể về độ chính xác, cho phép đồng hồ đo thời gian trong vòng vài giây mỗi ngày. Tuy nhiên, thách thức về tính di động vẫn chưa được giải quyết cho đến khi cơ chế lò xo ra đời, cuối cùng dẫn đến sự ra đời của đồng hồ bỏ túi. Sự đổi mới này đánh dấu sự khởi đầu của việc đo thời gian thực sự di động, cách mạng hóa cách mọi người tương tác và hiểu về thời gian.
Trong phần lớn lịch sử loài người, việc đo thời gian chính xác đơn giản là không quan trọng lắm. Bên cạnh thực tế là không có cách nào để đo thời gian chính xác hàng nghìn năm trước, đơn giản là cũng không cần thiết phải làm vậy. Các nền văn hóa sơ khai dựa trên nông nghiệp hoạt động chừng nào mặt trời còn chiếu sáng và ngừng hoạt động khi trời tối. Chỉ khi loài người bắt đầu chuyển dịch khỏi xã hội hoàn toàn dựa vào nông nghiệp, họ mới bắt đầu tìm cách đánh dấu sự trôi qua của thời gian một cách chính xác hơn thay vì chỉ đơn giản chia mỗi ngày thành "ngày" và "đêm"
Thiết bị sớm nhất được biết đến để chia ngày thành những khoảng thời gian nhỏ hơn là đồng hồ mặt trời, được phát minh ít nhất vào năm 1500 trước Công nguyên. Nhận thấy rằng bóng của một vật thể thay đổi về độ dài và hướng khi ngày trôi qua, một người tài giỏi nào đó mà tên tuổi sẽ mãi mãi bị lãng quên trong lịch sử đã nhận ra rằng có thể cắm một cái que thẳng đứng xuống đất và, bằng cách đánh dấu vị trí bóng đổ xuống, chia thời gian ban ngày thành các khoảng thời gian riêng biệt. Những khoảng thời gian này cuối cùng được gọi là "giờ", với mỗi giờ bằng 1/12 thời gian mặt trời chiếu sáng mỗi ngày. Đồng hồ mặt trời là một ý tưởng tuyệt vời cho phép sự phát triển có trật tự của các nền văn minh Hy Lạp và La Mã cổ đại. Một điều tuyệt vời về đồng hồ mặt trời là nó rất dễ mang theo. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm cơ bản. Trước hết, nó chỉ hoạt động khi mặt trời thực sự chiếu sáng. Điều này không phải là vấn đề vào ban đêm, vì dù sao thì cũng không ai làm việc trong bóng tối. Nhưng đó là một vấn đề lớn vào những ngày nhiều mây. Tuy nhiên, ngay cả khi mặt trời chiếu sáng rực rỡ, độ dài của ngày cũng thay đổi trong suốt cả năm, điều đó có nghĩa là độ dài của một "giờ" cũng thay đổi tới 30 phút từ ngày hạ chí đến ngày đông chí.
Do những hạn chế của đồng hồ mặt trời, người ta đã tìm kiếm những cách khác để đo thời gian mà không phụ thuộc vào mặt trời. Một trong những nỗ lực ban đầu trở nên rất phổ biến là đồng hồ nước (còn gọi là clepsydra), được phát minh vào khoảng năm 1000 trước Công nguyên. Đồng hồ nước dựa trên ý tưởng rằng nước rò rỉ ra từ một lỗ nhỏ với tốc độ dường như ổn định, và có thể đánh dấu thời gian trôi qua bằng cách ghi nhận lượng nước đã rò rỉ qua một lỗ ở đáy của một bình chứa được đánh dấu đặc biệt. Đồng hồ nước chính xác hơn nhiều so với đồng hồ mặt trời, vì tốc độ dòng chảy không bị ảnh hưởng bởi thời gian trong ngày hoặc trong năm, và không quan trọng mặt trời có chiếu sáng hay không. Tuy nhiên, chúng cũng không phải là không có những nhược điểm nghiêm trọng.
Mặc dù nước có vẻ như nhỏ giọt đều đặn với tốc độ cố định, nhưng trên thực tế, càng nhiều nước trong bình thì nước càng rò rỉ nhanh hơn do áp suất gây ra bởi trọng lượng của nước. Người Ai Cập cổ đại đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các bình có thành nghiêng để cân bằng áp suất nước khi lượng nước giảm dần. Tuy nhiên, những vấn đề khác bao gồm việc lỗ nhỏ giọt có xu hướng lớn dần theo thời gian, cho phép nhiều nước chảy qua nhanh hơn, và việc lỗ thoát nước cũng có xu hướng bị tắc nghẽn. Và lạy Chúa, nếu trời lạnh đến mức nước đóng băng thì sao! Đồng hồ nước, do bản chất của chúng, cũng không dễ mang theo.
Chẳng mấy chốc, con người nhận ra rằng nước không phải là thứ duy nhất chảy đều đặn, và tiếp theo đó là đồng hồ cát, được phát minh vào khoảng thế kỷ thứ 8 sau Công nguyên. Lý do chính khiến nó không được phát minh sớm hơn có lẽ đơn giản là vì trước đó chưa ai có thể thổi thủy tinh đủ tốt. Đồng hồ cát sử dụng cát chảy từ bình thủy tinh này sang bình thủy tinh khác qua một lỗ nhỏ nối hai bình, và sự chảy của cát không bị ảnh hưởng nhiều bởi những yếu tố gây ra vấn đề cho đồng hồ nước và đồng hồ mặt trời trước đó. Tuy nhiên, những chiếc đồng hồ cát lớn thì không thực tế, và việc giữ giờ trong một khoảng thời gian dài thường có nghĩa là phải xoay đồng hồ liên tục trong suốt cả ngày. Về cơ bản, nó là một cái hẹn giờ tuyệt vời, nhưng lại là một cái đo thời gian tồi tệ.
Và tình hình hầu như vẫn như vậy cho đến những năm 1300, khi một nhóm các nhà sư ở châu Âu quyết định rằng họ thực sự cần một cách tốt hơn để biết khi nào là giờ cầu nguyện. Bởi vì, cuộc sống của một nhà sư xoay quanh một lịch trình cầu nguyện cố định – một lần lúc bình minh, một lần lúc mặt trời mọc, một lần vào giữa buổi sáng, một lần vào buổi trưa, một lần vào giữa buổi chiều, một lần lúc mặt trời lặn và một lần lúc đêm xuống. Do đó, việc biết đúng giờ trở nên không chỉ là một điều tốt đẹp mà còn là một mệnh lệnh tôn giáo! Và kết quả là, những nhà sư này đã chế tạo ra những chiếc đồng hồ cơ khí đầu tiên được biết đến. Nhân tiện, từ "đồng hồ" (clock) xuất phát từ tiếng Hà Lan có nghĩa là "chuông", vì những chiếc đồng hồ cơ khí ban đầu này không có kim và được thiết kế để chỉ đơn giản là điểm giờ.
Ngoài cơ chế điểm chuông, những chiếc đồng hồ đời đầu này còn có hai yêu cầu quan trọng. Thứ nhất là nguồn năng lượng, và nguồn năng lượng này được cung cấp bởi một quả tạ gắn vào dây thừng hoặc xích. Quả tạ được mang hoặc kéo lên đỉnh đồng hồ, và trọng lực sẽ làm phần còn lại. Thứ hai là một cách nào đó để buộc quả tạ rơi xuống từ từ, có kiểm soát thay vì rơi xuống đột ngột như, ừm, một quả tạ chì. Và điều này được cung cấp bởi một cơ chế tuyệt vời và..
Một phát minh tài tình được gọi là bộ thoát. Nói một cách đơn giản nhất, bộ thoát là một thiết bị làm gián đoạn đường đi của quả tạ đang rơi theo những khoảng thời gian đều đặn, khiến nó rơi từng chút một thay vì rơi hết cùng một lúc. Đây chính xác là điều làm cho đồng hồ "tích tắc", bởi vì khi bộ thoát chuyển động qua lại, luân phiên ăn khớp và nhả các bánh răng gắn với quả tạ, nó tạo ra một âm thanh rất đặc trưng.
Những chiếc đồng hồ đầu tiên này, dù là những kỳ tích công nghệ, nhưng lại không đặc biệt chính xác. Hơn nữa, mặc dù chúng cho phép chia giờ thành nhiều phần nhỏ hơn (do đó có từ "phút" dùng để chỉ phần nhỏ đầu tiên của giờ), nhưng chúng không thể chia giờ thành phần nhỏ hơn nữa, hay "giây" (và đúng vậy, từ đó cũng bắt nguồn từ đó). Điều đó phải chờ đến khi một chàng trai trẻ tài năng tên là Galileo Galilei phát hiện ra nguyên lý con lắc vào khoảng năm 1583. Nói một cách khái quát, ông nhận thấy rằng bất kể con lắc dao động rộng đến đâu, nó luôn mất cùng một khoảng thời gian để dao động qua lại. Trên thực tế, ông phát hiện ra rằng thời gian con lắc quay trở lại được xác định bởi chiều dài của chính con lắc chứ không phải bởi độ rộng của dao động. Và bằng cách gắn một con lắc được đo chính xác vào bộ phận thoát của đồng hồ, các nhà chế tạo đồng hồ đã có thể tạo ra những chiếc đồng hồ chính xác đến từng giây mỗi ngày thay vì từng phút. Lực tác dụng lên con lắc không quan trọng, vì lực chỉ ảnh hưởng đến biên độ dao động chứ không ảnh hưởng đến chiều dài của chính con lắc.
Vậy là giờ đây chúng ta đã có những chiếc đồng hồ hoạt động tốt bất kể thời gian trong ngày hay mùa nào, và rất chính xác trong thời gian dài. Tuy nhiên, chúng vẫn không thực sự tiện dụng, vì quả tạ không rơi đều đặn và con lắc không thể hoạt động chính xác nếu bị tác động từ bên ngoài. Và đây chính là lúc đồng hồ bỏ túi xuất hiện.
Phát minh quan trọng cho phép đồng hồ trở nên di động [và đồng hồ đeo tay chẳng phải là một chiếc đồng hồ di động hay sao?] chính là lò xo. Trên thực tế, việc sử dụng lò xo có lẽ là bước phát triển quan trọng thứ hai trong ngành chế tạo đồng hồ sau phát minh ra bộ thoát. Bước đầu tiên để làm cho đồng hồ trở nên di động là thay thế các quả tạ nặng dùng để vận hành nó bằng một thứ gì đó có thể tạo ra lực ổn định bất kể vị trí cầm đồng hồ. Và người ta phát hiện ra rằng một dải kim loại được cuộn chặt, có độ căng cao sẽ tạo ra một lực tương đối ổn định khi nó giãn ra, điều này khiến nó trở thành vật liệu hoàn hảo cho công việc. Tất nhiên, các nhà chế tạo đồng hồ nhanh chóng nhận thấy rằng lò xo tạo ra lực ngày càng yếu đi khi nó giãn ra, nhưng họ đã nghĩ ra một số cách khá khéo léo để khắc phục vấn đề này
các cách để giải quyết vấn đề, bao gồm các thiết bị như “stackfreed” và “fusee”
Bước thứ hai để chế tạo một chiếc đồng hồ thực sự di động là tìm ra bộ phận thay thế cho con lắc, bộ phận giúp đồng hồ chạy đúng giờ. Những chiếc “đồng hồ di động” đời đầu sử dụng một thiết bị gọi là “foliot”, bao gồm hai quả cân rất nhỏ treo ở hai đầu của một thanh cân bằng quay, nhưng chúng không đặc biệt chính xác và cũng không thực sự di động. Tuy nhiên, một lần nữa, chính khái niệm về lò xo mới được phát hiện đã cứu vãn tình thế. Người ta xác định rằng một cuộn dây rất mảnh [gọi là “lò xo tóc” vì nó rất mỏng] có thể được gắn trực tiếp vào bánh xe cân bằng, và khi lực từ lò xo chính được truyền đến bộ thoát, lò xo tóc được gắn sẽ cuộn và duỗi ra với tốc độ rất đều đặn, do đó làm cho bộ thoát khớp và nhả ra theo các khoảng thời gian chính xác cần thiết. Và, phần lớn, điều này đúng bất kể cách cầm đồng hồ như thế nào, mang lại tính di động thực sự.
Ranh giới giữa những chiếc đồng hồ xách tay đầu tiên và những chiếc đồng hồ bỏ túi thực sự đầu tiên khá mờ nhạt. Mặc dù đồng hồ chạy bằng lò xo có thể đã được phát triển từ những năm 1400, nhưng đồng hồ điều chỉnh bằng lò xo mãi đến giữa những năm 1600 mới xuất hiện, và không lâu sau đó, chúng đã trở nên đủ nhỏ để đeo ở thắt lưng hoặc bỏ trong túi. Và chẳng mấy chốc, bất cứ ai có đủ khả năng mua đều được nhìn thấy mang theo phát minh mới lạ đang rất thịnh hành – chiếc đồng hồ bỏ túi.
