El fraccionament del dia i de la nit recolzà originàriament en el moviment aparent del Sol i dels estels per la volta celeste, i els primers rellotges aprofitaren aquest moviment, conseqüència de la rotació de la Terra, per a indicar el transcurs de les hores. Instruments astronòmics com el rellotge de sol, l’astrolabi i el nocturlabi sorgiren per a poder efectuar, indirectament o directament, la lectura de l’hora indicada pel rellotge celeste mitjançant l’observació de la posició dels astres respecte de l’horitzó local. Per disposar de l’hora actualitzada en qualsevol moment, independentment de l’observació astronòmica, nasqueren els rellotges que disposen d’un sistema o mecanisme que intenta de seguir fidelment, o imitar al màxim, el període del moviment aparent del Sol. D’aquests rellotges autònoms es destaquen els d’aigua, d’arena, de foc, els mecànics, els electrònics i els atòmics.
En un rellotge són importants dues qualitats: la precisió o exactitud i la sensibilitat o definició. La precisió és el seu marge d’error màxim en un dia (avançament o retard), mentre que la sensibilitat és la unitat de temps més petita que amb ell hom pot apreciar. L’augment progressiu de precisió ha comportat un augment de la sensibilitat. Abans del rellotge de pèndola la precisió dels rellotges mecànics o d’aigua es resumia aproximadament en una hora al dia i la unitat de temps més petita que podien assenyalar normalment era el quart d’hora. Amb l’invent revolucionari del pèndol, la precisió pogué augmentar fins al voltant d’un segon al dia i els rellotges començaren a mesurar el segon. L’electrificació dels rellotges de pèndola i la introducció de nous oscil·ladors, com el diapasó, continuaren augmentant la precisió i la sensibilitat dels rellotges fins que l’electrònica facultà l’aprofitament de les qualitats piezoelèctriques del quars per a la mesura del temps.
El rellotge de quars permeté la mesura de mil·lèsimes de segon amb una variació de menys d’un segon a l’any. Un nou avenç tecnològic creà el rellotge atòmic, que permet la mesura de milionèsimes de segon amb una variació màxima d’una fracció de segon en un mil·lenni. Els rellotges dotats d’un moviment molt estable i regular posaren en evidència les irregularitats dels moviments de la Terra. Primer fou el rellotge mecànic de pèndola el que assolí una regularitat més gran que no pas el moviment aparent del Sol, el qual és variable a causa de l’el·lipticitat de l’òrbita terrestre i de la inclinació de l’eix de la Terra (equació del temps). Així fou decididament desbancat el rellotge de sol. Més tard, els rellotges electrònics de quars i els atòmics han acabat per posar en evidència les petites irregularitats del període de rotació propi de la Terra. S’independitzà, així, la mesura del temps realitzada pels rellotges autònoms de la que es desprèn dels moviments astronòmics. Al llarg de l’evolució del rellotge, s’ha passat d’utilitzar els astres per a saber l’hora a utilitzar els rellotges per a controlar els moviments dels astres.
L’Oficina Internacional de l’Hora (BIH) adequa constantment l’hora dels rellotges atòmics, seguint les irregularitats del gir de la Terra, per tal que l’hora dels rellotges no es desfasi del cicle astronòmic (hora temps), ja que els rellotges atòmics proporcionen una base de temps més estable que la que es desprèn dels moviments del planeta. La repetició constant d’un moviment oscil·latori ha donat origen als rellotges més perfectes. La freqüència d’aquest moviment és determinant a l’hora de millorar l’estabilitat del rellotge. Així, els rellotges de pèndola i de volant, amb una gamma de freqüències entre les 0,1 i 5 oscil·lacions per segon (hertz) i un marge d’error, en condicions de laboratori, de pocs segons a la setmana, han estat superats en precisió pels rellotges electrònics de quars, de freqüències compreses entre 30 i 1 000 megahertz i amb un error de fraccions de segon a l’any. Al seu torn, els rellotges de quars s’han vist superats pels rellotges atòmics que, amb una freqüència d’uns 10 000 megahertz, només tenen un error estimat en una fracció de segon en un mil·lenni.
La mesura del temps al llarg de la història
Els primers procediments destinats a conèixer l’hora del dia es basaven en la determinació de la posició del Sol respecte de l’horitzó. El rellotge de sol més antic és el gnòmon (cap al 3500 aC), que consistia en un pal o estil clavat verticalment sobre una superfície plana i horitzontal damunt de la qual es projectava la seva ombra. La longitud i la direcció de l’ombra assenyalaven l’hora del dia. Aquesta observació també es podia efectuar directament amb un quadrant, que permetia de mesurar l’altura angular del Sol. Dels primitius tipus de rellotges de sol, com l’hemisfèric caldeu, l’escafé grec o l’hemisferi romà, han derivat els models que encara s’usen actualment (equatorials, polars, horitzontals, verticals, etc). El rellotge de sol més antic que es conserva procedeix d’Egipte, data del regnat del faraó Tuthmosis (segle VIII aC) i és portàtil.
Els primers rellotges destinats a conservar l’hora determinada pels astres, foren els d’aigua (clepsidra). Hom en coneix des dels temps de l’antic Egipte, i subsistiren, seguint un lleugera evolució, fins al naixement del rellotge mecànic al voltant de l’any 1300. El romà Vitruvi esmenta en el seu llibre De Architectura diversos rellotges de sol i d’aigua.
L’origen del rellotge d’arena és ben desconegut, bé que, per la seva similitud amb els d’aigua, hom pot suposar que data de molt antic. Per a la construcció, però, d’un rellotge d’arena amb les característiques dels que hom coneix actualment, calia que aparegués el vidre transparent, cosa que no succeí fins al segle XIII. Hom diu que els primers rellotges d’arena es construïren simultàniament a Egipte i a Catalunya.
A l’antiga Xina hom utilitzava també rellotges d’aigua, de foc i aromàtics. Fou a la Xina del segle XI on aparegué per primera vegada un escapament mecànic. L’astrònom Su Sung construí una clepsidra en què l’aigua, procedent d’un flux continu, s’anava acumulant en un cullerot. Quan aquest era ple, basculava per efecte del pes de l’aigua i alliberava, mitjançant unes palanques, una gran roda, que avançava així una fracció exacta de volta.
En els monestirs de l’Europa medieval hom bastí les clepsidres complementant-les amb mecanismes sonors per a despertar o per a assenyalar una hora concreta. En el món àrab (s. VIII-XIII) hom construïa clepsidres molt més sofisticades que, a més de la soneria, incorporaven autòmats que assenyalaven les hores amb llur moviment. Cal desmentir l’atribució de l’invent del rellotge mecànic al papa Silvestre II (Gerbert d’Orlhac), fet que ha estat contestat pels principals estudiosos del tema. L’escapament, mecanisme precursor del rellotge mecànic nasqué a Europa vers l’any 1300 en un lloc desconegut, probablement del nord d’Itàlia. Els primitius rellotges mecànics eren proveïts d’un escapament de paletes i un rudimentari oscil·lador, dit l’esperit o foliot.
Durant els 300 anys següents, aquests elements només sofriren modificacions menors. Al principi, aquests rellotges no tenien busques ni esfera, ni tan sols tocaven les hores; simplement actuaven de despertador o avisador per tal que l’encarregat de tocar l’hora accionés manualment una campana. Molt aviat servirien per a accionar directament les campanes d’un campanar o una torre pública, a les quals hom afegiria els jaquemarts o autòmats antropoides que colpejaven les campanes. Més tard, també hi foren afegides les grans esferes visibles des de l’exterior, amb una sola busca, l’horària (la minutera no apareixeria fins al segle XVII, gairebé simultàniament amb la secundària). Només una sola busca tenien també els primers rellotges de paret que hom començà d’instal·lar a l’interior dels edificis.
Pels volts del 1500 aparegueren a Nuremberg, fabricats pel manyà Peter Henlein, els primers rellotges portàtils, originats en substituir el pes per una molla espiral. Els rellotges portàtils es portaven penjats al pit o a la cintura o a l’interior de la butxaca. L’any 1582 Galileu descobrí una propietat del pèndol que provocaria un canvi revolucionari en l’art de mesurar el temps: l’isocronisme. De fet, no fou fins al final de la seva vida que Galileu, ja cec, ideà d’aplicar el pèndol per a constituir l’òrgan regulador dels rellotges mecànics. El seu fill Vincenzo construí un model de rellotge de pèndola, avui desaparegut, seguint la idea del seu pare, bé que no l’acabà. Només en resta un dibuix, atribuït fins fa poc al mateix Galileu i que actualment hom suposa fet per Viviani, amic i biògraf seu.
El físic i astrònom holandès Christiaan Hygens fou el responsable de l’aplicació generalitzada del pèndol a la mesura del temps des que el 1657 un rellotger de la Haia, Simon Coster, fabricà el primer rellotge de pèndola seguint les seves indicacions. Aquest rellotge es conserva al Rijksmuseum d’Amsterdam. Huygens també volia aconseguir un rellotge amb la precisió del de pèndola que fos transportable a bord dels vaixells de la marina holandesa, aleshores molt poderosa. Aquesta ambició el portà a fer un nou i important invent: l’oscil·lador de volant-espiral. Aquestes dues aplicacions de Huygens formaren part dels millors rellotges durant els tres segles següents, fins a l’aparició del rellotge de quars al segle XX. Mentrestant, les millores dels rellotges de pèndola i de volant consistiren en el disseny de nous escapaments (Hooke 1660, Graham 1715, Bloxam 1853, Becket 1859), la invenció de diversos mecanismes per a compensar les variacions de freqüència que els oscil·ladors patien amb els canvis de temperatura, i la supressió de fregaments innecessaris. En aquest sentit, es deu al matemàtic Fatio la incorporació dels robins i altres pedres precioses en els coixinets de les rodes amb l’objectiu de disminuir-ne el fregament i el desgast. La precisió dels rellotges portàtils arribà a un grau màxim amb la cursa que els governs de les principals potències marítimes del món portaren a terme durant el segle XVIII i que fou guanyada pels britànics amb els cronòmetres de marina d’un fuster autodidacte anomenat John Harrison. El cronòmetre Harrison núm. 4, una mica més gros que un rellotge de butxaca, aconseguí de mantenir l’hora exacta en alta mar durant 61 dies amb el lleugeríssim error de nou segons.
La irrupció de l’electricitat en la mesura del temps es produí a l’entorn del 1830, quan hom començà a instal·lar dispositius elèctrics per a donar corda als rellotges o per a mantenir directament les oscil·lacions de les pèndoles i dels volants o d’oscil·ladors mecànics de nova concepció, com el diapasó, que naixien amb el suport directe de l’electricitat. L’any 1866 N.Niaudet construí per primer cop un rellotge de taula que feia servir un diapasó com a patró de temps. No fou, però, fins el 1960 que es començaren a fabricar en sèrie rellotges de diapasó portàtils. El descobriment, l’any 1880, de les propietats piezoelèctriques del quars pels germans Pierre i Jaques Curie permeté que, l’any 1928, W.A.Morrison i J.W.Horton construïssin el primer rellotge que utilitzava un oscil·lador de cristall de quars. L’aparició en el mercat de rellotges de quars fabricats en sèrie s’esdevingué l’any 1969.
El següent i darrer gran pas que ha fet la ciència de mesurar el temps fou el rellotge atòmic (o més precisament, el rellotge molecular). Les primeres experiències dirigides a l’estabilització de les oscil·lacions generades per un cristall de quars a través de la vibració d’una molècula d’amoníac foren dutes a terme cap a l’any 1933. Fins el 1948 hom no pogué materialitzar en un laboratori el desenvolupament dels conceptes necessaris per a l’ús d’aquest oscil·lador com a patró de freqüències, un cop madurats els equips i les tècniques pròpies de les microones, potenciats durant la Segona Guerra Mundial. El primer dispositiu horari basat en l’efecte de filtratge de freqüències per una línia d’absorció de l’amoníac fou realitzat per Lyons i els seus col·laboradors en el National Bureau of Standards (NBS) nord-americà. El rellotge de Lyons, però, no donà el resultat esperat. El 1953 hom aplicà les tècniques màser, acabades de descobrir, per produir i amplificar la ressonància pròpia de la inversió de la molècula d’amoníac que serviria de base per al primer oscil·lador molecular actiu: el màser d’amoníac. La seva freqüència resultava dependent, però, de la geometria i de les condicions de funcionament del dispositiu, per la qual cosa les investigacions subsegüents s’encaminaren cap a la recerca d’un altre tipus de molècula, la d’hidrogen, o cap a d’altres principis i tècniques com el broll o feix atòmic, preconitzada per Rabí, i que seria aplicada als àtoms de cesi i tal·li. Aquesta tècnica, sobre la qual es basen els dispositius quàntics absoluts per a la mesura del temps, així com l’actual definició del segon, nasqueren conceptualment l’any 1945 als EUA. La primera observació de la transició del cesi s’observà en l’esmentat NBS el 1952, i el primer rellotge de cesi fou construït a Teddington (Gran Bretanya) per Essen i els seus col·laboradors del National Physical Laboratory.
Des de sempre, l’home havia basat les unitats de temps en els moviments de la Terra. La unitat fonamental de temps en el Sistema Mètric Decimal era el segon, definit com la 1/86 400 part del dia solar mitjà. L’any 1934, R.Sheibe i U.Adelsberger detectaren per primera vegada, mitjançant un rellotge de quars, petites variacions en la velocitat de rotació de la Terra, variacions que foren confirmades en aparèixer els rellotges atòmics. La definició del segon ja no era satisfactòria. Els rellotges posaven de manifest els defectes de la Terra i el temps astronòmic perdia protagonisme en favor del temps atòmic. L’any 1967, la XIII Conferència General de Pesos i Mesures decidí d’adoptar la següent definició, basada en el rellotge atòmic: el segon és la durada de 9 192 631 770 períodes de la radiació corresponent a la transició entre dos nivells hiperfins de l’estat fonamental de l’àtom de cesi-133. L’extraordinària precisió i sensibilitat dels rellotges atòmics ha permès d’efectuar tota mena de millores en mesures de distàncies astronòmiques, deriva continental, temps de vida de partícules elementals, etc.
El temps derivat dels rellotges atòmics, Temps Atòmic Internacional (International Atomic Time: IAT) no és, en certa mesura, adequat per a les necessitats diàries, ja que és més regular i estable que el cicle natural del dia i de la nit (a causa de les irregularitats del moviment de la Terra). Per tal d’evitar un progressiu desfasament entre l’escala de temps atòmic i l’escala astronòmica o biològica regida per la Terra i el Sol, hom ha creat el Temps Universal Coordinat (Universal Coordinated Time: UTC) que és el mateix IAT modificat en un segon de tant en tant per tal de mantenir l’hora dels rellotges d’acord amb el Sol. L’UTC és el que serveix de base per a establir l’hora oficial dels diversos fusos horaris.
La història del rellotge als Països Catalans
Pel que fa a la història del rellotge als Països Catalans, cal dir que un rellotge de sol de gnòmon vertical i un rellotge d’aigua semimecànic són els primers rellotges que poden ésser considerats genuïnament catalans, ja que consten, conjuntament amb d’altres referències a quadrants i astrolabis, en un document del segle X procedent del monestir de Ripoll, que és gairebé contemporani a la fundació de Catalunya. Amb anterioritat a aquest document hom coneix restes de diversos rellotges de sol romans (hemisferi) procedents d’excavacions a Guimerà, Rubí i Florejacs. Hom només pot especular amb la utilitat relacionada amb la mesura del temps que tindrien certs monuments prehistòrics com el santuari lunisolar de la Pola (serra de l’Obac) i les taules de Menorca que, en qualsevol cas, estarien més relacionats amb el calendari que amb les fraccions del dia.
El testimoni del rellotge d’aigua de Ripolll és un dels documents més apreciats de la història mundial del rellotge, ja que descriu amb minuciositat la constitució d’un mecanisme despertador mogut amb pesos de plom i que és accionat per la clepsidra a l’hora fixada prèviament. Hom coneix un dibuix, conservat a l’Arxiu de la Corona d’Aragó, datat aproximadament del segle XIII, que representa un rellotge d’aigua musical, una mica més evolucionat que el de Ripoll, i que cal classificar dins la mateixa categoria dels rellotges despertadors monàstics.
De la València andalusina hom pot esmentar el testimoni que el viatger ibn Ǧubayr de Xàtiva portà del gran rellotge de Damasc que havia observat pels volts de l’any 1200. Malgrat la gran tradició àrab en la construcció d’elaborades clepsidres i rellotges de sol, els únics instruments per a mesurar el temps que han arribat dels àrabs valencians són uns pocs astrolabis ideats per al-Sahlī ial-Nu’man. Es conserven tractats de l’astrolabi d’Abū-l-Saly de Dénia i un altre d’ibn al-Saffar de Còrdova, escrit però a Dénia, on visqué els darrers anys de la seva vida lliurat a la docència. A ibn al-Saffar també és atribuït un rellotge de sol i un tractat sobre el mateix. Ramon Llull és l’autor d’una de les més antigues descripcions del nocturlabi o rellotge d’estels, que consta per partida doble en la seva Nova Geometria i en el tractat de medicina, on l’empra com a instrument auxiliar per a poder administrar els medicaments als malalts a les hores convenides.
Als segle XIV, quan acabaven d’aparèixer els primers rellotges mecànics, el rei Pere el Cermoniós féu construir un gran rellotge de campanar al seu palau de Perpinyà. Cal emmarcar la construcció d’aquest rellotge magne (1356) dins de la primitiva expansió del nou invent que, presumptament sorgit al nord d’Itàlia pels volts de l’any 1300, s’escampà ràpidament per tot Europa. Malgrat que del rellotge no queda cap rastre, el llibre de comptes on foren registrades totes les incidències econòmiques d’aquella obra és també un document molt apreciat internacionalment pel seu valor de testimoni social, tecnològic i econòmic. Són diversos els rellotgers que consten en els documents del rei Pere. En llur major part foren jueus de Perpinyà, Mallorca, Barcelona i València. El rellotger més famós fou Bernat Desplà, autor del primer rellotge (1401) de la catedral de Barcelona. Bernat Vidal féu el segon (1465) i Jaume Ferrer els dos següents (1490 i 1494). Els flamencs Simon Nicolau i Climent Ossen feren el cinquè (1576), que encara es conserva, després d’haver funcionat durant quasi 300 anys. en el Museu de la Ciutat de Barcelona. El sisè (1865), que encara funciona, fou construït per Albert Billeter, rellotger suís establert a Gràcia. Billeter també fou l’autor de diversos rellotges astronòmics, els més importants dels quals es conserven actualment al palau del Congrés de Madrid i a la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona. A Vic hi ha referències d’un rellotge fer per Guillem de Bellestar abans de l’any 1283. Joan de la Pedra, rellotger de Palamós, construí l’any 1445 un rellotge astronòmic per a la Seu. A Girona el primer rellotge de la catedral fou fet per Joan Agustí vers el 1478, el segon per Pere Anès l’any 1568 i el tercer l’any 1784 per Antoni Safoy. Joan Perellada en féu un per a la parròquia de La Selva del Camp l’any 1479. També consten encara el rellotge públic a Lleida (1390) fet per Antonio Core, el de la ciutat de Mallorca (1386), anomenat popularment ‘d’en Figuera’’, el de València (1415), situat a la sala del Consell, i el del Miquelet (1446), que funcionà fins el 1684.
Pel que fa als rellotges domèstics, cal esmentar un important focus artesanal desenvolupat durant el segle XVIII a diverses poblacions del Principat. El primitivisme de la seva tècnica féu pensar, durant els anys cinquanta, a experts europeus que es tractava de rellotges dels segles XVI i XVII. La investigació pertinent (encara no conclosa) demostrà que foren fets, sens dubte durant el segle XVIII i al principi del XIX i que els rudiments tècnics eren més imputables a un origen no totalment rellotger de llurs artesans. Efectivament, entre ells hom troba sovint relacions molt profundes amb la indústria de les armes de foc que, per aquells temps, convertí Ripoll, conjuntament amb moltes altres viles de Catalunya, en un dels principals focus armers d’Europa. D’algunes de les famílies dedicades a aquella manufactura sorgiren els rellotgers que, per la tècnica característica que els envoltava, donaren un aspecte prou particular a llurs rellotges, que els situava molt per darrere de la modernitat de les indústries rellotgeres europees contemporànies. Una de les característiques més particulars d’aquells rellotges és l’escapament d’àncora sumament rudimentari i sense parió en el món, que fou batejat com a escapament català durant una reunió informal mantinguda en el marc del congrés del 1958 de la societat alemanya Freunde der Alter Uhren. Actualment hi ha censats una vuitantena de rellotges sobrevivents d’aquell focus artesanal, la gran majoria gravats amb el nom de la vila on foren construïts i alguns amb el nom de l’autor. Si hom ha de mesurar la importància de cada localitat pel nombre de rellotges que ens han arribat, hauria de posar en primer lloc Moià (25 rellotges) i Arenys de Munt (24), seguits de Sant Joan de les Abadesses (12), Gironella (10), Manresa (4), Mataró i Olot (3), Igualada (2) i Barcelona, Centelles, i Vic (1). En l’estat actual de la investigació, es coneixen els noms de la família Roca d’Arenys (Francesc, Feliu i Josep), Pere Didier de Barcelona, Josep Casanoves de Centelles, Ratera d’Igualada, Miquel i Josep Rosal de Manresa, Josep Ball i Josep Saldari de Mataró, Josep Sentesteve i Francesc Crusat a Moià, Joan Estorc, Tomàs i Oms a Olot i la família Bover a Sant Joan de les Abadesses.
Queda encara per posar de relleu la relació que tindrien entre elles les diferents seus artesanals, bé que hom sap que els rellotgers d’Arenys, Igualada i Sant Joan estigueren relacionats, en major o menor grau, amb la indústria d’armes de foc. A la ciutat de Villena també hi hagué un focus artesanal de rellotgeria domèstica (Pedro Navarro i López Osorio) al final del segle XVIII i al començament del XIX, sense relació coneguda amb els rellotgers del Principat. Tots aquells obradors rellotgers familiars desaparegueren al principi del segle XIX, i la tradició no fou continuada. A mitjan segle XIX, Albert Billeter protagonitzà un intent fallit de distribució de l’hora elèctricament a diversos rellotges públics de Barcelona, a partir del rellotge de la catedral fet per ell mateix, que havia d’actuar de rellotge Patró. Al començament del segle XX, Eduard Fontserè organitzà, des de la Reial Acadèmia de Ciències, la primera xarxa horària municipal a Barcelona que funcionà correctament fins que la distribució de l’hora per ràdio i la precisió creixent dels rellotges particulars la féu innecessària.