Asal-Usul: Bagaimana Jam Ditemukan

Hari membagi dirinya secara alami menjadi dua bagian: kegelapan dan cahaya. Hewan mengetahui ini. Tumbuhan mengetahui ini. Manusia, pada suatu titik di masa lampau yang dalam, memutuskan bahwa biner ini tidak cukup tepat, dan memulai kerja panjang membagi waktu menjadi unit-unit yang lebih kecil dan bisa dihitung. Yang mengikutinya adalah empat ribu tahun instrumen yang semakin presisi yang dirancang untuk menjawab pertanyaan yang ternyata, ketika diperiksa dengan saksama, jauh lebih sulit dari yang terlihat.

Mitos yang nyaman adalah bahwa suatu jenius menemukan jam pada momen historis tertentu. Kenyataannya lebih menarik: penunjukan waktu dibangun dalam potongan-potongan, oleh budaya-budaya berbeda di milenium yang berbeda, masing-masing memecahkan kegagalan spesifik dari apa yang ada sebelumnya.

Mesir dan masalah bayangan

Instrumen penunjuk waktu tertua yang terdokumentasi adalah milik Mesir, berasal dari periode Kerajaan Baru, sekitar abad ke-15 hingga ke-14 SM. Dua jenis bertahan dalam catatan arkeologis.

Jam bayangan adalah perangkat berbentuk T sederhana dengan lengan horizontal yang memproyeksikan bayangan melintasi skala berskala seiring matahari bergerak sepanjang hari. Di pagi hari, Anda mengarahkannya ke timur. Saat tengah hari, Anda memutarnya ke barat. Jam-jam yang dihasilkannya tidak sama panjangnya — mereka meluas dan menyusut seiring musim, membagi siang hari menjadi pecahan daripada melacak posisi matahari dengan presisi matematis — tetapi bisa diulang dan, yang terpenting, tidak memerlukan apa pun selain sinar matahari untuk beroperasi.

Jam air Mesir, yang kemudian disebut orang Yunani clepsydra, menggunakan wadah batu atau keramik berskala dengan lubang kecil yang dikalibrasi di dasarnya. Air menetes keluar dengan laju yang kira-kira konstan, dan permukaan di dalamnya menunjukkan berapa banyak periode yang diukur telah berlalu. Contoh tertua yang masih bertahan, ditemukan di kuil Karnak dan kini berada di Museum Kairo, berasal dari masa pemerintahan Amenhotep III pada abad ke-14 SM. Permukaan dalamnya memiliki dua belas kolom berskala yang sesuai dengan dua belas bulan kalender Mesir — para perancangannya sudah memahami bahwa laju tetesan sedikit bervariasi dengan suhu, dan mereka sudah membangun koreksinya.

Orang Mesir juga menggunakan merkhet, instrumen bidik yang digunakan berpasangan untuk menandai berlalunya waktu di malam hari dengan melacak posisi bintang-bintang yang dikenal melintasi meridian. Penentuan waktu transit bintang, secara prinsip, lebih akurat daripada penentuan waktu bayangan, tetapi memerlukan langit yang cerah, cakrawala yang tidak terhalang, dan seorang pendeta yang bersedia berdiri di luar pukul 3 pagi untuk memeriksa keselarasan. Itu adalah instrumen spesialis untuk khalayak spesialis.

Masalah dengan jam air

Jam air secara teoritis sederhana tetapi secara praktis sulit. Air membeku. Ia menguap. Laju alirannya berubah dengan suhu dan dengan tinggi air di atas outlet, yang terus menurun seiring wadah mengosong. Wadah yang setengah kosong berjalan lebih lambat dari yang penuh, yang berarti jam air mana pun tanpa mekanisme koreksi menyimpang secara sistematis sepanjang hari.

Para pembuat jam air yang rumit di Tiongkok dan dunia Islam abad pertengahan mengatasi masalah ini dengan kecerdikan yang cukup besar — ruang kepala konstan, mekanisme pelampung, roda gigi astronomis. Jam air yang dibangun oleh al-Jazari pada awal abad ke-13 menggabungkan figur-figur otomatis dan indikator fase bulan. Jam Dinasti Song yang dibangun di bawah arahan Su Song sekitar 1088 berdiri hampir sepuluh meter tingginya dan menggerakkan bola peta langit melalui rantai penggerak.

Namun air membeku di musim dingin, mekanismenya memerlukan perawatan konstan, dan perangkat-perangkat rumit ini tidak dapat menjawab pertanyaan yang pada akhirnya akan membuat semua jam air menjadi usang: bisakah Anda mendengar pukul berapa dari seberang kota?

Lonceng mengubah segalanya. Begitu sebuah jam bisa berdenting, pengukuran waktu menjadi sesuatu yang dirasakan bersama oleh semua orang dalam jangkauan pendengaran daripada sesuatu yang hanya tersedia bagi orang yang menonton wadah.

Escapement

Jam mekanik pertama muncul di Eropa suatu saat pada akhir abad ke-13. Bukti dokumenter paling jelas adalah referensi tentang jam mekanik di Dunstable Priory di Inggris pada 1283, diikuti oleh contoh-contoh yang terdokumentasi di Prancis, Italia, dan Negeri Rendah sepanjang tahun 1290-an dan awal 1300-an. Biara-biara adalah tempat kelahiran yang mungkin: para biarawan perlu menandai jam-jam kanonik secara tepat, memiliki insentif institusional untuk berinvestasi dalam penunjukan waktu, dan memiliki sumber daya pengerjaan logam untuk bereksperimen dengan mekanisme baru.

Penemuan kuncinya adalah escapement verge-dan-foliot. Verge adalah poros vertikal dengan dua proyeksi bersudut kecil, yang disebut pallet, yang secara bergantian bergesekan dengan gigi roda mahkota horizontal. Terpasang di atas verge adalah foliot, sebuah batang horizontal dengan bobot kecil yang bisa disesuaikan di setiap ujungnya. Saat roda mahkota yang digerakkan oleh beban berusaha berputar, pallet menangkap dan melepas setiap gigi secara bergantian, memperlambat rotasi menjadi urutan tik-tok yang terkontrol. Momen inersia foliot menentukan lajunya; memindahkan bobotnya ke dalam mempercepat jam dan memindahkannya ke luar memperlambatnya.

Mekanismenya kasar menurut standar kemudian. Jam menara terbaik pada abad ke-13 dan ke-14 menyimpang sepuluh hingga lima belas menit per hari, yang membuatnya tidak cocok untuk aplikasi yang memerlukan presisi. Yang mereka berikan adalah keteraturan — jumlah ketukan yang sama per jam, setiap jam, setiap hari, dalam cuaca apa pun — dan kemampuan didengar. Menara gereja di seluruh Eropa memperoleh mekanisme pemukulan mekanik sepanjang abad ke-14, dan dentingan jam yang teratur merestrukturisasi kehidupan perkotaan di sekitar ritme bersama yang publik. Pasar dibuka saat lonceng berbunyi. Proses hukum memiliki batas waktu. Para pekerja bernegosiasi soal jam kerja daripada tugas.

Per dan portabilitas

Pada awal abad ke-15, para pengrajin di kota-kota Jerman, khususnya Nuremberg, telah mengganti penggerak beban dengan per logam berbentuk gulungan. Per memungkinkan jam dibuat cukup kecil untuk dibawa. Jam portabel pertama — kadang disebut jam drum atau telur Nuremberg, meski bentuk telur lebih banyak muncul dalam mitologi kemudian daripada contoh-contoh awal — adalah wadah bulat atau silindris yang berisi mekanisme bertenaga per yang cukup akurat untuk menunjukkan waktu secara kasar dan cukup mahal untuk menandakan kekayaan secara tegas.

Masalah teknis dengan penggerak per adalah ketidakkonsistenan. Per yang digulung memberikan lebih banyak gaya saat penuh dan lebih sedikit saat mengendur, membuat stabilitas laju lebih buruk dari penggerak beban kecuali dikoreksi. Fusee — katrol berbentuk kerucut yang memvariasikan tuas mekanis saat per membalik — dikembangkan pada pertengahan abad ke-15 dan menyamakan torsi yang dikirimkan ke escapement di seluruh rentang perjalanan per.

Jam bertenaga per memungkinkan, untuk pertama kalinya, seseorang membawa waktu di saku. Pada pertengahan abad ke-16, para pembuat jam di Augsburg, Nuremberg, dan Jenewa memproduksi karya yang diperkecil. Arloji sebagai benda sehari-hari bagi individu kaya muncul dari tradisi ini, meski akurasi tetap terbatas oleh ketidakstabilan bawaan escapement verge.

Huygens dan pendulum

Penunjukan waktu mekanik tetap kasar hingga 1656, ketika fisikawan dan astronom Belanda Christiaan Huygens menerapkan wawasan yang telah Galileo Galilei gambarkan beberapa dekade sebelumnya tanpa sepenuhnya memanfaatkannya: pendulum dengan panjang tetap berayun dalam periode yang konsisten, dan periode ini bergantung pada panjang pendulum daripada pada busur ayunannya (dalam batas tertentu).

Huygens membangun jam pendulum menggunakan properti ini dan menunjukkan akurasi yang sebelumnya tidak mungkin dicapai dalam instrumen mekanik. Kesalahan harian turun dari sepuluh hingga lima belas menit yang khas pada jam verge terbaik menjadi di bawah satu menit, dan dengan penyempurnaan menjadi beberapa detik per hari. Huygens mematenkan desainnya pada 1657 dan mekanismenya menyebar dengan cepat. Jam lantai — jam kakek dalam budaya populer kemudian — muncul sepanjang akhir abad ke-17 dan ke-18 sebagai instrumen presisi terjangkau untuk rumah tangga yang makmur.

Anchor escapement, yang dikembangkan sekitar 1670 dan dikaitkan dengan Robert Hooke maupun William Clement dalam berbagai laporan, menggantikan mekanisme verge dan memungkinkan jam pendulum beroperasi dalam kotak yang lebih kompak dengan busur ayunan yang lebih kecil, mengurangi gesekan dan meningkatkan akurasi lebih lanjut.

Hadiah Longitude dan solusi Harrison

Pada awal abad ke-18, satu masalah tersisa yang tidak dapat dipecahkan oleh jam pendulum berbasis darat: menemukan garis bujur di laut. Sebuah kapal dapat menentukan garis lintangnya dengan mengukur sudut matahari tengah hari di atas cakrawala. Menemukan garis bujur memerlukan pengetahuan, secara bersamaan, tentang waktu yang tepat di meridian referensi yang tetap — Greenwich, menurut konvensi Inggris — sambil mengamati tengah hari lokal. Perbedaan waktu, dikonversi pada lima belas derajat per jam, memberikan garis bujur.

Ini memerlukan jam yang mempertahankan waktu yang akurat di atas kapal yang bergerak, melewati perubahan suhu di berbagai garis lintang samudra, melalui gerakan dan kelembapan berbulan-bulan di laut. Jam pendulum langsung gagal di laut; gerakan bergoyang mengganggu pendulum sepenuhnya.

Pemerintah Inggris menetapkan Hadiah Longitude pada 1714, menawarkan hingga £20.000 untuk solusi yang praktis. John Harrison, seorang tukang kayu Inggris dan pembuat jam yang sebagian besar belajar mandiri, menghabiskan sebagian besar abad ke-18 untuk menjawab masalah tersebut melalui serangkaian pengatur waktu laut. Desain keempatnya, yang diselesaikan pada 1759, menggunakan mekanisme arloji besar dengan keseimbangan bimetalik pengkompensasi suhu dan escapement lever yang sangat disempurnakan. Diuji dalam perjalanan ke Barbados pada 1761, ia mempertahankan waktu dalam batas lima detik selama 81 hari. Garis bujur yang dihasilkannya saat tiba sesuai dengan posisi Barbados yang diketahui dalam jarak sepuluh mil.

Kronometer laut yang Harrison buktikan mungkin menjadi instrumen navigasi standar untuk abad berikutnya, dan setiap peta samudra yang digambar setelah tahun 1780-an bertumpu pada akurasi jam yang cukup kecil untuk muat dalam sebuah kotak.

Setelah pendulum

Abad ke-20 menambahkan dua lapisan lagi. Osilator kristal kuarsa, yang dikembangkan secara komersial pada tahun 1920-an, menggantikan escapement mekanik dengan getaran piezoelektrik kristal kuarsa, mengurangi kesalahan harian menjadi beberapa detik per tahun. Jam atom, yang pertama kali didemonstrasikan pada pertengahan tahun 1950-an, mengukur penunjukan waktu terhadap frekuensi resonansi atom sesium-133 dan mencapai akurasi yang tidak dapat dinyatakan dalam istilah pengalaman manusia — yang terbaik kehilangan kurang dari satu detik selama ratusan juta tahun. GPS, protokol waktu internet, dan kliring keuangan global semuanya bergantung padanya.

Pendeta Mesir yang meneteskan air melalui lubang di mangkuk batu, dan jam atom yang mempertahankan standar waktu global, melakukan hal yang sama. Presisi di antara keduanya mewakili seluruh rentang perkembangan teknis manusia yang tercatat. Pertanyaan yang mereka jawab tidak berubah sejak masa Amenhotep III.

Dorongan yang sama untuk mengukur dan mengorganisasi pengalaman menghasilkan peralatan-peralatan fondasi lainnya — lihat asal-usul kalender dan alfabet untuk kisah-kisah terkait tentang penemuan-penemuan yang menyebar lintas budaya selama ribuan tahun.