По изменениям длины и направления тени можно было не только измерять время, но также наблюдать взаимные перемещения Солнца и Земли. Нет сомнения в том, что математики и астрономы допифагорейской эпохи, к которым относились также Анаксимандр и Фалес, использовали результаты измерений для изучения движения космических тел. Кроме вавилонян, египтян и греков, изучением движения Солнца занимались и другие народы, например индусы и перуанские инки. Астрономические солнечные часы инков имели различные формы. Некоторые из них были похожи на наклонно установленные каменные диски, а другие — на низкую многогранную каменную колонну. Подобные сооружения, цель которых не во всех случаях полностью выяснена, были обнаружены и в Европе. Вблизи Уатмура в Эмсланде найдена группа камней, расположенных квадратом, самый крупный из которых находился в середине. Их расположение в плане свидетельствует о том, что уже в доисторическую эпоху они служили для получения данных о времени, с которым были связаны культовые обряды. На территории Великобритании до сих пор сохранилось более 200 подобных объектов. Как правило, это круговое скопление камней с расположенным посередине алтарем. Например, при археологическом исследовании в Стаффордшайре обнаружены четыре крупных камня, расположенные в направлении главных стран света. Пространство, ограниченное этими камнями, перекрещивается наклонным камнем, видимо, являвшимся главной частью больших солнечных часов. Положение этих солнечных часов позволяет, помимо определения времени суток, узнать и время летнего и зимнего солнцестояния. Однако самым интересным объектом этого рода является Стоунхендж, расположенный на Салисбургской равнине в центральной части Великобритании в 132 км к западу от Лондона. Имеются предположения, что концентрически расположенная группа камней и колонн, окруженная двумя круглыми рядами камней, была не только местом культовых обрядов у галлов, бриттов и ирландцев, но и астрономическим устройством, определяющим время солнцестояния. Возникновение этого сооружения с осью симметрии, образуемой широкой дорожкой и каменным блоком — гномоном, называемого Friars Heels, над которым всегда точно в день летнего солнцестояния восходит Солнце, относят к периоду 1840-1680 гг. до н.э. [3] О первоначальном виде всего объекта в Стоунхендже существует много суждений.

Особо благоприятные климатические условия для измерения времени с помощью солнечных часов имел Египет. Известия о самых древних из древнеегипетских солнечных часов относятся к эпохе правления Тутмоса III — первой половине XV в. до н.э. [4] Это сравнительно небольшой прибор, горизонтальная часть которого — линейка с хронометрической шкалой длиной около 30 см — имеет другое, перпендикулярное плечо, отбрасывающее тень на шкалу.

При измерении времени линейка со шкалой устанавливалась так, чтобы тень вертикального плеча под линейкой падала как раз на линейку со шкалой. Расстояние конечной точки тени от нулевой прямой у основания указателя указывало время суток.

Другим видом египетских солнечных часов были ступенчатые часы в виде обелиска с двумя наклонными поверхностями, ориентированными по оси восток — запад и разделенными на ступени. При восходе Солнца тень падала на край верхней ступеньки одной из этих поверхностей — восточной, затем постепенно опускалась, пока к полудню полностью не исчезала. Затем, после полудня, тень снова появлялась в нижней части западной поверхности, откуда она все подымалась до тех пор, пока при заходе Солнца не касалась грани верхней ступеньки.

На описанных выше солнечных часах время измерялось длиной, а не направлением отбрасываемой тени. Однако египтяне имели солнечные часы и со шкалой для определения направления отбрасываемой тени. Самым старым доказательством этого являются, конечно, вертикальные солнечные часы из слоновой кости, украшенные мифологическими рельефами, найденные при раскопках в месте Гезер в Палестине. Они восходят к эпохе правления фараона Мернефта в начале XIII в. до н.э. Другие настенные вертикальные солнечные часы были обнаружены тоже при раскопках в Луксоре. Хронометрические шкалы этих часов были различными. Портативные часы с перпендикулярной плоскостью тени имели деления через 13°, а стационарные часы — через 15°. Для получения правильного показания времени было необходимо, чтобы верхняя линия шкалы была горизонтальной и чтобы шкала составляла прямой угол с плоскостью местного меридиана. Поскольку египтянам того времени компас еще не был известен, они с этой целью вынуждены были вести наблюдения за моментами солнцестояний или равноденствиями.

Египетские гномоны были весьма неточными хронометрическими приборами. Они показывали время правильно лишь дважды в год — в дни весеннего и осеннего равноденствия. Позднее под влиянием греков египтяне стали строить солнечные часы с особыми шкалами для разных месяцев.

Первая встреча греков с солнечными часами произошла, по-видимому, на острове Додеканес, куда их занесли халдеи. Завоевание Вавилона Александром Великим способствовало слиянию халдейской и эллинской культур. И Анаксимандр Милетский, который будто бы установил в Греции первый гномон в конце V в. до н.э., черпал свои знания, по-видимому, в Египте, где он изучал астрономию. Указывают, что именно Анаксимандр построил в Спарте в 547 г. до н.э. первые солнечные часы. Однако первоначально эти часы были предназначены не для измерения времени суток, а для контроля и корректирования календарных данных.

Среди простого народа распространился обычай измерять время длиной тени от собственного тела. Знание времени имело для грека весьма важное значение, так как, помимо срока его трудовых обязанностей, время указывало на приближение желанного момента для подкрепления пищей и для отдыха. В книге «Де ре рустика», написанной примерно около 400 г., Палладий указывает, что длина тени измерялась также длиной человеческой стопы. Правильность этого утверждения Палладия подтверждают и таблички, вытесанные на античном храме V-VI вв. в Техсе в Нубии. Известный римский архитектор и зодчий Маркус Витрувий, работавший во времена правлений Цезаря и Августа, описывает в своем сочинении «Архитектура» не менее 13 видов солнечных часов. К ним относятся и не совсем обычные для северных областей Европы горизонтальные полые полусферические часы — так называемые гемисферы. Внутренняя поверхность полушария представляла небесную полусферу с линией экватора, двумя линиями солнцестояния и с двенадцатичасовой шкалой времени. Изобретение таких часов приписывают известному античному астроному Аристарху из Самеса, жившему в 320-250 гг. до н.э., который изготовил также солнечные часы с полукруглыми шкалами, разделенными на пять частей (часов) неодинаковой длины. В совершенствовании греческих солнечных часов большое участие принимал и известный математик, врач, основатель греческой астрономии Евдокс из Книдоса, живший в 408-356 гг. до н.э. Бывший ранее учеником Платона, он написал свое знаменитое сочинение о небесных явлениях, движениях звезд и атмосферных явлениях, склоняясь в этой работе к геоцентрической теории.

Острый конец гномона, служивший первоначально египтянам для четкого ограничения тени на шкале, греки позднее заменили небольшим круглым отверстием, так называемым солнечным оком, бросавшим на шкалу небольшую световую точку. Кроме указанных выше горизонтальных часов, греки имели еще и более совершенные вертикальные солнечные часы, так называемые гемоциклы, которые они располагали на общественных зданиях.

В Рим солнечные часы попали из Греции. Римский военачальник Папириус Курсор приказал в 93 г. до н.э. построить солнечные часы в храме Квиринал, а через 30 лет после этого консул Манлиус Валериус Мессала привез из Сицилии другие солнечные часы, которые затем установили на Римском форуме рядом с ораторской трибуной. Хотя эти часы были сконструированы для параллели, находившейся на 4° южнее, они все же служили в Риме почти 100 лет — до 164 г. до н.э., пока Квинтий Марцин Филиппус не построил рядом с ними другие солнечные часы, которые уже были приспособлены к географическому положению Рима. Около 250 г. до н.э., и позднее в Риме появились портативные солнечные часы в виде пластинок из бронзы или слоновой кости. При раскопках в 1755 г. там нашли портативные бронзовые солнечные часы римского происхождения, засыпанные в Портице при извержении Везувия в 79 г. На поверхности часов имелось семь горизонтальных и вертикальных кругов, а под ними — названия 12 месяцев. На правой стороне был стержень, выполнявший роль гномона.

Около 24 г. до н.э. Витрувий упомянул о дорожных солнечных часах. Правдивость его сообщения подтвердили раскопки, произведенные в 1894 г. у Форбаха, при которых были обнаружены такие часы в виде бронзовой пластинки диаметром 47 мм с пятимиллиметровым ободом и двумя отверстиями: одним — для подвески, а вторым — для прохождения солнечного луча.

Все древние солнечные часы были основаны на простом принципе гномона, у которого длина и направление отбрасываемой тени зависели не только от положения Солнца в данный момент на небосводе, но и от времени года. При римском способе деления дня и ночи на 12 часов весной и летом удлиняли дневные часы, а осенью и зимой их укорачивали. Античные солнечные часы вследствие своего несовершенства указывали такое время, главной чертой которого было то, что под влиянием изменяющегося наклона Солнца изменялась в течение года длина дневных и ночных часов.