撰文 / 李鑒（北京天文館） 霍智慧（天津市薊州區第一中學）
中國古代經典名著《周易》里有一句名言：「百姓日用而不知」。在天文學上，很多知識也是如此，大家是如此習以為常，甚至忘了它們與天文的淵源。其中最典型的就是時間。晝夜交替、月輪圓缺、四季更迭為先民提供了三個適宜的時間單位——日、月、年，最終，各個古代文明都不約而同地確定了年月日的計量方法，並制定了各自的曆法。更進一步，將「日」再細分為時、分、秒，也是時間計量史上邁出的重大一步。而這一步，人類走了足足3000多年，我們的故事就從這裡講起。
從36旬星到12時辰
公元前1500年以前，埃及人已經發明了日晷來計時，他們將日出和日落之間的時間分成了12段。到了夜間，通過天文觀測來確定時間。具體來說就是，用36個恆星或旬星，將天球劃分成基本均勻的36段，通過其中的18星的次第升起就可以知道夜晚的時刻。而在18星中，晨光和昏光時段各有3星不易觀測，其中的12星則完全用於黑夜的計時。這相當於把夜晚的長度也分成了12段。另外，當時埃及發明了「水鍾」用於夜間計時，水鐘上的刻度就是12等分的，相當於中國古代的漏刻。而到了古埃及的新王國時期（公元前1550年至公元前1070年），觀星計時系統簡化成了24星，其中12星用於夜晚計時。從那時起，把白天和黑夜各分為12段、一天共計24段的傳統就形成了。
古埃及新王國時期哈索爾神廟天花板上的天文圖案。中間是黃道星座，內圈上的人物是36旬星，它們是夜間時刻的指示者，同時也可能是參與儀式的神祗
不過因為晝夜的長度隨著季節而發生變化，白天和夜晚這兩個12段的長度，既不固定也不相等，也同樣隨季節變化著。幾百年後，古希臘天文學家喜帕恰斯提出，可以按照春分日（晝夜等長）的晝夜時段將這兩個12段固定下來，這樣可以將一天均分為24段。但在接下來的1000多年裡，人們還是習慣晝夜並不等長的時間劃分。那時的計時工具包括圭表、日晷、漏刻、沙漏等，儘管精度通常也只有幾十分鐘，但並不影響日常生活。
在中國古代的殷商時期，人們將日出前到日落後的白天分為7個時段，夜晚分為5個時段，後世將夜晚分成五個更次可能就發端於此。到西周（早於喜帕恰斯幾百年）時，已經建立了均勻的十二時辰劃分法，以午夜作為子時的正中，和今天的24小時正好對應。宋代以後又將每個時辰平分為初、正兩份，這就相當於24時制了。後來中華民國採用公曆紀年和西方的24時制，每個時段是傳統十二時辰的一半，因而稱之為「小時」。另外，中國在秦漢時期就已發明了相當精確的漏刻，並把一天分成100刻，即百刻制。
故宮太和殿前的日晷，十二時辰各分成初、正兩段，這種劃分方式起源於宋朝
日本大阪天滿宮關於十二時辰的雕刻(圖片來源/維基百科)
十二時辰、百刻制和五更制已成為中國傳統文化的重要組成部分。特別值得一提的是，宋代天文學家蘇頌於公元1088年發明的水運儀象台，每天的計時誤差僅為100秒左右，比歐洲同樣精度的時鐘早了400年。
水運儀象台以漏刻水力驅動，是集天文觀測、天文演示和報時系統為一體的大型自動化天文儀器，標誌著中國古代天文儀器製造史上的高峰，被譽為世界上最早的天文鐘。圖為復原的水運儀象台模型(圖片來源/國家天文台)
中世紀的機械鐘能精確到秒嗎
機械鐘14世紀首次在歐洲出現之後，小時的長度才固定下來，形成了均分的24時制。人們開始將一小時劃分為60分鐘，一分鐘劃分為60秒，1秒的長度即為1/86400天，這就是「秒」的由來。
1783年瑞士製造的銅鍍金轉花自鳴過枝雀籠鍾，鐘面上已經出現了秒針(圖片來源/故宮博物院鐘錶館)
公元1550年，機械鐘鐘面上首次出現了分針，計時精度開始達到分鐘的量級。1675年，荷蘭物理家惠更斯利用單擺的「等時性」製成第一台擺鐘，每天的計時誤差降到了10秒左右。1759年，英國鐘錶匠哈利森造出精密的航海鍾，每天走時誤差不超過1秒，機械鐘鐘面上第一次出現了秒針。在發明日晷3000多年、秒的概念提出400多年之後，人們終於可以計量秒的長度了。
一秒究竟有多長
工業革命之後，由於生產力的快速發展，無論是商業開發、社交活動還是收發電報，人們對計時的要求越來越高，精度開始突破秒的量級。與此同時，隨著精確計時工具的發明，天文學家發現從天文觀測定義的秒長竟然並不均勻。由於地球的公轉軌道是個橢圓，公轉速度並不均勻，自轉速率也不均勻，時快時慢，導致一年當中日長的變化幅度可以達到千分之二秒。另外，由於日、地、月相互吸引、潮汐摩擦等因素，也使得地球自轉有長期變慢的趨勢。平均而言，日長每100年約增加1.6毫秒，從而導致了用「天」來定義的秒長不固定。儘管它的變化幅度不過千萬分之一，但隨著航天、軍事等活動的開展，如此定義的秒長已經無法滿足實際需求了。然而，物理學家發現，原子躍遷時發射或吸收的電磁波頻率是由高度確定的，據此設計出的原子鐘可以走得極為均勻。在第13屆國際計量大會（CGPM）上明確了「原子時」秒長的定義：「位於海平面上的銫（133Cs）原子基態的兩個超精細能級間在零磁場中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續的時間為一個原子時秒 」。這一定義取代了由日長定義的秒長，解決了天文時間的不均勻問題，是一個革命性的創舉。
晶片級原子鐘，被認為可大幅提高全球定位系統（GPS）定位能力(圖片來源/維基百科)
原子時秒的定義是時間標準計量學史上一次重大變革的開端。當然，為了人們日常生活的方便，人們希望原子時的秒長等於（或者說儘可能接近）天文秒長的平均值。在定義原子時的時候，規定1958年1月1日世界時零時的瞬間作為原子時的起點，即在那一瞬間原子時和天文時間（也就是日常使用的世界時）完全相等，此後便由原子鐘獨立運行，給出原子時。事實上由於技術限制，當時的原子時並未能調整到同世界時完全一致，原子時比世界時快了0.0039秒。現在，這個差值只能作為歷史事實保留下來。
原子時是目前為止最均勻的計時系統。現在世界上最精準的原子鐘——鍶原子光晶格鍾，精度相當於160億年不差一秒！目前世界各國大都採用原子鐘來產生和保持標準時間，這就是「時間基準」。之後通過各種手段和媒介再將時間信號送達給用戶，包括短波、長波、電話網、網際網路、衛星等。這一整套工序，稱為「授時系統」。
地球的公轉軌道是個橢圓，公轉速度並不均勻，自轉速率也並不均勻
不過我們在日常生活中還是離不開天文時間（也就是世界時），例如在導航定位、天文大地測量和深空探測等領域，仍需要知道任一瞬間（即世界時時刻）地球自轉軸在空間的角位置。這樣就需要保持原子時的年、月、日與天文時間一致，每當它與天文時間的偏差接近±0.9秒時，就將它人為地增加或減去一秒，稱為「跳秒」。到目前為止實施了20多次跳秒，每次都是給原子時增加1秒，也叫作「閏秒」。包含跳秒的這個時間系統，就是協調世界時。
協調世界時在宏觀上是天文時，在微觀上是原子時。也就是說，我們鐘錶里的秒針以原子時的頻率跳動，卻必須時刻不離天文時左右。這樣協調的意義在於，兩種時間的差距始終不會超過1秒，可以使人們的作息與自然節律步調一致。協調世界時較好地解決了時間的均勻性問題，但是在計算機時代，有的程序會因為無法處理閏秒而帶來一些麻煩。
本文來自《知識就是力量》雜誌，作者 李鑒、霍智慧，有刪改，轉載註明來源。