أصول: كيف اخترعت الساعات

ينقسم اليوم طبيعيًا إلى نصفين: ظلام ونور. والحيوانات تعرف هذا. والنباتات تعرف هذا. أما البشر، في مرحلة ما من الماضي السحيق، فقرروا أن هذا التقسيم الثنائي ليس دقيقًا بما يكفي، وبدأوا العمل الطويل لتقسيم الوقت إلى وحدات أصغر يمكن عدّها. وما تلا ذلك كان أربعة آلاف عام من أدوات متزايدة الدقة صُممت للإجابة عن سؤال يتضح، عند فحصه بعناية، أنه أصعب بكثير مما يبدو.

والأسطورة المريحة هي أن مخترعًا عبقريًا أنتج ساعة في لحظة تاريخية محددة. أما الواقع فأكثر إثارة للاهتمام: فقد بُني حساب الوقت قطعة بقطعة، بثقافات مختلفة عبر آلاف سنين مختلفة، كل واحدة تحل عيبًا محددًا فيما سبقها.

مصر ومشكلة الظل

أقدم أدوات حساب الوقت الموثقة مصرية، تعود إلى فترة الدولة الحديثة، نحو القرن الخامس عشر إلى الرابع عشر قبل الميلاد. ويوجد نوعان في السجل الأثري.

كانت الساعة الشمسية الظلية جهازًا بسيطًا على شكل حرف T بذراع أفقي يلقي ظلًا عبر مقياس متدرج مع حركة الشمس خلال النهار. وفي الصباح كنت توجهها نحو الشرق. وعند الظهر كنت تديرها نحو الغرب. ولم تكن الساعات التي تنتجها متساوية في الطول - إذ كانت تتمدد وتتقلص مع الفصول، مقسّمة ضوء النهار إلى كسور بدلًا من تتبع موضع الشمس بدقة رياضية - لكنها كانت قابلة للتكرار، والأهم أنها لم تكن تتطلب أكثر من ضوء الشمس للعمل.

واستخدمت الساعة المائية المصرية، التي أطلق عليها اليونانيون لاحقًا اسم كليبسيدرا، إناءً حجريًا أو خزفيًا متدرجًا بفتحة صغيرة معايرة في القاعدة. وكان الماء يتسرب بمعدل شبه ثابت، وكان مستواه بالداخل يشير إلى مقدار ما مضى من الفترة المقيسة. ويعود أقدم مثال باقٍ، الذي عُثر عليه في معبد الكرنك والموجود الآن في المتحف المصري بالقاهرة، إلى عهد أمنحتب الثالث في القرن الرابع عشر قبل الميلاد. ويحمل سطحه الداخلي اثني عشر عمودًا متدرجًا يقابل الأشهر الاثني عشر في التقويم المصري - إذ كان المصممون يفهمون بالفعل أن معدلات التسرب تتفاوت قليلًا مع درجة الحرارة، فأدرجوا التصحيح.

واستخدم المصريون أيضًا المركت، وهو أداة رصد تُستخدم في أزواج لتتبع مرور الوقت ليلًا عبر تتبع مواقع نجوم معروفة عبر خط الزوال. ورصد عبور النجوم أدق مبدئيًا من التوقيت الظلي، لكنه يتطلب سماء صافية وأفقًا مفتوحًا وكاهنًا مستعدًا للوقوف في الخارج عند الثالثة صباحًا يتحقق من المحاذاة. فقد كانت أداة متخصصة لجمهور متخصص.

مشكلة الساعات المائية

الساعات المائية بسيطة نظريًا وصعبة عمليًا. فالماء يتجمد. ويتبخر. ومعدل تدفقه يتغير مع درجة الحرارة ومع ارتفاع الماء فوق الفتحة، الذي ينخفض باستمرار مع تفريغ الإناء. والإناء نصف المُفرّغ يعمل أبطأ من الإناء الممتلئ، مما يعني أن أي ساعة مائية بلا آلية تصحيح تنحرف بشكل منهجي طوال اليوم.

وعالج بناة الساعات المائية المتقنة في الصين والعالم الإسلامي في العصور الوسطى هذه المشكلات بابتكار كبير - غرف ذات ارتفاع ثابت، وآليات عوامة، وتروس فلكية. وتضمنت الساعة المائية التي بناها الجزري في أوائل القرن الثالث عشر أشكالًا آلية ومؤشرات لأطوار القمر. وارتفعت الساعة التي بُنيت في عهد أسرة سونغ تحت إشراف سو سونغ نحو 1088 نحو عشرة أمتار وحركت كرة فلكية عبر ناقل حركة سلسلي.

لكن الماء كان يتجمد في الشتاء، والآليات تتطلب صيانة مستمرة، ولم تستطع هذه الأجهزة المتقنة الإجابة عن السؤال الذي سيجعل كل الساعات المائية عتيقة في النهاية: هل يمكنك سماع الوقت من عبر المدينة؟

وغيّرت الأجراس كل شيء. فمنذ اللحظة التي أصبحت فيها الساعة قادرة على القرع، أصبح قياس الوقت شيئًا يتشاركه كل من في مدى السمع بدلًا من كونه متاحًا فقط لمن يراقب الإناء.

آلية الإفلات

ظهرت أولى الساعات الميكانيكية في أوروبا في وقت ما من أواخر القرن الثالث عشر. وأوضح دليل وثائقي هو إشارة إلى ساعة ميكانيكية في دير دنستابل في إنجلترا سنة 1283، تلتها أمثلة موثقة في فرنسا وإيطاليا والأراضي المنخفضة خلال تسعينيات القرن الثالث عشر وأوائل القرن الرابع عشر. والأديرة هي المكان المحتمل لنشأتها: فقد احتاج الرهبان إلى تحديد ساعات الصلاة الكنسية بدقة، وكان لديهم الحافز المؤسسي للاستثمار في حساب الوقت، وامتلكوا موارد صناعة المعادن للتجريب بآليات جديدة.

وكان الاختراع الأساسي هو آلية إفلات الفرجة والفوليو. والفرجة عمود رأسي يحمل نتوءين صغيرين مائلين، يُسميان الفكّين، يتفاعلان بالتناوب مع أسنان عجلة تاج أفقية. ومتصل بأعلى الفرجة الفوليو، وهو قضيب أفقي يحمل أثقالًا صغيرة قابلة للتعديل عند كل طرف. وبينما تحاول عجلة التاج المدفوعة بالثقل الدوران، تلتقط الفكّان وتحرران كل سنّ بالتناوب، مبطئتين الدوران إلى تسلسل تكتكة منضبط. ولحظة القصور الذاتي للفوليو تحدد المعدل؛ فتحريك أثقاله للداخل يسرّع الساعة وتحريكها للخارج يبطئها.

وكانت الآلية خشنة مقارنة بالمعايير اللاحقة. فأفضل ساعات الأبراج في القرنين الثالث عشر والرابع عشر كانت تنحرف عشر إلى خمس عشرة دقيقة يوميًا، ما جعلها غير مناسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة. وما وفرته كان الانتظام - العدد نفسه من النبضات كل ساعة، كل ساعة، كل يوم، في أي طقس - وإمكانية السماع. واكتسبت أبراج الكنائس في أنحاء أوروبا آليات دق ميكانيكية خلال القرن الرابع عشر، وأعاد قرع الساعات المنتظم تنظيم الحياة الحضرية حول إيقاع مشترك وعلني. فالأسواق كانت تفتح مع الجرس. والإجراءات القانونية كان لها مواعيد نهائية محددة بالوقت. والعمال كانوا يتفاوضون على الساعات بدلًا من المهام.

النوابض وإمكانية الحمل

بحلول أوائل القرن الخامس عشر، كان الحرفيون في المدن الألمانية، خصوصًا نورمبرغ، قد استبدلوا الدفع بالثقل بنوابض معدنية ملفوفة. وسمحت النوابض بصناعة ساعات صغيرة بما يكفي لحملها. وكانت أول أدوات حمل قابلة للنقل - تُسمى أحيانًا ساعات الطبل أو بيوض نورمبرغ، رغم أن شكل البيضة يظهر في الأساطير اللاحقة أكثر من الأمثلة المبكرة - عبارة عن علب دائرية أو أسطوانية تحتوي آليات مدفوعة بالنابض دقيقة بما يكفي لتقدير الوقت تقريبًا وباهظة الثمن بما يكفي للدلالة على الثراء بوضوح.

وكانت المشكلة التقنية في المحركات النابضية عدم الاتساق. فالنابض الملفوف يبذل قوة أكبر عند اكتمال لفه وأقل عند ارتخائه، ما يجعل استقرار المعدل أسوأ من المحرك الثقلي ما لم يُصحَّح. وطُوِّرت البكرة المخروطية - وهي بكرة على شكل مخروط تغيّر الرافعة الميكانيكية مع ارتخاء النابض - بحلول منتصف القرن الخامس عشر وعادلت العزم المنقول إلى آلية الإفلات عبر كامل مدى حركة النابض.

وجعلت الساعات النابضية ممكنًا، لأول مرة، حمل الوقت في الجيب. وبحلول منتصف القرن السادس عشر، كان صانعو الساعات في أوغسبورغ ونورمبرغ وجنيف ينتجون آليات مصغرة. وظهرت ساعة اليد كأداة يومية للأثرياء من هذا التقليد، رغم أن الدقة ظلت محدودة بعدم استقرار آلية إفلات الفرجة المتأصل.

هويغنس والبندول

ظل حساب الوقت الميكانيكي خشنًا حتى 1656، حين طبّق الفيزيائي والفلكي الهولندي كريستيان هويغنس بصيرة كان غاليليو غاليلي قد وصفها قبل عقود دون استغلالها كاملًا: أن البندولات ذات الطول الثابت تتأرجح في فترات ثابتة، وأن هذه الفترة تعتمد على طول البندول لا على قوس التأرجح (ضمن حدود).

وبنى هويغنس ساعة بندول باستخدام هذه الخاصية وأظهر دقة لم تكن ممكنة سابقًا في أداة ميكانيكية. وانخفض الخطأ اليومي من العشر إلى الخمس عشرة دقيقة النموذجية لأفضل ساعات الفرجة إلى أقل من دقيقة، وإلى ثوانٍ في اليوم مع التحسينات. وسجّل هويغنس براءة تصميمه سنة 1657 وانتشرت الآلية بسرعة. وظهرت الساعات الطويلة - ساعات الجد في الثقافة الشعبية اللاحقة - طوال أواخر القرنين السابع عشر والثامن عشر كأدوات دقيقة ميسورة التكلفة للأسر الميسورة.

وحلّت آلية إفلات المرساة، التي طُوّرت نحو 1670 ونُسبت في روايات مختلفة إلى كل من روبرت هوك وويليام كليمنت، محل آلية الفرجة وسمحت لساعات البندول بالعمل في علب أكثر إحكامًا وقوس تأرجح أصغر، ما قلّل الاحتكاك وحسّن الدقة أكثر.

جائزة خط الطول وحل هاريسون

بحلول أوائل القرن الثامن عشر، بقيت مشكلة واحدة لم تستطع ساعات البندول الأرضية حلها: تحديد خط الطول في البحر. فيمكن لسفينة تحديد خط عرضها بقياس زاوية شمس الظهيرة فوق الأفق. أما تحديد خط الطول فيتطلب معرفة، في الوقت نفسه، الوقت عند خط زوال مرجعي ثابت - غرينتش، حسب العرف البريطاني - أثناء رصد الظهيرة المحلية. والفرق في الوقت، محولًا بمعدل خمس عشرة درجة في الساعة، يعطي خط الطول.

وتطلب هذا ساعة تحافظ على دقة الوقت على متن سفينة متحركة، عبر تقلبات درجة الحرارة في خطوط العرض المحيطية المختلفة، عبر حركة ورطوبة أشهر في البحر. وفشلت ساعات البندول فورًا في البحر؛ إذ عطّلت حركة التمايل البندول تمامًا.

وأسست الحكومة البريطانية جائزة خط الطول سنة 1714، معروضة ما يصل إلى 20 ألف جنيه إسترليني لحل عملي. وأمضى جون هاريسون، النجار الإنجليزي وصانع الساعات المعتمد على نفسه إلى حد كبير، معظم القرن الثامن عشر يجيب عن المشكلة عبر سلسلة من أدوات حساب الوقت البحرية. واستخدم تصميمه الرابع، المكتمل سنة 1759، آلية ساعة يد كبيرة مع ميزان ثنائي المعدن معوّض حراريًا وآلية إفلات ذات ذراع مصقولة للغاية. واختُبر في رحلة إلى بربادوس سنة 1761، وحافظ على دقة الوقت في حدود خمس ثوانٍ على مدى 81 يومًا. وطابق خط الطول الذي أنتجه عند الوصول الموقع المعروف لبربادوس في حدود عشرة أميال.

وأصبح الكرونومتر البحري الذي أثبت هاريسون إمكانيته الأداة الملاحية القياسية للقرن التالي، واعتمد كل مخطط بحري رُسم بعد ثمانينيات القرن الثامن عشر على دقة ساعة صغيرة بما يكفي لتناسب صندوقًا.

ما بعد البندول

أضاف القرن العشرون طبقتين أخريين. فالرنانات البلورية من الكوارتز، التي طُوّرت تجاريًا في عشرينيات القرن العشرين، استبدلت آليات الإفلات الميكانيكية باهتزاز كهرضغطي لبلورة الكوارتز، ما قلّل الخطأ اليومي إلى ثوانٍ سنويًا. أما الساعات الذرية، التي أُظهرت لأول مرة في منتصف خمسينيات القرن العشرين، فتقيس حساب الوقت مقابل تردد رنين ذرات السيزيوم-133 وتحقق دقة لا يمكن التعبير عنها بمصطلحات التجربة البشرية - فأفضلها تفقد أقل من ثانية واحدة على مدى مئات الملايين من السنين. ويعتمد نظام تحديد المواقع العالمي وبروتوكولات الوقت على الإنترنت ومقاصة التمويل العالمية كلها عليها.

والكاهن المصري الذي يُسرّب الماء عبر ثقب في وعاء حجري، والساعة الذرية التي تحافظ على المعيار الزمني العالمي، يفعلان الشيء نفسه. والدقة بينهما تمثل الامتداد الكامل للتطور التقني البشري المسجل. والسؤال الذي يجيبان عنه لم يتغير منذ أمنحتب الثالث.

وأنتج الدافع نفسه لقياس التجربة وتنظيمها أدوات تأسيسية أخرى - راجع أصول التقويم والأبجدية لروايات ذات صلة عن اختراعات انتشرت عبر الثقافات على مدى آلاف السنين.