Per migliaia di anni l'uomo ha utilizzato diversi strumenti per tenere traccia dello scorrere del tempo. L'attuale sistema sessagesimale per la misurazione del tempo viene datato fino al XXI secolo a.C., ad opera dei Sumeri, popolazione che ha abitato la Mesopotamia.

Gli egizi dividevano il giorno in due parti da 12 ore ciascuna, utilizzando grossi obelischi per tracciare il movimento del Sole. A loro si deve inoltre lo sviluppo delle clessidre ad acqua, utilizzate probabilmente per la prima volta nel Grande tempio di Amon diffusesi poi anche al di fuori dell'Egitto; esse vennero utilizzate molto anche dagli antichi greci, i quali le chiamavano clepsydrae. Si ritiene che anche la dinastia Zhou abbia utilizzato degli orologi ad acqua simili, introdotti in Mesopotamia fin dal XXI secolo a.C., intorno allo stesso periodo.

Altri antichi strumenti di misura del tempo sono stati utilizzati nel corso della storia: la candela oraria, utilizzata nella Cina antica, nel Giappone antico, in Inghilterra e in Mesopotamia; la clessidra, dal funzionamento simile agli orologi ad acqua; la meridiana, che sfrutta l'ombra proiettata dal Sole su una superficie per stimare l'ora esatta in giorni soleggiati (questo la rende inutile di notte o in presenza di nuvole, e necessitava di essere ricalibrata al cambiare delle stagioni per allineare lo gnomone con l'asse terrestre).

Il primo orologio conosciuto a scappamento alimentato ad acqua, che trasferiva energia rotazionale a un meccanismo di movimento intermittente, risale al III secolo a.C. nell'antica Grecia.. Gli ingegneri cinesi, nel X secolo, svilupparono degli orologi con meccanismi di scappamento a mercurio, seguiti dagli ingegneri iraniani che, nell'XI secolo, svilupparono degli orologi ad acqua movimentati da pesi ed ingranaggi.

I primi orologi meccanici, che sfruttavano un sistema a scappamento a verga con bilanciere, vennero inventati in Europa agli inizi del XIV secolo, e costituirono lo standard nella misurazione del tempo fino all'invenzione dell'orologio a pendolo nel 1656. L'invenzione della molla di richiamo all'inizio del XV secolo permise lo sviluppo di orologi portatili, portando all'arrivo dei primi orologi da tasca nel XVII secolo, i quali però non furono molto precisi fino all'implementazione della molla a spirale nel bilanciere a metà del XVII secolo.

L'orologio a pendolo rimase lo strumento di misura più preciso fino agli anni 1930, quando vennero inventati gli oscillatori al quarzo, seguiti dagli orologi atomici dopo la seconda guerra mondiale. Inizialmente relegati all'uso da laboratorio, grazie allo sviluppo della microelettronica negli anni 1960 gli orologi al quarzo divennero ben presto compatti e economici da produrre, ed entro gli anni 1980 si imposero a livello mondiale come la tecnologia più diffusa sia negli orologi da tavolo che negli orologi da polso.

Gli orologi atomici sono di gran lunga gli strumenti più accurati per la misurazione del tempo, e sono quindi utilizzati per calibrare gli altri orologi e per determinare il tempo atomico internazionale (TAI). Anche il tempo coordinato universale (UTC), il fuso orario standard di riferimento, è basato sulla misura del tempo tramite orologi atomici.

Strumenti di misura nelle civiltà antiche

Molte civiltà antiche erano solite osservare i corpi celesti, spesso il Sole e la Luna, per tenere traccia del tempo e determinare in quale giorno o stagione si trovassero.. I primi calendari potrebbero essere stati creati durante l'ultimo periodo glaciale, da cacciatori-raccoglitori che utilizzavano strumenti rudimentali (come pezzi di legno e ossa) per seguire le fasi lunari o l'alternarsi delle stagioni. I cerchi di pietre, come Stonehenge in Inghilterra, vennero costruiti in varie parti del mondo, in particolar modo dalle popolazioni che abitavano l'Europa prima del Paleolitico, e si ritiene che venissero utilizzati per predire l'avvenimento di certi eventi stagionali ed annuali come equinozi e solstizi. Dal momento che tali civiltà dei megaliti non hanno lasciato alcuna testimonianza scritta, si conosce poco dei loro calendari e dei metodi che utilizzavano per seguire lo scorrere del tempo.. Vengono invece fatte risalire a quasi anni fa le prime testimonianze, in Mesopotamia ed Egitto, di metodi basati sul sistema sessagesimale, con cui oggi viene comunemente misurato il tempo sia in Occidente che in Oriente.. Le popolazioni mesoamericane, allo stesso modo, adattarono il loro sistema di numerazione vigesimale per ottenere calendari con anni di 360 giorni..

Antico Egitto

La più antica meridiana conosciuta è stata ritrovata nel 2013 in Egitto, nella Valle dei Re, e risale intorno al a.C. (XIX dinastia). Gli orologi che sfruttavano le ombre proiettate dal Sole, come appunto le meridiane, sono state i primi strumenti utilizzati per misurare le varie parti del giorno.. Gli antichi obelischi egizi, costruiti intorno al a.C., fanno anch'essi parte di questa categoria e rappresentano una delle prime forme di orologi del genere.

Gli orologi egizi dividevano il giorno in 12 parti, ciascuna di esse suddivise a loro volta in parti più precise. Un tipo di questi orologi consisteva in un lungo asse verticale, con cinque segni di posizione variabile su di esso, e una sbarra trasversale rialzata che proiettava la sua ombra su di essi. Lo strumento veniva posizionato verso est al mattino, e poi rivolto verso ovest a mezzogiorno. Il funzionamento dell'obelisco era analogo: l'ombra proiettata sui segni di riferimento intorno ad esso permetteva di calcolare il tempo; l'obelisco indicava inoltre se fosse mattina o pomeriggio, oltre a permettere di calcolare i solstizi di estate e di inverno. Un terzo orologio, costruito intorno al a.C., era di forma simile ad una "squadra a T"; misurava lo scorrere del tempo al variare dell'ombra proiettata dalla sbarra trasversale su di un regolo non lineare. La T veniva orientata verso est al mattino e ruotata a mezzogiorno, permettendo così di proiettare la sua ombra nella direzione opposta..

Per quanto accurati, gli orologi di questo tipo facevano affidamento sul Sole ed erano quindi inutile di notte o in giornate nuvolose. Gli egizi svilupparono perciò degli strumenti alternativi per misurare il tempo, come le clessidre ad acqua, e un sistema per tracciare il movimento delle stelle. Le prime descrizioni di una clessidra ad acqua risalgono a un'inscrizione nella tomba di Amenemhet, un ufficiale di corte del XVI secolo a.C., le quali lo identificano come l'inventore dello strumento.. Esistevano molte tipologie diverse di clessidre ad acqua, alcune più sofisticate di altre. Una di queste era costituita da una ciotola con tanti piccoli buchi sul fondo lasciata galleggiare sull'acqua: questa si riempiva con un rateo costante, e dei segni graduati sulla superficie laterale della ciotola indicavano lo scorrere del tempo mano a mano che la superficie dell'acqua li raggiungeva. La più antica clessidra ad acqua conosciuta è stata ritrovata nella tomba del faraone Amenofi I, suggerendo che esse siano state utilizzate per la prima volta nell'Antico Egitto... Un altro metodo utilizzato dagli egizi per misurare lo scorrere del tempo di notte consisteva nell'utilizzo di piombini chiamati merkhet: in uso almeno dal 600 a.C., due di questi strumenti erano allineati con Polaris, la stella polare del nord, per creare un meridiano nord-sud; il tempo veniva accuratamente misurato osservando il passaggio di certe stelle attraverso la linea creata dai due merkhet..

Antica Grecia e antica Roma

Le clessidre ad acqua, o clepsydrae, erano diventate di uso comune in antica Grecia grazie a Platone, che le introdusse in seguito ad un viaggio in Egitto e il quale inventò anche una sveglia alimentata ad acqua: secondo una versione, di notte, un contenitore pieno di sfere di piombo (libere di galleggiare in un condotto di forma colonnare) si riempiva d'acqua grazie a una cisterna che forniva costantemente acqua al condotto; di mattina il contenitore traboccava, portando le sfere di piombo a cadere su un piatto di rame e facendo abbastanza rumore da svegliare gli studenti di Platone all'interno dell'Accademia.. Secondo altre versioni, invece, la sveglia era costituita da due giare connesse da un sifone: la prima giara si svuotata d'acqua fino al raggiungere il livello del sifone, che a quel punto trasportava il liquido nella seconda giara, dove la risalita dell'acqua forzava dell'aria attraverso un fischio, causando il rumore necessario.

Nel I secolo a.C., fu presumibilmente l'architetto greco Andronico di Cirro a supervisionare la costruzione della Torre dei venti di Atene, la quale si ritiene contenesse al suo interno una clessidra ad acqua.

Nella tradizione greca, le clepsydrae venivano utilizzate all'interno dei tribunali; più tardi, anche i Romani adottarono tali strumenti nelle proprie corti. Tale pratica viene menzionata in numerose fonti storiche e letterarie dell'epoca. Ad esempio, nel suo dialogo Teeteto, Platone afferma che «quegli uomini, d'altra parte, parlano sempre in fretta, incalzati dallo scorrere dell'acqua». Un'altra menzione si ha ne Le metamorfosi (o L'asino d'oro) di Apuleio: «di nuovo, chiamato dal gran grido dell'araldo, un accusatore alquanto anziano si alza, e, versata dell'acqua in un vasetto provvisto di canna sottile a foggia d'imbuto che la lasciava colare goccia a goccia, si rivolge al popolo a seconda del tempo per parlare». Il vasetto descritto da Apuleio era uno dei tanti tipi di orologi ad acqua utilizzati al tempo. Un altro consisteva in una ciotola con un foro al centro, la quale veniva fatta galleggiare sull'acqua. Il tempo veniva misurato osservando quanto impiegava la ciotola a riempirsi d'acqua.

Nonostante le clepsydrae risultassero più utili delle meridiane – potevano essere utilizzate al chiuso, di notte, e anche in presenza di nuvole – non erano altrettanto precise; i Greci, pertanto, cercarono dei modi per migliorare i propri orologi ad acqua. Le clessidre ad acqua greche divennero più precise intorno all'anno 325 a.C., sebbene non ancora al pari delle meridiane, e furono rimodellate con una faccia dotata di una lancetta che indicava le ore, rendendo la lettura dell'ora più precisa e agevole. Uno dei problemi più frequenti per le clessidre ad acqua era dovuto alla pressione dell'acqua stessa: quando il recipiente che conteneva l'acqua si riempiva completamente, l'aumento di pressione faceva sì che il fluido fuoriuscisse più velocemente. Gli orologiai greci e romani del tempo iniziarono a preoccuparsi di questo problema a partire dall'anno 100 a.C., apportando continui miglioramenti allo strumento nei secoli successivi. Per contrastare il problema dell'innalzamento di pressione, i recipienti degli orologi ad acqua (solitamente ciotole o caraffe) vennero modificati in forma conica, con l'estremità più larga posizionata in alto: così facendo, affinché il livello dell'acqua si abbassasse sempre alla stessa velocità, inizialmente doveva fuoriuscire una quantità di liquido maggiore rispetto a quando il livello dell'acqua si trovava più basso (verso l'estremità più stretta del cono). Oltre a migliorare il funzionamento degli orologi, tali strumenti vennero inoltre resi più eleganti nell'aspetto, scandendo le ore tramite dei gong, con piccole porte che si aprivano periodicamente per mostrare delle statuine in miniatura, campane o altri meccanismi. Altri problemi, invece, come l'influenza della temperatura, rimasero irrisolti; l'acqua infatti scorre più lentamente se raffreddata, e può anche congelare.