撰文 / 李鉴（北京天文馆） 霍智慧（天津市蓟州区第一中学）
中国古代经典名著《周易》里有一句名言：“百姓日用而不知”。在天文学上，很多知识也是如此，大家是如此习以为常，甚至忘了它们与天文的渊源。其中最典型的就是时间。昼夜交替、月轮圆缺、四季更迭为先民提供了三个适宜的时间单位——日、月、年，最终，各个古代文明都不约而同地确定了年月日的计量方法，并制定了各自的历法。更进一步，将“日”再细分为时、分、秒，也是时间计量史上迈出的重大一步。而这一步，人类走了足足3000多年，我们的故事就从这里讲起。
从36旬星到12时辰
公元前1500年以前，埃及人已经发明了日晷来计时，他们将日出和日落之间的时间分成了12段。到了夜间，通过天文观测来确定时间。具体来说就是，用36个恒星或旬星，将天球划分成基本均匀的36段，通过其中的18星的次第升起就可以知道夜晚的时刻。而在18星中，晨光和昏光时段各有3星不易观测，其中的12星则完全用于黑夜的计时。这相当于把夜晚的长度也分成了12段。另外，当时埃及发明了“水钟”用于夜间计时，水钟上的刻度就是12等分的，相当于中国古代的漏刻。而到了古埃及的新王国时期（公元前1550年至公元前1070年），观星计时系统简化成了24星，其中12星用于夜晚计时。从那时起，把白天和黑夜各分为12段、一天共计24段的传统就形成了。
古埃及新王国时期哈索尔神庙天花板上的天文图案。中间是黄道星座，内圈上的人物是36旬星，它们是夜间时刻的指示者，同时也可能是参与仪式的神祗
不过因为昼夜的长度随着季节而发生变化，白天和夜晚这两个12段的长度，既不固定也不相等，也同样随季节变化着。几百年后，古希腊天文学家喜帕恰斯提出，可以按照春分日（昼夜等长）的昼夜时段将这两个12段固定下来，这样可以将一天均分为24段。但在接下来的1000多年里，人们还是习惯昼夜并不等长的时间划分。那时的计时工具包括圭表、日晷、漏刻、沙漏等，尽管精度通常也只有几十分钟，但并不影响日常生活。在中国古代的殷商时期，人们将日出前到日落后的白天分为7个时段，夜晚分为5个时段，后世将夜晚分成五个更次可能就发端于此。到西周（早于喜帕恰斯几百年）时，已经建立了均匀的十二时辰划分法，以午夜作为子时的正中，和今天的24小时正好对应。宋代以后又将每个时辰平分为初、正两份，这就相当于24时制了。后来中华民国采用公历纪年和西方的24时制，每个时段是传统十二时辰的一半，因而称之为“小时”。另外，中国在秦汉时期就已发明了相当精确的漏刻，并把一天分成100刻，即百刻制。
故宫太和殿前的日晷，十二时辰各分成初、正两段，这种划分方式起源于宋朝
日本大阪天满宫关于十二时辰的雕刻(图片来源/维基百科)
十二时辰、百刻制和五更制已成为中国传统文化的重要组成部分。特别值得一提的是，宋代天文学家苏颂于公元1088年发明的水运仪象台，每天的计时误差仅为100秒左右，比欧洲同样精度的时钟早了400年。
水运仪象台以漏刻水力驱动，是集天文观测、天文演示和报时系统为一体的大型自动化天文仪器，标志着中国古代天文仪器制造史上的高峰，被誉为世界上最早的天文钟。图为复原的水运仪象台模型(图片来源/国家天文台)
中世纪的机械钟能精确到秒吗
机械钟14世纪首次在欧洲出现之后，小时的长度才固定下来，形成了均分的24时制。人们开始将一小时划分为60分钟，一分钟划分为60秒，1秒的长度即为1/86400天，这就是“秒”的由来。
1783年瑞士制造的铜镀金转花自鸣过枝雀笼钟，钟面上已经出现了秒针(图片来源/故宫博物院钟表馆)
公元1550年，机械钟钟面上首次出现了分针，计时精度开始达到分钟的量级。1675年，荷兰物理家惠更斯利用单摆的“等时性”制成第一台摆钟，每天的计时误差降到了10秒左右。1759年，英国钟表匠哈利森造出精密的航海钟，每天走时误差不超过1秒，机械钟钟面上第一次出现了秒针。在发明日晷3000多年、秒的概念提出400多年之后，人们终于可以计量秒的长度了。
一秒究竟有多长
工业革命之后，由于生产力的快速发展，无论是商业开发、社交活动还是收发电报，人们对计时的要求越来越高，精度开始突破秒的量级。与此同时，随着精确计时工具的发明，天文学家发现从天文观测定义的秒长竟然并不均匀。由于地球的公转轨道是个椭圆，公转速度并不均匀，自转速率也不均匀，时快时慢，导致一年当中日长的变化幅度可以达到千分之二秒。另外，由于日、地、月相互吸引、潮汐摩擦等因素，也使得地球自转有长期变慢的趋势。平均而言，日长每100年约增加1.6毫秒，从而导致了用“天”来定义的秒长不固定。尽管它的变化幅度不过千万分之一，但随着航天、军事等活动的开展，如此定义的秒长已经无法满足实际需求了。然而，物理学家发现，原子跃迁时发射或吸收的电磁波频率是由高度确定的，据此设计出的原子钟可以走得极为均匀。在第13届国际计量大会（CGPM）上明确了“原子时”秒长的定义：“位于海平面上的铯（133Cs）原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一个原子时秒 ”。这一定义取代了由日长定义的秒长，解决了天文时间的不均匀问题，是一个革命性的创举。
芯片级原子钟，被认为可大幅提高全球定位系统（GPS）定位能力(图片来源/维基百科)
原子时秒的定义是时间标准计量学史上一次重大变革的开端。当然，为了人们日常生活的方便，人们希望原子时的秒长等于（或者说尽可能接近）天文秒长的平均值。在定义原子时的时候，规定1958年1月1日世界时零时的瞬间作为原子时的起点，即在那一瞬间原子时和天文时间（也就是日常使用的世界时）完全相等，此后便由原子钟独立运行，给出原子时。事实上由于技术限制，当时的原子时并未能调整到同世界时完全一致，原子时比世界时快了0.0039秒。现在，这个差值只能作为历史事实保留下来。
原子时是目前为止最均匀的计时系统。现在世界上最精准的原子钟——锶原子光晶格钟，精度相当于160亿年不差一秒！目前世界各国大都采用原子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间基准”。之后通过各种手段和媒介再将时间信号送达给用户，包括短波、长波、电话网、互联网、卫星等。这一整套工序，称为“授时系统”。
地球的公转轨道是个椭圆，公转速度并不均匀，自转速率也并不均匀
不过我们在日常生活中还是离不开天文时间（也就是世界时），例如在导航定位、天文大地测量和深空探测等领域，仍需要知道任一瞬间（即世界时时刻）地球自转轴在空间的角位置。这样就需要保持原子时的年、月、日与天文时间一致，每当它与天文时间的偏差接近±0.9秒时，就将它人为地增加或减去一秒，称为“跳秒”。到目前为止实施了20多次跳秒，每次都是给原子时增加1秒，也叫作“闰秒”。包含跳秒的这个时间系统，就是协调世界时。
协调世界时在宏观上是天文时，在微观上是原子时。也就是说，我们钟表里的秒针以原子时的频率跳动，却必须时刻不离天文时左右。这样协调的意义在于，两种时间的差距始终不会超过1秒，可以使人们的作息与自然节律步调一致。协调世界时较好地解决了时间的均匀性问题，但是在计算机时代，有的程序会因为无法处理闰秒而带来一些麻烦。
本文来自《知识就是力量》杂志，作者 李鉴、霍智慧，有删改，转载注明来源。