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古時候沒有鐘錶，人們根據太陽影子的長短來判斷時間。 中國古代很早就用日晷計時。 河南省登封縣告成鎮現存元代的一個觀星台遺址，它台高約9.5米，台下有長約31.2米的南北向的“量天尺”，這是當時先進的計時建築。

用日影測時受氣象限制，很不方便。 於是人們發明了漏沙計時的“沙鐘”，燃香計時的“火鐘”，滴水計時的“水鐘”。 我國北宋蘇頌等人發明了“水運儀像台”，它是最早採用齒輪的機械計時儀，被已故著名科學史專家李約瑟譽為“現代天文鐘的鼻祖”。

17世紀中葉，意大利科學家伽利略發現了單擺的等時性。 1656年，荷蘭物理學家惠更斯利用這一性質制出了第一個實用的機械擺鐘，從此人類掌握了比較精確的測量時間的方法。 1658年英國物理學家胡克發明了有擺輪的懷錶，1760年具有時、分、秒三個針的懷錶問世，機械表更加具有實用價值。 最精確的機械鐘要數1920年問世的邵特鐘，它一晝夜誤差只有千分之一秒，被當時的天文台用來作天文鐘。

但是機械鐘怕震，一次小地震就可能使它停擺或產生較大的誤差，而且它的精度不能再提高了。 20世紀30年代石英鐘問世了，它一晝夜誤差只有萬分之一秒，充當了天文鐘的角色。

後來人們發現某些物質的分子或原子有更為穩定的計時功能，於是出現了原子鐘。 世界上第一台原子鐘1949年在美國造出。 原子鐘運行3000多年才產生1秒的誤差，所以目前天文台使用的都是原子鐘。