作者/李健(北京天文馆)霍志辉(天津冀州一中)
中国古代经典《周易》中有一句名言:“人日常用而不知”。在天文学中，大量的知识也是如此。大家都习以为常，甚至忘了自己和天文学的关系。最典型的就是时间。昼夜交替、月圆和季节更替为先民提供了三个合适的时间单位——日、月、年。最后，各个古代文明一致确定了年、月、日的计量方法，并制定了各自的历法。此外，将“天”细分为小时、分钟和秒钟也是时间测量史上的重要一步。这一步，人类已经走了3000多年，我们的故事从这里开始。
从36颗星到12小时
公元前1500年前，埃及人已经发明了日晷来计时。他们把日出和日落之间的时间分成12段。晚上，时间由天文观测决定。具体来说，天球用36颗星或旬星分成36段，通过18颗星的升起可以知道夜晚的时间。在这18颗恒星中，有3颗恒星在早晨和黄昏时期很难观测到，其中12颗完全用于夜晚的计时。这相当于把夜晚的长度分成了12段。此外，当时埃及还发明了“水钟”，用于夜间计时。水钟上的刻度分为12等份，相当于中国古代的漏刻。到了古埃及新王国时期(公元前1550-1070年)，观星计时系统简化为24星，其中12星用于夜间计时。从此形成了一天把昼夜分为12段和24段的传统。
古埃及新王国哈索尔神庙天花板上的天文图案。中间是十二生肖，内圈的字是三十六天星。他们是夜晚时间的指示器，他们也可能是参与仪式的神。
但由于昼夜长短随季节变化，所以昼夜这两个12段的长度既不是固定的，也不是相等的，也是随季节变化的。几百年后，古希腊天文学家希帕尔卡斯提出，可以根据春分的昼夜周期(昼夜长短相等)来固定这两个12段，这样就可以把一天平均分成24段。但在接下来的1000年里，人们仍然习惯于将白天和黑夜划分为不同的时间。当时的计时工具有日晷、日晷、沙漏等。虽然精度通常只有几十分钟，但这并不影响我们的日常生活。中国古代殷商时期，人们把一天从日出到日落分为七期，把一夜分为五期，这可能起源于后世。到了西周时期(比希帕克早几百年)，已经建立了统一的十二时辰划分方法，以子夜为午夜的中间，与今天的二十四小时相对应。后来到了宋朝，每一个时辰都被平均分为上半部分和下半部分，相当于24小时制。后来民国采用公历和西方二十四小时制，每个时间段是传统十二小时的一半，所以叫“时”。此外，在秦汉时期，中国已经发明了相当精确的漏刻，将一天分为一百刻，即百刻制。
故宫太和殿前的日晷，十二点分为上下两部分，起源于宋代。
日本大阪天满宫的十二小时雕塑(
十二小时、百小时、五小时制已经成为中国传统文化的重要组成部分。特别值得一提的是，公元1088年宋代天文学家苏颂发明的水运仪天文台的时间误差仅为每天100秒左右，比欧洲同样精度的钟表早了400年。
水运天文台，由漏刻水力驱动，是集天文观测、天文演示、报时系统于一体的大型自动化天文仪器。它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。图为水运仪复原平台模型(图片
中世纪的机械钟能精确到秒吗？
14世纪机械钟在欧洲首次出现后，小时的长度是固定的，形成了等分的24小时制。人们开始把一个小时分成60分钟，一分钟分成60秒，一秒钟的长度是1/86400天。这就是“秒”的由来。
783年瑞士制造的铜镀金花转自鸣钟鸟笼钟，钟面上已经出现了秒针(图片
公元1550年，分针首次出现在机械钟的钟面上，计时精度开始达到分钟的量级。1675年，荷兰物理学家惠更斯利用单摆的“等时性”制成了第一只摆钟，每天的计时误差降到了10秒左右。1759年，英国钟表匠哈里森制作了一个精确的航海钟，每天的误差不到一秒。秒针第一次出现在机械钟的表面。发明日晷3000多年，提出秒的概念400年后，人们终于可以测量秒的长度了。
一秒钟有多长？
工业革命后，由于生产力的飞速发展，无论是商业发展、社会活动还是收发电报，人们对计时的要求越来越高，精度开始超过秒的量级。同时，随着精密计时工具的发明，天文学家发现从天文观测中定义的秒长并不是偶数。因为地球的轨道是椭圆，公转速度不均匀，自转速度也不均匀，忽快忽慢，导致一年的日长变化高达千分之二秒。此外，由于太阳、地球和月球的引力、潮汐摩擦等因素，地球自转在很长一段时间内趋于减缓。日长平均每100年增加1.6毫秒左右，导致“天”定义的秒长不固定。虽然它的变化量只有万分之一，但随着航空航天和军事活动的发展，这样定义的秒长已经不能满足实际需求。但物理学家发现，原子跃迁时发射或吸收的电磁波频率是由高度决定的，在此基础上设计的原子钟可以走得极其均匀。在第十三届国际计量大会(CGPM)上，以秒为单位定义了“原子时”的定义:“海平面铯(133Cs)原子的两个超精细能级之间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周期的持续时间为一个原子时秒”。这个定义取代了以日长定义的秒长，解决了天文时间不均匀的问题，是一个革命性的创举。
芯片级原子钟，被认为大大提高了全球定位系统(GPS)的定位能力(图片
原子秒的定义是时间标准计量史上一场伟大革命的开始。当然，为了人们日常生活的方便，人们希望原子时秒的长度等于(或尽可能接近)天文秒的平均值。在定义原子时时，规定以1958年1月1日世界时0点一刻为原子时起点，即原子时恰好等于该时刻的天文时(即日常生活中使用的世界时)，然后原子钟独立运行给出原子时。事实上，由于技术限制，当时的原子时无法调整到与世界时完全一致，原子时比世界时快0.0039秒。现在，这种差异只能作为历史事实保留下来。
原子时是迄今为止最统一的计时系统。现在世界上最精确的原子钟——锶原子光学晶格钟，精度相当于160亿年不差一秒！目前，世界上大多数国家都是用原子钟来产生和维持标准时间，也就是“时间基准”。之后，时间信号通过各种手段和媒介传递给用户，包括短波、长波、电话网、互联网、卫星等。这整个过程被称为“授时系统”。
地球的公转轨道是椭圆，公转速度不均匀，自转速度也不均匀。
然而，我们在日常生活中仍然离不开天文时间(即世界时)。比如在导航定位、天文大地测量、深空空探测等领域，我们仍然需要知道地球自转轴在空之间任意时刻(即世界时)的角位置。这样就需要保持原子时的年、月、日与天文时一致。每当它与天文时间的偏差接近0.9秒时，就人为地加上或减去一秒，称为“跳秒”。到目前为止，已经跳过了20多秒，每次给原子时加1秒，也叫“闰秒”。这个时间系统，包括秒跳跃，是协调世界时。
协调世界时在宏观上是天文的，在微观上是原子的。也就是说，我们钟表中的秒针是以原子时的频率跳动的，但必须始终在天文时左右。这种协调的意义在于，两种时间的差别永远不会超过一秒，可以使人的作息与自然节奏保持同步。UTC很好的解决了时间统一的问题，但是在计算机时代，有些程序会因为不能处理闰秒而带来一些麻烦。
本文摘自《知识就是力量》杂志，作者李健、霍志辉，经删除修改，转载注明出处。
