تاريخ الساعات.. سباق علمي لحساب الوقت منذ فجر البشرية
من بين مجموعة قصائده التي صدرت بين عامي (1992-2001) قصيدة تحمل عنوان "أسياد الفوضى"، يقول فيها الروائي والشاعر الأمريكي "اكس جي كينيدي" (X. J. Kennedy): إن الهدف من وجود الوقت هو منع حدوث كل شيء دفعة واحدة1.
ولعل ذلك اجتزاء غير مباشر لمفهوم الزمن في ما تتبناه الفيزياء الكلاسيكية القائمة على نظريات وضعها علماء أمثال الإيطالي "غاليليو غاليلي" والإنجليزيان "إسحاق بارو" و"إسحاق نيوتن" في القرن السادس عشر، وتشير إلى أن الزمان في أصله مطلق، وأن عقارب الساعة في أي مكان في الكون تشير إلى ذات الوقت.
سهم منطلق في خط مستقيم.. نهر الزمن المتدفق في الفيزياء
يشبه الزمن في الفيزياء الكلاسيكية النهر المتدفق الذي لا يصيبه كلل ولا تعب، وبغض النظر عن منبع النهر فإن طريق مصبه واضح المعالم، فالزمن يمضي دوما إلى الأمام، والأمام كناية عن المستقبل. وذلك ما دعا عالم الفلك الإنجليزي في القرن التاسع عشر السير "أرثر إدينجتون" إلى تشبيه الزمن بالسهم المنطلق بخط مستقيم.
ويبدو أن تمثيل الزمن بالنهر الجاري يشبه إلى حد كبير ما تتصوره الفيزياء الحديثة المقترنة بالنظرية النسبية الخاصة (1905) لدى "ألبرت أينشتاين"، لكن مع بعض الفوارق الجوهرية عن قرينتها في الفيزياء الكلاسيكية، إذ يقول "أينشتاين" إن الزمان نسبي وإنه محكوم بالمكان، ويختلف الوقت من مكان إلى آخر استنادا على عاملين أساسيين هما سرعة الجسم والجاذبية المحيطة به.
ويمكن صياغة ما سبق بتعبير آخر هو أنّ الاختلاف بين النظريتين الكلاسيكية والنسبية للزمن يكمن في ثبات وتغير سرعة تدفق جريان النهر. ولعلّ ذلك مدخل مقتضب دون التطرق إلى مفهوم الزمن في النظريات الأخرى الحديثة كما في ميكانيكا الكم وفي نظرية الحقل الكمومي.
ويعود فضل تقسيم عدد الساعات بالنمط الحالي إلى تراكمات ثقافية مرّت عبر أجيال وحضارات متعاقبة، إذ يقول المختص في علم قياس الوقت "مايكل أ. لومباردي" من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في مدينة بولدر في الولايات المتحدة الأمريكية، إنه لمن حسن الحظ أن المؤرخين لديهم وثائق قديمة تفيد بأن الفراعنة هم أول من ابتكر نظاما لقياس الوقت، وذلك قبل الميلاد بـ 1500 عاما.
لكن ثمة نظرية أخرى تقول بأن الوقت والأيام هي توقيفات جاءت من عند الله عبر أنبيائه الذين علموها للناس (وعلم آدم الأسماء كلها).
ولعل الأمر يتعلق بالفكرة الأساسية في استخدام العد العشري، إذ إن عشرة أرقام ليست سوى إشارة إلى أصابع اليدين العشرة وذلك لتبسيط عملية العد، وكذا الحال بالنسبة لعدد ساعات اليوم، فما تذكره الوثائق أن المصريين القدامى قد ابتكروا مزولة شمسية يسقط بها الظل على نصف دائرة مقسمة إلى 12 جزءا متساوية، ويرمز كل جزء إلى وقت محدد ابتداء من الشروق حتى الغروب2.
ليالي الأقدمين.. ١٢ نجما لتحديد المواقيت
تبدو الساعات الشمسية القديمة فعالة للغاية بلا شك، لكن تتلاشى فعاليتها في ذات الحين مع غياب مصدر الضوء الشمس، لذا قام الفلكيون المصريون بابتكار وسيلة أخرى لحساب الوقت ليلا بتحديد 36 كوكبة نجمية يُطلق عليها بالعشريات "ديكانات" (Decans)، وتظهر تواليا في سماء الأرض على مدار عام كامل. وتستمر كل كوكبة بالظهور لمدة 10 أيام، لذلك يطلق عليها العشرية "ديكان" (مشتقة من اللفظ اليوناني ديكا أي عشرة).
كما أن كل كوكبة تحتوي على 12 نجمة تشرق يوميا من جهة الشرق عند الأفق ثم تنزاح إلى جهة الغرب، مما يشكل منحنى قطريا مائلا أثناء مرورها في عرض السماء، وبتغير موقع النجوم أثناء دوران الأرض حول نفسها يمكن الاستدلال بالوقت ليلا.
وتمثل كل عشرية نجمية "ديكان" أسبوعا كاملا في الرزنامة الفرعونية، وتمثل كل 3 ديكانات شهرا كاملا يحتوي على 30 يوما، لينتج من ذلك 360 يوما في نهاية المطاف، ويضاف إليهن 5 أيام أخرى لتكتمل أيام السنة3.
ولم يقتصر عمل هذه النجوم على تحديد الوقت ليلا، بل كانت لها دلالة لظواهر طبيعية كدورة فيضان نهر النيل السنوية عند بروز نجم الشعرى اليمانية (Sirius) المميز بشدة سطوعه بالتزامن مع الانقلاب الصيفي يوم 21 يونيو/حزيران، ولهذا السبب كان لهذه النجمة بالتحديد قدسية خاصة لدى الفراعنة وللعرب كذلك الذين أطلقوا عليها اسم الشعرى اليمانية، حتى جاء ذكرها صريحا بالقرآن الكريم في سورة النجم "وَأَنَّهُ هُوَ رَبُّ الشِّعْرَى".
آلات حساب الوقت.. من ساعة الشمس إلى ساعة الذرة
إن الساعة ليست سوى آلة لحساب وتحديد الوقت، والوقت ليس إلا كمية فيزيائية متغيرة يُشار إليه بوحدته الرئيسية "الثانية" وفقا لنظام الوحدات العالمي (System International SI) ولا يمكن اشتقاقها من أي وحدة أخرى كما هو الحال بالنسبة لوحدة قياس الطول "المتر" ووحدة قياس الكتلة "الكيلوغرام".
وقد سعى الإنسان منذ العهد القديم إلى صياغة آلية لحساب كمية الوقت الذي مضى، أو الذي سيمضي عند نقطة ما في المستقبل في ذات اليوم، إذا ما اعتبرنا أن ساعات اليوم متجددة، فما إن تنتهي 24 ساعة حتى تتجدد في اليوم التالي وهكذا.
وعلى مدار سنوات طوال من التجربة والقياس، توصلت عدة حضارات إلى آليات وآلات مختلفة لقياس الوقت، ابتداء من أبسط الساعات البدائية كالساعة الشمسية التي انتشرت منذ فجر البشرية في العالم القديم، ثم الساعة المائية والرملية والشمعية، ثم الساعة البخورية (Incense Clock) التي ذاع صيتها شرقي آسيا، وهي تعتمد على أعواد وعصي من البخور تحترق بمعدل معروف، وكذلك الساعة الرقاصة والميكانيكية، وأخيرا الساعة الإلكترونية والساعة الذرية في العصر الحديث، وكل ما ذُكر في ما سبق من أنواع الساعات كان على سبيل المثال لا الحصر.
ساعة الرمل الأوروبية.. اختراع بديل لساعة الماء المتجمدة
تعد الساعة المائية من أبرز الساعات البديلة للساعة الشمسية، ويعود أصل منشأها كذلك إلى مصر، وهي تعتمد على مبدأ بسيط في عملها، إذ يستخدم وعاء مقعر مصنوع من حجر المرمر محدد بباطنه مستويات ترمز إلى أوقات معينة من اليوم، وفي قعر الوعاء توجد فتحة ضيقة تسمح بنفاذ الماء بانسياب معلوم4.
وللساعة المائية نمطان لقراءتها، إما بحساب تغير السطح في وعاء مفرغ بسبب تدفق الماء إليه، ويعرف هذا النوع "بالتدفق الداخلي"، أو بحساب كمية الماء المنقوصة من وعاء مخروط الشكل وممتلئ بمقدار معين، ويطلق على هذا النوع "التدفق الخارجي"5.
وقد انتقل استخدام الساعة المائية إلى الإغريق والرومان إلا أنها لم تلق رواجا لها في كافة أوروبا بسبب تجمد الماء عند درجات الحرارة المنخفضة، لذا لجأوا إلى حيلة بتعويض الماء بالتراب، لكن كان استخدامها محدودا للغاية، إذ تعمل كمؤقت لفترة زمنية محددة.
وتذكر المصادر أن اليونانيين كانوا إذا صعد أحد الفلاسفة أو الخطباء أمثال ديموستيني وأرسطو ليلقي كلمة، فإنهم يضعون قدرا من الماء في الساعة ليحددوا الوقت المسموح به منعا من أن تطول الخطبة، وتعتمد كمية الماء المسكوبة على مكانة الخطيب وموضوع الكلمة6.
الساعة الرقاصة.. ابنة الثورة العلمية الأوروبية
مع ازدهار الثورة العلمية التي حلت على أوروبا بين القرنين السادس عشر والسابع عشر، ومع شيوع الفلسفة الآلية (Mechanical philosophy) التي تشير إلى أن هذا الكون يعمل كآلة، وأن كل شيء قابل للوصف حركيا داخل إطار رياضي محكم؛ قام العالم الإيطالي "غاليليو غاليلي" بوضع أول نموذج لساعة ميكانيكية قبل وفاته عام 1642، ثم تبعه بأعوام قليلة عالم الفيزياء الشهير "كريستيان هيغنز" ليصنع أول ساعة رقاصة عام 1656، وقد كان أدق اختراع لقياس وتحديد الوقت لحظة ظهوره7.
تتسم الساعة الرقاصة باعتمادها على حركة بعض التروس المتداخلة وعلى الطاقة الكامنة وعلى الرقاص، لتشكل تحفة هندسية ميكانيكية خلف الكواليس وينتج عنها حركة العقارب بانتظام على قرص الساعة الظاهر لأعين الناظر.
إن بناء ساعة تعتمد على الحركة ليس بالأمر الشاق البتة، فكل ما قد نحتاج إليه هو تحريك عقرب الثواني بأنفسنا كل ثانية، ثم عقرب الدقائق كل 60 ثانية، فعقرب الساعات كل 60 دقيقة وهكذا إلى أن يمضي اليوم، ولكن يبدو عملا مجهدا ومملا للغاية، لذا كان ضروريا أن نجعل ذلك يعمل تلقائيا وأوتوماتيكيا بتزويد الساعة بطاقة معينة، وذلك سيوفر علينا الكثير من الجهد وكذلك الوقت. لكن كيف يمكن ذلك؟
لقد استطاع العلماء فيما مضى توظيف قوة الجاذبية وربطها بمفهوم الطاقة لصالحهم، إذ إن أي جسم على ارتفاع معين يمتلك طاقة تُعرف بالطاقة الكامنة (potential energy)، وتعتمد على كتلة الجسم وارتفاع الجسم عن السطح وتسارع الجاذبية، وتتحول هذه الطاقة إلى نوع آخر يُعرف بالطاقة الحركية (Kinetic energy) يكتسبها الجسم مع تغير ارتفاعه عن السطح، وهناك تناسب طردي بين الطاقة الكامنة والطاقة الحركية8.
بهذا المفهوم البسيط للطاقة استطاع العالم "هيغنز" تزويد الساعة بطاقة كامنة تتمثل بكتلة على ارتفاع بمقدار ما، وربط الكتلة بعقارب الساعة بآلية معينة عبر تروس متشابكة، إذ إن كل عقرب له وقت محدد لكي يدور، فعقرب الثواني يحتاج إلى ثانية ليتحرك وهكذا.
ثمّ تزود الساعة بالرقاص الذي يتأرجح وفق مقدار زمني معين –غالبا يكون تأرجحه من أقصى اليمين إلى أقصى اليسار يعادل ثانية واحدة– وذلك لكي يحافظ على مسار عمل التروس، ويتميز استخدام الرقاص في قياس الوقت اعتماده على تقنية الحركة التوافقية (Harmonic oscillator).
ساعات كوارتز.. تحول من الميكانيكا إلى الانضغاط الكهربائي
تشبه ساعات الكوارتز إلى حد كبير مثيلتها الساعات الرقاصة في مبدأ العمل، إذ تحتويان كلتاهما على تروس متداخلة يحرك بعضها بعضا، لكن يكمن الاختلاف الجوهري في نوع الطاقة المزودة لتحريك التروس.
تعتمد ساعات الكوارتز على ذبذبات ذات تردد دقيق للغاية يولدها مذبذب بلوري (Crystal oscillator)، وتنتج تلك الذبذبات بفعل الرنين الميكانيكي لمواد بلورية مثل معدن المرو "الكوارتز" الذي يمتلك خاصية الكهرباء الانضغاطية، وينتج عنها إشارة كهربائية بتردد دقيق، ويستخدم هذا التردد لتتبع الوقت9.
اكتشفت هذه التقنية بواسطة المخترعين "وارن ماريسون" و"ج. هورتون" عام 1927، ومنذ ذلك الحين شاع استخدام ساعات الكوارتز بين كافة طبقات المجتمع، ليس فقط لدقتها وسهولة استخدامها، بل لأن معدن المرو "الكوارتز" يعد من أكثر المعادن انتشارا على سطح الكرة الأرضية كذلك.
ولم تتوقف محاولات العلماء الحثيثة إلى التوصل إلى ما هو أدق من ساعات الكوارتز لحساب الوقت، لذا نشهد اليوم ظهور الساعات الذرية وهي أقصى تقنية توصلت إليها البشرية حتى هذه اللحظة.
الساعة الذرية.. أدق ما وصل إليه الإنسان في حساب الوقت
إن عملية حساب الوقت تتمحور بشكل رئيسي حول حساب عدد الفترات بين مجالين محددين في فترة زمنية ما (غالبا تكون ثانية)، فمثلا تعتمد الساعة الرقاصة على أرجحة النواس من أقصى اليمين إلى أقصى الشمال، ويطلق على ذلك دورة. وكذا الحال بالنسبة لساعات الكوارتز التي تعتمد على الذبذبة الصادرة من المتذبذب البلوري، وتعادل تلك الذبذبات 32768 دورة في الثانية الواحدة.
فكلما كان عدد الدورات أعلى، كانت دقة الساعة في حساب الوقت أدق، ولعل الاعتماد على الجسيمات دون الذرية "مثل الإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة" تعد فكرة صائبة لهذا الغرض، وإذا ما تعرضت هذه الإلكترونات لترددات معينة من الإشعاع كالموجات الراديوية، فإنها ستنتقل بين مجالين مختلفين حول النواة بسرعة فائقة للغاية، ويطلق على ذلك الانتقال باللغة العلمية الدارجة "القفز بين المستويات"10.
المصادر:
[1] كينيدي، اكس. جو (1996). مجموعة قصائد: أسياد الفوضى. ص153
[2] محررو الموقع (2007). لماذا تقسم الدقيقة إلى 60 ثانية، والساعة إلى 60 دقيقة، بينما لا يوجد سوى 24 ساعة في اليوم؟. تم الاسترداد من: www.scientificamerican.com
[3] سايمونز، سارة. تاسكر، إليزابيث (2016). نجوم الموتى، اكتشاف جداول غامضة تحتوي على معلومات فلكية في توابيت فرعونية عمرها 4000 سنة. تُرى ماذا كان الغرض منها؟ تم الاسترداد من: www.scientificamerican.com
[4] جيسبرسن، جيمس. رادلوف، جين (1999). من الساعات الشمسية إلى الساعات الذرية. ص34
[5] مينتز، داينيز (2007). ضبط الوقت في العالم القديم: الساعات المائية. تم الاسترداد من: www.mathshistory.st-andrews.ac.uk
[6] ألين، دانيال (1996). جدول الحدود: استكشاف انطلق من الساعة المائية في عصر أثينا. جامعة كامبريدج بريس، كامبريدج. ص157-160
[7] لينهارد، جون. الساعة الرقاصة. تم الاسترداد من: www.uh.edu
[8] وود، فورد (2020). الساعات الرقاصية. تم الاسترداد من: www.explainthatstuff.com
[9] محررو الموقع. كيف تعمل ساعات الكوارتز؟. تم الاسترداد من: www.chelseaclock.com
[10] ساوي، بنيامين (2019). أين توجد الساعة الأكثر دقة في العالم؟. تم الاسترداد من: www.worldatlas.com
https://doc.aljazeera.net/%D8%AA%D9%82%D8%A7%D8%B1%D9%8A%D8%B1/%D8%AA%D8%A7%D8%B1%D9%8A%D8%AE-%D8%A7%D9%84%D8%B3%D8%A7%D8%B9%D8%A7%D8%AA-%D8%B3%D8%A8%D8%A7%D9%82-%D8%B9%D9%84%D9%85%D9%8A-%D9%84%D8%AD%D8%B3%D8%A7%D8%A8-%D8%A7%D9%84%D9%88%D9%82%D8%AA-%D9%85%D9%86/?fbclid=IwAR0ZrnON1h7bEilPuFHRUc4yj0PlffLt0ni1xPqnmoqgVlwc5ObfY7ro9Qw
ولعل ذلك اجتزاء غير مباشر لمفهوم الزمن في ما تتبناه الفيزياء الكلاسيكية القائمة على نظريات وضعها علماء أمثال الإيطالي "غاليليو غاليلي" والإنجليزيان "إسحاق بارو" و"إسحاق نيوتن" في القرن السادس عشر، وتشير إلى أن الزمان في أصله مطلق، وأن عقارب الساعة في أي مكان في الكون تشير إلى ذات الوقت.
سهم منطلق في خط مستقيم.. نهر الزمن المتدفق في الفيزياء
يشبه الزمن في الفيزياء الكلاسيكية النهر المتدفق الذي لا يصيبه كلل ولا تعب، وبغض النظر عن منبع النهر فإن طريق مصبه واضح المعالم، فالزمن يمضي دوما إلى الأمام، والأمام كناية عن المستقبل. وذلك ما دعا عالم الفلك الإنجليزي في القرن التاسع عشر السير "أرثر إدينجتون" إلى تشبيه الزمن بالسهم المنطلق بخط مستقيم.
ويبدو أن تمثيل الزمن بالنهر الجاري يشبه إلى حد كبير ما تتصوره الفيزياء الحديثة المقترنة بالنظرية النسبية الخاصة (1905) لدى "ألبرت أينشتاين"، لكن مع بعض الفوارق الجوهرية عن قرينتها في الفيزياء الكلاسيكية، إذ يقول "أينشتاين" إن الزمان نسبي وإنه محكوم بالمكان، ويختلف الوقت من مكان إلى آخر استنادا على عاملين أساسيين هما سرعة الجسم والجاذبية المحيطة به.
ويمكن صياغة ما سبق بتعبير آخر هو أنّ الاختلاف بين النظريتين الكلاسيكية والنسبية للزمن يكمن في ثبات وتغير سرعة تدفق جريان النهر. ولعلّ ذلك مدخل مقتضب دون التطرق إلى مفهوم الزمن في النظريات الأخرى الحديثة كما في ميكانيكا الكم وفي نظرية الحقل الكمومي.
"ستون هنج" أو البناء الحجري واحد من أقدم أدوات معرفة الوقت والفصول على الكرة الأرضية وهو موجود في بريطانيا
تقسيم الوقت.. هدية الحضارة الفرعونية إلى الإنسان
قد يتساءل أحدهم لماذا لدينا 24 ساعة في اليوم، ولماذا ليس أي رقم آخر اعتباطي؟ والعديد من التساؤلات الأخرى التي لا تحمل أي معنى في طرحها في الوقت الحاضر، لكنها قد تكون معضلة حقيقية بالنسبة لأولئك البشر الذين عاشوا في الماضي، فانعدام وسيلة لتحديد الوقت باستمرار يفضي إلى فقدانه، والوقت المفقود يضيع دائما إلى الأبد.ويعود فضل تقسيم عدد الساعات بالنمط الحالي إلى تراكمات ثقافية مرّت عبر أجيال وحضارات متعاقبة، إذ يقول المختص في علم قياس الوقت "مايكل أ. لومباردي" من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في مدينة بولدر في الولايات المتحدة الأمريكية، إنه لمن حسن الحظ أن المؤرخين لديهم وثائق قديمة تفيد بأن الفراعنة هم أول من ابتكر نظاما لقياس الوقت، وذلك قبل الميلاد بـ 1500 عاما.
لكن ثمة نظرية أخرى تقول بأن الوقت والأيام هي توقيفات جاءت من عند الله عبر أنبيائه الذين علموها للناس (وعلم آدم الأسماء كلها).
ولعل الأمر يتعلق بالفكرة الأساسية في استخدام العد العشري، إذ إن عشرة أرقام ليست سوى إشارة إلى أصابع اليدين العشرة وذلك لتبسيط عملية العد، وكذا الحال بالنسبة لعدد ساعات اليوم، فما تذكره الوثائق أن المصريين القدامى قد ابتكروا مزولة شمسية يسقط بها الظل على نصف دائرة مقسمة إلى 12 جزءا متساوية، ويرمز كل جزء إلى وقت محدد ابتداء من الشروق حتى الغروب2.
مزولة الأقصى العمودية قائمة منذ عام 1927 وشاهدة على الوقت
ليالي الأقدمين.. ١٢ نجما لتحديد المواقيت
تبدو الساعات الشمسية القديمة فعالة للغاية بلا شك، لكن تتلاشى فعاليتها في ذات الحين مع غياب مصدر الضوء الشمس، لذا قام الفلكيون المصريون بابتكار وسيلة أخرى لحساب الوقت ليلا بتحديد 36 كوكبة نجمية يُطلق عليها بالعشريات "ديكانات" (Decans)، وتظهر تواليا في سماء الأرض على مدار عام كامل. وتستمر كل كوكبة بالظهور لمدة 10 أيام، لذلك يطلق عليها العشرية "ديكان" (مشتقة من اللفظ اليوناني ديكا أي عشرة).
كما أن كل كوكبة تحتوي على 12 نجمة تشرق يوميا من جهة الشرق عند الأفق ثم تنزاح إلى جهة الغرب، مما يشكل منحنى قطريا مائلا أثناء مرورها في عرض السماء، وبتغير موقع النجوم أثناء دوران الأرض حول نفسها يمكن الاستدلال بالوقت ليلا.
وتمثل كل عشرية نجمية "ديكان" أسبوعا كاملا في الرزنامة الفرعونية، وتمثل كل 3 ديكانات شهرا كاملا يحتوي على 30 يوما، لينتج من ذلك 360 يوما في نهاية المطاف، ويضاف إليهن 5 أيام أخرى لتكتمل أيام السنة3.
ولم يقتصر عمل هذه النجوم على تحديد الوقت ليلا، بل كانت لها دلالة لظواهر طبيعية كدورة فيضان نهر النيل السنوية عند بروز نجم الشعرى اليمانية (Sirius) المميز بشدة سطوعه بالتزامن مع الانقلاب الصيفي يوم 21 يونيو/حزيران، ولهذا السبب كان لهذه النجمة بالتحديد قدسية خاصة لدى الفراعنة وللعرب كذلك الذين أطلقوا عليها اسم الشعرى اليمانية، حتى جاء ذكرها صريحا بالقرآن الكريم في سورة النجم "وَأَنَّهُ هُوَ رَبُّ الشِّعْرَى".
آلات حساب الوقت.. من ساعة الشمس إلى ساعة الذرة
إن الساعة ليست سوى آلة لحساب وتحديد الوقت، والوقت ليس إلا كمية فيزيائية متغيرة يُشار إليه بوحدته الرئيسية "الثانية" وفقا لنظام الوحدات العالمي (System International SI) ولا يمكن اشتقاقها من أي وحدة أخرى كما هو الحال بالنسبة لوحدة قياس الطول "المتر" ووحدة قياس الكتلة "الكيلوغرام".
وقد سعى الإنسان منذ العهد القديم إلى صياغة آلية لحساب كمية الوقت الذي مضى، أو الذي سيمضي عند نقطة ما في المستقبل في ذات اليوم، إذا ما اعتبرنا أن ساعات اليوم متجددة، فما إن تنتهي 24 ساعة حتى تتجدد في اليوم التالي وهكذا.
وعلى مدار سنوات طوال من التجربة والقياس، توصلت عدة حضارات إلى آليات وآلات مختلفة لقياس الوقت، ابتداء من أبسط الساعات البدائية كالساعة الشمسية التي انتشرت منذ فجر البشرية في العالم القديم، ثم الساعة المائية والرملية والشمعية، ثم الساعة البخورية (Incense Clock) التي ذاع صيتها شرقي آسيا، وهي تعتمد على أعواد وعصي من البخور تحترق بمعدل معروف، وكذلك الساعة الرقاصة والميكانيكية، وأخيرا الساعة الإلكترونية والساعة الذرية في العصر الحديث، وكل ما ذُكر في ما سبق من أنواع الساعات كان على سبيل المثال لا الحصر.
ساعة الرمل الأوروبية.. اختراع بديل لساعة الماء المتجمدة
تعد الساعة المائية من أبرز الساعات البديلة للساعة الشمسية، ويعود أصل منشأها كذلك إلى مصر، وهي تعتمد على مبدأ بسيط في عملها، إذ يستخدم وعاء مقعر مصنوع من حجر المرمر محدد بباطنه مستويات ترمز إلى أوقات معينة من اليوم، وفي قعر الوعاء توجد فتحة ضيقة تسمح بنفاذ الماء بانسياب معلوم4.
وللساعة المائية نمطان لقراءتها، إما بحساب تغير السطح في وعاء مفرغ بسبب تدفق الماء إليه، ويعرف هذا النوع "بالتدفق الداخلي"، أو بحساب كمية الماء المنقوصة من وعاء مخروط الشكل وممتلئ بمقدار معين، ويطلق على هذا النوع "التدفق الخارجي"5.
وقد انتقل استخدام الساعة المائية إلى الإغريق والرومان إلا أنها لم تلق رواجا لها في كافة أوروبا بسبب تجمد الماء عند درجات الحرارة المنخفضة، لذا لجأوا إلى حيلة بتعويض الماء بالتراب، لكن كان استخدامها محدودا للغاية، إذ تعمل كمؤقت لفترة زمنية محددة.
وتذكر المصادر أن اليونانيين كانوا إذا صعد أحد الفلاسفة أو الخطباء أمثال ديموستيني وأرسطو ليلقي كلمة، فإنهم يضعون قدرا من الماء في الساعة ليحددوا الوقت المسموح به منعا من أن تطول الخطبة، وتعتمد كمية الماء المسكوبة على مكانة الخطيب وموضوع الكلمة6.
تتميز الساعة الرقاصة بوجود بندول يهتز جيئة وذهابا كل ثانية
الساعة الرقاصة.. ابنة الثورة العلمية الأوروبية
مع ازدهار الثورة العلمية التي حلت على أوروبا بين القرنين السادس عشر والسابع عشر، ومع شيوع الفلسفة الآلية (Mechanical philosophy) التي تشير إلى أن هذا الكون يعمل كآلة، وأن كل شيء قابل للوصف حركيا داخل إطار رياضي محكم؛ قام العالم الإيطالي "غاليليو غاليلي" بوضع أول نموذج لساعة ميكانيكية قبل وفاته عام 1642، ثم تبعه بأعوام قليلة عالم الفيزياء الشهير "كريستيان هيغنز" ليصنع أول ساعة رقاصة عام 1656، وقد كان أدق اختراع لقياس وتحديد الوقت لحظة ظهوره7.
تتسم الساعة الرقاصة باعتمادها على حركة بعض التروس المتداخلة وعلى الطاقة الكامنة وعلى الرقاص، لتشكل تحفة هندسية ميكانيكية خلف الكواليس وينتج عنها حركة العقارب بانتظام على قرص الساعة الظاهر لأعين الناظر.
إن بناء ساعة تعتمد على الحركة ليس بالأمر الشاق البتة، فكل ما قد نحتاج إليه هو تحريك عقرب الثواني بأنفسنا كل ثانية، ثم عقرب الدقائق كل 60 ثانية، فعقرب الساعات كل 60 دقيقة وهكذا إلى أن يمضي اليوم، ولكن يبدو عملا مجهدا ومملا للغاية، لذا كان ضروريا أن نجعل ذلك يعمل تلقائيا وأوتوماتيكيا بتزويد الساعة بطاقة معينة، وذلك سيوفر علينا الكثير من الجهد وكذلك الوقت. لكن كيف يمكن ذلك؟
لقد استطاع العلماء فيما مضى توظيف قوة الجاذبية وربطها بمفهوم الطاقة لصالحهم، إذ إن أي جسم على ارتفاع معين يمتلك طاقة تُعرف بالطاقة الكامنة (potential energy)، وتعتمد على كتلة الجسم وارتفاع الجسم عن السطح وتسارع الجاذبية، وتتحول هذه الطاقة إلى نوع آخر يُعرف بالطاقة الحركية (Kinetic energy) يكتسبها الجسم مع تغير ارتفاعه عن السطح، وهناك تناسب طردي بين الطاقة الكامنة والطاقة الحركية8.
بهذا المفهوم البسيط للطاقة استطاع العالم "هيغنز" تزويد الساعة بطاقة كامنة تتمثل بكتلة على ارتفاع بمقدار ما، وربط الكتلة بعقارب الساعة بآلية معينة عبر تروس متشابكة، إذ إن كل عقرب له وقت محدد لكي يدور، فعقرب الثواني يحتاج إلى ثانية ليتحرك وهكذا.
ثمّ تزود الساعة بالرقاص الذي يتأرجح وفق مقدار زمني معين –غالبا يكون تأرجحه من أقصى اليمين إلى أقصى اليسار يعادل ثانية واحدة– وذلك لكي يحافظ على مسار عمل التروس، ويتميز استخدام الرقاص في قياس الوقت اعتماده على تقنية الحركة التوافقية (Harmonic oscillator).
وبقيت الساعة الرقاصية رمزا وإرثا حاضرا بشكل جلي في المنازل والمجالس التاريخية دلالة على استخدام دام لقرون طويلة قبل ظهور التقنية الحديثة الأكثر تداولا اليوم وهي ساعات الكوارتز.
لا تزال معظم الساعات الحائطية تصنع من الكوارتز لدقته ورخص سعره نسبيا
ساعات كوارتز.. تحول من الميكانيكا إلى الانضغاط الكهربائي
تشبه ساعات الكوارتز إلى حد كبير مثيلتها الساعات الرقاصة في مبدأ العمل، إذ تحتويان كلتاهما على تروس متداخلة يحرك بعضها بعضا، لكن يكمن الاختلاف الجوهري في نوع الطاقة المزودة لتحريك التروس.
تعتمد ساعات الكوارتز على ذبذبات ذات تردد دقيق للغاية يولدها مذبذب بلوري (Crystal oscillator)، وتنتج تلك الذبذبات بفعل الرنين الميكانيكي لمواد بلورية مثل معدن المرو "الكوارتز" الذي يمتلك خاصية الكهرباء الانضغاطية، وينتج عنها إشارة كهربائية بتردد دقيق، ويستخدم هذا التردد لتتبع الوقت9.
اكتشفت هذه التقنية بواسطة المخترعين "وارن ماريسون" و"ج. هورتون" عام 1927، ومنذ ذلك الحين شاع استخدام ساعات الكوارتز بين كافة طبقات المجتمع، ليس فقط لدقتها وسهولة استخدامها، بل لأن معدن المرو "الكوارتز" يعد من أكثر المعادن انتشارا على سطح الكرة الأرضية كذلك.
ولم تتوقف محاولات العلماء الحثيثة إلى التوصل إلى ما هو أدق من ساعات الكوارتز لحساب الوقت، لذا نشهد اليوم ظهور الساعات الذرية وهي أقصى تقنية توصلت إليها البشرية حتى هذه اللحظة.
الساعة الذرية من عنصر السيزيوم هي الأدق على الإطلاق وهي التي يحسب وفقا لها بطء حركة الأرض
الساعة الذرية.. أدق ما وصل إليه الإنسان في حساب الوقت
إن عملية حساب الوقت تتمحور بشكل رئيسي حول حساب عدد الفترات بين مجالين محددين في فترة زمنية ما (غالبا تكون ثانية)، فمثلا تعتمد الساعة الرقاصة على أرجحة النواس من أقصى اليمين إلى أقصى الشمال، ويطلق على ذلك دورة. وكذا الحال بالنسبة لساعات الكوارتز التي تعتمد على الذبذبة الصادرة من المتذبذب البلوري، وتعادل تلك الذبذبات 32768 دورة في الثانية الواحدة.
فكلما كان عدد الدورات أعلى، كانت دقة الساعة في حساب الوقت أدق، ولعل الاعتماد على الجسيمات دون الذرية "مثل الإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة" تعد فكرة صائبة لهذا الغرض، وإذا ما تعرضت هذه الإلكترونات لترددات معينة من الإشعاع كالموجات الراديوية، فإنها ستنتقل بين مجالين مختلفين حول النواة بسرعة فائقة للغاية، ويطلق على ذلك الانتقال باللغة العلمية الدارجة "القفز بين المستويات"10.
المصادر:
[1] كينيدي، اكس. جو (1996). مجموعة قصائد: أسياد الفوضى. ص153
[2] محررو الموقع (2007). لماذا تقسم الدقيقة إلى 60 ثانية، والساعة إلى 60 دقيقة، بينما لا يوجد سوى 24 ساعة في اليوم؟. تم الاسترداد من: www.scientificamerican.com
[3] سايمونز، سارة. تاسكر، إليزابيث (2016). نجوم الموتى، اكتشاف جداول غامضة تحتوي على معلومات فلكية في توابيت فرعونية عمرها 4000 سنة. تُرى ماذا كان الغرض منها؟ تم الاسترداد من: www.scientificamerican.com
[4] جيسبرسن، جيمس. رادلوف، جين (1999). من الساعات الشمسية إلى الساعات الذرية. ص34
[5] مينتز، داينيز (2007). ضبط الوقت في العالم القديم: الساعات المائية. تم الاسترداد من: www.mathshistory.st-andrews.ac.uk
[6] ألين، دانيال (1996). جدول الحدود: استكشاف انطلق من الساعة المائية في عصر أثينا. جامعة كامبريدج بريس، كامبريدج. ص157-160
[7] لينهارد، جون. الساعة الرقاصة. تم الاسترداد من: www.uh.edu
[8] وود، فورد (2020). الساعات الرقاصية. تم الاسترداد من: www.explainthatstuff.com
[9] محررو الموقع. كيف تعمل ساعات الكوارتز؟. تم الاسترداد من: www.chelseaclock.com
[10] ساوي، بنيامين (2019). أين توجد الساعة الأكثر دقة في العالم؟. تم الاسترداد من: www.worldatlas.com
https://doc.aljazeera.net/%D8%AA%D9%82%D8%A7%D8%B1%D9%8A%D8%B1/%D8%AA%D8%A7%D8%B1%D9%8A%D8%AE-%D8%A7%D9%84%D8%B3%D8%A7%D8%B9%D8%A7%D8%AA-%D8%B3%D8%A8%D8%A7%D9%82-%D8%B9%D9%84%D9%85%D9%8A-%D9%84%D8%AD%D8%B3%D8%A7%D8%A8-%D8%A7%D9%84%D9%88%D9%82%D8%AA-%D9%85%D9%86/?fbclid=IwAR0ZrnON1h7bEilPuFHRUc4yj0PlffLt0ni1xPqnmoqgVlwc5ObfY7ro9Qw