迄今为止，人们还未发现过一种方法，该方法能够用固有的规律性的自然现象来表征小于“日”的时间概念。不过，即使很久以前人们就认为有必要知道一天中具体的时间，也无能为力。

在白天，我们可以通过测定太阳在天空中位置的办法来确定当时的具体时刻。例如，当太阳在东方地平线冉冉升起的时候，我们称之为“黎明”；当它继续上升时称为“上午”；而“正午”是指太阳上升至最高点的时刻；当它在天空中下落的时候称之为“下午”；当它消失在西方地平线以下时称为“日落”；而当天空中只剩下一点微光时称为“日暮”。在夜晚判定时间比较困难，不过那些在夜间工作的人（如船上的望哨）可以观察天空中的星体沿其轨迹运动时在空中的不同位置来更近似地确定时间。

其实，我们可以通过记录太阳在空中的特定位置来更准确地测定时间。可是，长期利用这种方法将会对视力造成较大的损害。因此，很久以来人们一直在寻求一种既无需观察太阳，又比较简单的时间测定方法。终于，人们发现太阳会在地上投下阴影。而如果我们将一根杆子戳在地上，在太阳刚刚从东方地平线升起时，杆子的投影是很长的，当然，此时它是指向西方的，该投影随着太阳逐渐升高而越来越短，在正午时达到最短（这里以北半球为例）并指向北方。此后，该投影将越来越长并指向东方。

我们只观察杆子的投影，就可以在不伤害眼睛的情况下准确地测出太阳的位置。根据这一方法，埃及人在公元前 3000 年左右发明了“日规”，在“日规”上装有一根倾向北方的指针，这样随着太阳相对于地球的运动，该指针投影的末端将形成一道半圆的轨迹，该轨迹可被平均地划为 12 等份，每一份代表 1 小时（这一词汇源自希腊语，意思是“一天的时间”）。苏美尔人首次将 12 作为一个固定的时间划分数。“日规”在埃及的使用是十分成功的。这主要是因为，在埃及白天一般总是阳光普照，另外那里一年中白天在全天中所占的时间大致是相同的。到了远离赤道的北方，这一比例在一年中的差异将变大，而且北方的白天不时会出现多云或阴雨的天气，这样，“日规”的使用效果将大大地降低。

当然，人们还可以利用一些其他的不依靠阳光作为工具的方法，例如，我们可以根据一支材料一定、粗细一定的蜡烛点燃后燃烧的程度来测定时间，把某一燃烧长度标定为 1 小时；也可以将一定数量的沙子从沙漏的上部全部漏入下部的时间计为两小时。这些方法无论在白天还是黑夜，也无论是晴天还是阴天都可以工作，而且这类计时器携带很方便。

你可以在第一只蜡烛刚刚燃尽时立刻点燃第二只，也可以在第一批沙子刚刚从沙漏上部漏掉后立即加入等量的沙子，这样就可以持续计时。不过即便这样，以上方法也存在不少缺点：就拿蜡烛来说，不同蜡烛的燃烧率总是不一样的，即便是同一根蜡烛，在所处环境的空气成分和含量的影响下，燃烧速度也不尽相同。我们再来看看沙漏，随着位于沙漏上部沙子的减少，其流速必将由于压力的减小而越来越慢。

也许在古代最好的表（“表”这个词来源于法语，意思是“铃”。因为每过一小时，铃声就会响起来），就要数“漏壶”或称“水表”了，在该仪器中，水从上半舱通过一个小孔漏入下面的舱中。人们对“水表”的使用可追溯到公元前 15 世纪到公元前 100 年，人们用一个进水管不断地把水注入水表的上舱中，这样就完成了水表的持续计时。这时上舱中的水位是恒定的，且水漏的速率也是恒定的。在某些水表中，装有由一个小棒支撑的指针，该指针可随下半舱的水位上升而上升。于是，该指针就在运动轨迹上自动地以小时为单位来指示时间。不过，水表很容易被弄脏，而且水还会随时溅出，需要经常擦拭，因此，从中世纪以来，人们就开始考虑在重力原理上的应用。人们将一重物坠在一条绕在轴上的弦线的下端，该重物在重力的作用下开始下降，从而带动轴旋转，这样，安装在轴上的指针就可以指示时间。这一方法要求该计时器的指针在 12 小时或一天中以恒定的速率转动一周。大约在 14 世纪的时候，人们发明了“棘轮装置”。该装置由齿轮及与其啮合的转动轴构成，并允许齿轮在一定的小范围内运动，从而使各个齿轮与之发生均匀而有序次的啮合，该齿轮可帮助转动轴以恒定的速率旋转，缓慢地在全天中进行计时。

即使是最好的重力计时器也会在一天内出现一刻钟左右的误差，因此必须定时地根据“日规”进行修正。这种计时器从一般情况来看已经够精确的了，不过，对于某些科学实验来说，它还存在一定缺欠，这些实验中的某些现象往往只发生于“一小时”中的某些特定时间段里。

1581 年，在教堂工作的伽利略（当时他只有 17 岁）发现教堂的吊灯在气流作用下不时地以不同的摆幅摆动，他还发现无论摆幅有多大，吊灯的摆动频率总是相同的。他测定的依据是他自己的脉搏（其实一个人的脉搏是随他本人的运动状况和当时的心情而变化的）。伽利略到家后，他将细绳悬挂的重物以不同的摆幅摆动，从而发现了“单摆定律”（单摆一词源于拉丁语，意思是“悬挂”或者“摇摆”）。

根据这一定律，单摆可用于制成钟表中较大周期运动的齿轮，不过该装置存在两个缺点：其一是单摆的来回摆动必须保持持续性，其二是这一摆动不可能是完全周期性的。

1656 年，一位名叫奥瑞斯绨恩·海更斯的荷兰物理学家发现了一种发生在曲面上的单摆运动，并称之为“摆线”，其摆动周期是恒定的。他还制造出一种工具，利用重力给钟摆一个足以使它保持无间断地摆动下去的推力。

海更斯发明的摆钟是第一种能精确到足以供科学实验使用的计时工具。这种摆钟可以将 1 小时平均分为 60 等份，即精确到“分钟”级，同时它还是第一种拥有两个表针的钟表。当指针转过 30 度时，分针正好转过一整圈，而这段时间恰恰是 1 小时。以后，人们又制成了可以将一分钟精确分成 60 等份，即精确到“秒”的钟表，而第三个指针，即秒针也出现在表盘上了。

到今天，即使小于秒的数量级也已经可以精确测出，这的确是几代人不懈努力的结果。