उत्पत्ति: घड़ियों का आविष्कार कैसे हुआ

दिन स्वाभाविक रूप से स्वयं को दो हिस्सों में बाँटता है: अँधेरा और उजाला। जानवर यह जानते हैं। पौधे यह जानते हैं। मनुष्यों ने, गहरे अतीत में किसी क्षण, तय किया कि यह द्विभाजन पर्याप्त सटीक नहीं है, और समय को छोटी, गणनीय इकाइयों में बाँटने का लंबा काम शुरू किया। इसके बाद चार हज़ार साल तक तेज़ी से सटीक होते यंत्र आए, जो एक ऐसे प्रश्न का उत्तर देने के लिए बनाए गए थे जो, जब बारीक़ी से देखा जाए, दिखने से कहीं ज़्यादा कठिन साबित होता है।

सुविधाजनक मिथक यह है कि किसी प्रतिभाशाली आविष्कारक ने किसी विशेष ऐतिहासिक क्षण में एक घड़ी बनाई। वास्तविकता अधिक दिलचस्प है: समय-मापन टुकड़ों में बना, विभिन्न सभ्यताओं द्वारा विभिन्न सहस्राब्दियों में, हर एक ने पहले की किसी विशेष कमी को सुलझाते हुए।

मिस्र और छाया की समस्या

सबसे प्राचीन दस्तावेज़ीकृत समय-मापन यंत्र मिस्री हैं, जो नए राज्य काल के हैं, लगभग पंद्रहवीं से चौदहवीं शताब्दी ईसा पूर्व। पुरातात्विक अभिलेख में दो प्रकार बचे हैं।

छाया-घड़ी एक सरल T-आकार का यंत्र था जिसकी क्षैतिज भुजा दिन भर सूर्य के चलने के साथ एक स्नातक पैमाने पर छाया डालती थी। सुबह में, आप इसे पूर्व की ओर मुख करके रखते थे। दोपहर में, आप इसे पश्चिम की ओर घुमाते थे। इससे मिलने वाले घंटे लंबाई में बराबर नहीं थे — वे मौसम के साथ फैलते-सिकुड़ते थे, दिन के उजाले को गणितीय सटीकता से सूर्य की स्थिति ट्रैक करने के बजाय अंशों में बाँटते थे — लेकिन ये दोहराए जा सकते थे और, महत्वपूर्ण रूप से, इन्हें चलाने के लिए सूर्य के प्रकाश के अलावा कुछ नहीं चाहिए था।

मिस्री जल-घड़ी, जिसे यूनानियों ने बाद में क्लेप्सिड्रा कहा, में आधार पर एक छोटे स्नातक छेद वाला एक स्नातक पत्थर या मिट्टी का बर्तन इस्तेमाल होता था। पानी लगभग स्थिर दर पर टपकता था, और भीतर का स्तर बताता था कि मापी गई अवधि का कितना हिस्सा बीत चुका है। कर्नाक के मंदिर में मिला और अब काहिरा संग्रहालय में रखा सबसे पुराना बचा हुआ नमूना, चौदहवीं शताब्दी ईसा पूर्व में अमेनहोतेप तृतीय के शासनकाल का है। इसकी भीतरी सतह पर मिस्री कैलेंडर के बारह महीनों के अनुरूप बारह स्नातक स्तंभ हैं — डिज़ाइनर पहले से समझते थे कि टपकने की दर तापमान के साथ थोड़ी बदलती है, और उन्होंने यह सुधार पहले से ही शामिल कर लिया था।

मिस्रियों ने मर्खेट का भी इस्तेमाल किया, एक दर्शन-यंत्र जिसे जोड़े में इस्तेमाल किया जाता था ताकि रात में मध्याह्न-रेखा के आर-पार ज्ञात तारों की स्थिति ट्रैक करके समय बीतने को चिह्नित किया जा सके। तारा-पारगमन का समय-निर्धारण, सिद्धांत रूप में, छाया-समय से अधिक सटीक है, लेकिन इसके लिए साफ़ आसमान, बिना रुकावट वाला क्षितिज, और सुबह 3 बजे बाहर खड़े होकर संरेखण जाँचने को तैयार एक पुजारी चाहिए। यह एक विशेषज्ञ दर्शकों के लिए एक विशेषज्ञ यंत्र था।

जल-घड़ियों की समस्या

जल-घड़ियाँ सैद्धांतिक रूप से सरल और व्यावहारिक रूप से कठिन हैं। पानी जमता है। यह वाष्पित होता है। इसकी प्रवाह-दर तापमान के साथ और आउटलेट के ऊपर पानी की ऊँचाई के साथ बदलती है, जो बर्तन के ख़ाली होने के साथ लगातार घटती जाती है। आधा-ख़ाली बर्तन एक भरे बर्तन से धीमा चलता है, जिसका मतलब है कि बिना सुधार-यंत्रावली वाली कोई भी जल-घड़ी दिन भर व्यवस्थित रूप से बहकती है।

चीन और मध्यकालीन इस्लामी दुनिया में विस्तृत जल-घड़ियों के निर्माताओं ने इन समस्याओं को काफ़ी प्रतिभा से हल किया — स्थिर-स्तर वाले कक्ष, फ़्लोट यंत्रावली, खगोलीय गियरिंग। तेरहवीं शताब्दी की शुरुआत में अल-जज़ारी द्वारा बनाई गई जल-घड़ी में स्वचालित आकृतियाँ और चंद्र-चरण संकेतक शामिल थे। सू सोंग के अधीन बनाई गई सोंग राजवंश की घड़ी, लगभग 1088 की, लगभग दस मीटर ऊँची खड़ी थी और एक श्रृंखला-चालन के ज़रिए एक आर्मिलरी गोले को चलाती थी।

लेकिन सर्दियों में पानी जमता था, यंत्रावली को निरंतर रखरखाव चाहिए था, और ये विस्तृत यंत्र उस प्रश्न का जवाब नहीं दे सकते थे जो अंततः सभी जल-घड़ियों को अप्रचलित बना देता: क्या आप शहर के दूसरे छोर से सुन सकते हैं कि कितना समय हुआ है?

घंटियों ने सब कुछ बदल दिया। जिस क्षण एक घड़ी बज सकती थी, समय का मापन उस व्यक्ति तक सीमित एक चीज़ के बजाय, आवाज़ सुनने की दूरी में हर किसी के साझा अनुभव में बदल गया जो बर्तन देख रहा था।

एस्केपमेंट

पहली यांत्रिक घड़ियाँ तेरहवीं शताब्दी के अंत में कहीं यूरोप में दिखाई दीं। सबसे स्पष्ट दस्तावेज़ी प्रमाण 1283 में इंग्लैंड के डंस्टेबल प्रायरी में एक यांत्रिक घड़ी का संदर्भ है, जिसके बाद 1290 के दशक और 1300 के दशक की शुरुआत तक फ्रांस, इटली और लो कंट्रीज़ में दस्तावेज़ीकृत उदाहरण मिलते हैं। मठ संभावित जन्मस्थान हैं: भिक्षुओं को घंटियों के अनुसार समय सटीकता से चिह्नित करना ज़रूरी था, उनके पास समय-मापन में निवेश करने का संस्थागत प्रोत्साहन था, और नई यंत्रावलियों के साथ प्रयोग करने के लिए धातुकर्म संसाधन थे।

मुख्य आविष्कार वर्ज-एंड-फ़ॉलिओट एस्केपमेंट था। एक वर्ज एक खड़ी धुरी है जिसमें दो छोटे कोणीय उभार होते हैं, जिन्हें पैलेट कहा जाता है, जो एक क्षैतिज क्राउन व्हील के दाँतों के साथ बारी-बारी से जुड़ते हैं। वर्ज के ऊपरी सिरे से एक फ़ॉलिओट जुड़ा होता है, एक क्षैतिज छड़ जिसके प्रत्येक छोर पर छोटे समायोज्य भार होते हैं। जैसे ही भार-चालित क्राउन व्हील घूमने की कोशिश करता है, पैलेट बारी-बारी से हर दाँत को पकड़ते और छोड़ते हैं, जिससे घूर्णन एक नियंत्रित टिक-टॉक क्रम में धीमा हो जाता है। फ़ॉलिओट का जड़त्व आघूर्ण दर निर्धारित करता है; इसके भार को भीतर की ओर खिसकाने से घड़ी तेज़ होती है और बाहर की ओर खिसकाने से धीमी।

बाद के मानकों से यह यंत्रावली मोटी थी। सबसे अच्छी तेरहवीं और चौदहवीं शताब्दी की टावर घड़ियाँ प्रतिदिन दस से पंद्रह मिनट बहक जाती थीं, जिससे वे सटीकता चाहने वाले अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त थीं। जो उन्होंने दिया वह नियमितता थी — हर घंटे, हर दिन, किसी भी मौसम में, समान संख्या में धड़कनें — और सुनाई देना। यूरोप भर के गिरजाघरों के टावरों ने चौदहवीं शताब्दी में यांत्रिक घंटी-बजाने की यंत्रावलियाँ हासिल कीं, और घंटों की नियमित घंटी-ध्वनि ने शहरी जीवन को एक साझा, सार्वजनिक लय के इर्द-गिर्द पुनर्संरचित किया। बाज़ार घंटी के अनुसार खुलते थे। क़ानूनी कार्यवाहियों की समय-सीमाएँ तय होती थीं। मज़दूर कामों के बजाय घंटों पर बातचीत करते थे।

स्प्रिंग और पोर्टेबिलिटी

पंद्रहवीं शताब्दी की शुरुआत तक, जर्मन शहरों, विशेष रूप से न्यूरेमबर्ग के कारीगरों ने भार-चालन को कुंडलित धातु स्प्रिंगों से बदल दिया था। स्प्रिंगों ने घड़ियों को इतना छोटा बनाना संभव किया कि उन्हें ले जाया जा सके। पहले पोर्टेबल समय-यंत्र — जिन्हें कभी-कभी ड्रम-वॉच या न्यूरेमबर्ग अंडे कहा जाता है, हालाँकि अंडे का आकार शुरुआती नमूनों की तुलना में बाद की दंतकथा में अधिक दिखाई देता है — गोल या बेलनाकार बक्से थे जिनमें स्प्रिंग-चालित यंत्रावलियाँ थीं, जो मोटा-मोटा समय सुझाने भर के लिए काफ़ी सटीक और धन का ज़ोरदार संकेत देने के लिए काफ़ी महँगी थीं।

स्प्रिंग-चालन की तकनीकी समस्या असंगति थी। एक कुंडलित स्प्रिंग पूरी तरह लपेटे जाने पर अधिक बल और ढीला होने पर कम बल देता है, जिससे दर की स्थिरता भार-चालन से बदतर होती है जब तक इसे सुधारा न जाए। फ़्यूज़ी — एक शंकु-आकार की चरखी जो स्प्रिंग के खुलने के साथ यांत्रिक लीवरेज को बदलती थी — पंद्रहवीं शताब्दी के मध्य तक विकसित हुई और स्प्रिंग की पूरी यात्रा-सीमा में एस्केपमेंट को दिए जाने वाले टॉर्क को समान करती थी।

स्प्रिंग घड़ियों ने पहली बार जेब में समय ले जाना संभव बनाया। सोलहवीं शताब्दी के मध्य तक, ऑग्सबर्ग, न्यूरेमबर्ग, और जिनेवा के घड़ीसाज़ लघुकृत यंत्रावलियाँ बना रहे थे। धनी व्यक्तियों के लिए एक रोज़मर्रा की वस्तु के रूप में घड़ी इसी परंपरा से उभरी, हालाँकि वर्ज एस्केपमेंट की अंतर्निहित अस्थिरता के कारण सटीकता सीमित बनी रही।

हाइगेंस और पेंडुलम

यांत्रिक समय-मापन 1656 तक मोटा-मोटा ही रहा, जब डच भौतिकशास्त्री और खगोलशास्त्री क्रिस्टियान हाइगेंस ने एक ऐसी अंतर्दृष्टि लागू की जिसे गैलीलियो गैलिली ने दशकों पहले वर्णित किया था बिना उसका पूरा उपयोग किए: निश्चित लंबाई के पेंडुलम सुसंगत अवधियों में झूलते हैं, और यह अवधि झूले के चाप के बजाय (कुछ सीमाओं के भीतर) पेंडुलम की लंबाई पर निर्भर करती है।

हाइगेंस ने इस गुण का उपयोग करके एक पेंडुलम घड़ी बनाई और किसी यांत्रिक यंत्र में पहले असंभव सटीकता दिखाई। दैनिक त्रुटि, जो सबसे अच्छी वर्ज घड़ियों में सामान्यतः दस-से-पंद्रह मिनट होती थी, घटकर एक मिनट से कम रह गई, और परिष्करणों के साथ प्रतिदिन कुछ सेकंड तक पहुँच गई। हाइगेंस ने 1657 में अपने डिज़ाइन का पेटेंट कराया और यह यंत्रावली तेज़ी से फैली। लॉन्गकेस घड़ियाँ — जो बाद की लोकप्रिय संस्कृति की दादाजी-घड़ियाँ हैं — सत्रहवीं शताब्दी के अंत और अठारहवीं शताब्दी में समृद्ध घरों के लिए किफ़ायती सटीकता-यंत्रों के रूप में दिखाई दीं।

एंकर एस्केपमेंट, जो लगभग 1670 में विकसित हुआ और विभिन्न विवरणों में रॉबर्ट हुक और विलियम क्लेमेंट दोनों को श्रेय दिया जाता है, ने वर्ज यंत्रावली की जगह ली और पेंडुलम घड़ियों को छोटे झूले-चाप के साथ अधिक सुसंहत केसों में काम करने योग्य बनाया, जिससे घर्षण घटा और सटीकता और बढ़ी।

देशांतर पुरस्कार और हैरिसन का समाधान

अठारहवीं शताब्दी की शुरुआत तक, एक समस्या बची रह गई जिसे धरती पर आधारित पेंडुलम घड़ियाँ हल नहीं कर सकती थीं: समुद्र में देशांतर ढूँढना। एक जहाज़ क्षितिज के ऊपर दोपहर के सूर्य का कोण मापकर अपना अक्षांश निर्धारित कर सकता था। देशांतर ढूँढने के लिए यह जानना ज़रूरी था कि एक निश्चित संदर्भ मध्याह्न-रेखा — ब्रिटिश परंपरा के अनुसार ग्रीनविच — पर उसी समय कितना बजा है, जबकि स्थानीय दोपहर का अवलोकन किया जा रहा हो। समय का अंतर, प्रति घंटे पंद्रह डिग्री में परिवर्तित, देशांतर देता था।

इसके लिए एक ऐसी घड़ी चाहिए थी जो एक चलते जहाज़ पर, विभिन्न समुद्री अक्षांशों के तापमान-परिवर्तनों के आर-पार, महीनों समुद्र में रहने की गति और नमी के बीच सटीक समय रखे। पेंडुलम घड़ियाँ समुद्र में तुरंत विफल हो जाती थीं; लहराती गति पेंडुलम को पूरी तरह बाधित कर देती थी।

ब्रिटिश सरकार ने 1714 में देशांतर पुरस्कार स्थापित किया, जो एक व्यावहारिक समाधान के लिए £20,000 तक की पेशकश करता था। जॉन हैरिसन, एक अंग्रेज़ बढ़ई और काफ़ी हद तक स्व-शिक्षित घड़ीसाज़, ने अठारहवीं शताब्दी का अधिकांश हिस्सा समुद्री समय-यंत्रों की एक श्रृंखला के ज़रिए इस समस्या का जवाब देते हुए बिताया। उनका चौथा डिज़ाइन, जो 1759 में पूरा हुआ, तापमान-प्रतिपूरक द्विधातु संतुलन और अत्यधिक परिष्कृत लीवर एस्केपमेंट वाली एक बड़ी वॉच यंत्रावली इस्तेमाल करता था। 1761 में बारबाडोस की यात्रा पर परखा गया, इसने 81 दिनों में पाँच सेकंड के भीतर समय रखा। आगमन पर इसने जो देशांतर दिया वह बारबाडोस की ज्ञात स्थिति से दस मील के भीतर मिलता था।

हैरिसन द्वारा संभव सिद्ध किया गया समुद्री क्रोनोमीटर अगली शताब्दी के लिए मानक नौवहन यंत्र बन गया, और 1780 के दशक के बाद खींचा गया हर समुद्री चार्ट एक ऐसी घड़ी की सटीकता पर निर्भर था जो एक डिब्बे में समा सके।

पेंडुलम के बाद

बीसवीं शताब्दी ने दो और परतें जोड़ीं। क्वार्ट्ज़ क्रिस्टल ऑसिलेटर, जो 1920 के दशक में व्यावसायिक रूप से विकसित हुए, ने यांत्रिक एस्केपमेंट को क्वार्ट्ज़ क्रिस्टल के पीज़ोइलेक्ट्रिक कंपन से बदल दिया, जिससे दैनिक त्रुटि प्रति वर्ष कुछ सेकंड तक घट गई। परमाणु घड़ियाँ, जो पहली बार 1950 के दशक के मध्य में प्रदर्शित हुईं, सीज़ियम-133 परमाणुओं की अनुनाद आवृत्ति के विरुद्ध समय-मापन को मापती हैं और ऐसी सटीकता हासिल करती हैं जिसे मानवीय अनुभव के शब्दों में व्यक्त नहीं किया जा सकता — सबसे अच्छी घड़ियाँ करोड़ों वर्षों में एक सेकंड से कम खोती हैं। जीपीएस, इंटरनेट टाइम प्रोटोकॉल, और वैश्विक वित्तीय समाशोधन सभी इन्हीं पर निर्भर हैं।

एक पत्थर के कटोरे में छेद से पानी टपकाता मिस्री पुजारी, और वैश्विक समय-मानक बनाए रखने वाली परमाणु घड़ी, एक ही काम कर रहे हैं। उनके बीच की सटीकता दर्ज मानव तकनीकी विकास की पूरी अवधि का प्रतिनिधित्व करती है। जिस प्रश्न का वे उत्तर दे रहे हैं, वह अमेनहोतेप तृतीय के समय से नहीं बदला है।

अनुभव को मापने और व्यवस्थित करने की यही इच्छा अन्य बुनियादी उपकरणों को भी जन्म दे चुकी है — सहस्राब्दियों में संस्कृतियों में फैले आविष्कारों के संबंधित विवरणों के लिए कैलेंडर और वर्णमाला की उत्पत्ति देखें।