我国的古代经典《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，我们是如此习以为常，甚至完全忘了它们与天文的渊源。最典型的，就是时间。昼夜交替、月轮圆缺、四季更迭，为先民们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。

从日到秒

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，也是通过天文观测来确定时间：用36个恒星或星群（decans，中译为旬星），将天球划分成基本均匀的36段，通过其中18星的次第升起就可以知道夜晚的时刻。18星中，晨光和昏光时段各有3星不易观测，另外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，当时埃及也发明了“水钟”可以用于夜间计时，相当于我国古代的漏刻，水钟上的刻度就是12等分的。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。

图注：古埃及新王国时期哈索尔神庙（Temple of Hathor）天花板上的天文图案（复制图局部）。中间是黄道星座，内圈上的人物是36旬星（decans），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（约公元前190年-公元前125年）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。那时利用圭表、日晷、漏刻、沙漏等制成的计时工具，精度通常也只有几十分钟，这么划分并不影响日常生活。

图注：故宫里好几处大殿前面都有日晷。图中是太和殿前的日晷，十二时辰各分成初、正两段，这种划分方式起源于宋朝。

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，我国至迟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。十二时辰、百刻制和五更制已成为我国传统文化的重要组成部分。还特别值得一提的是，我国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！比欧洲同样精度的钟早了400年。

图注：水运仪象台水运仪象台是北宋时期苏颂、韩公廉等人发明制造的大型自动化天文仪器，以漏刻水力驱动，集天文观测、天文演示和报时系统为一体。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。图为中国科学院国家天文台按照1:3复原的水运仪象台模型，可以实际运行。（图片提供：国家天文台霍志英）

到了14世纪，机械钟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。大约在公元1345年，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。不过当时的计时工具还远远达不到秒的精度。

大约在公元1550年，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，荷兰的惠更斯利用单摆的“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，英国的哈利森造出精密的航海钟，每天走时误差不超过1秒，钟面上才第一次出现了秒针。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。

图注：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。（故宫钟表馆藏品）

图注：19世纪末法国制造的铜镀金珐琅围屏式摆钟。（故宫钟表馆藏品）

Box：12、60与度、分、秒

现在人们最广泛使用的数字系统是十进制，这可能和人们用十根手指计数有关。除了10，还有12和60也是沿袭至今的重要计量单位。例如12时辰、1度等于60分等。12可能来自于一年所包含的月数（12个）。另外，人的手指除大拇指外，其他四指的指节一共是12个；再加上12这个数字本身可以被2、3、4整除，使用起来也很便利，例如将圆周12等分就要比10等分容易得多。这些可能也都是原因之一。

在公元前1700年之前，生活在两河流域的巴比伦人采用60进制进行数学和天文计算。到古希腊时期，计算已不再使用60进制，但一部分巴比伦传统保留了下来。例如把一个圆周分为360度（360=3×4×5×6）等，这样可以很方便地进行3、4、12、60等分。后来，托勒密在《天文学大成》一书中（约公元150年）将360度细分为了更小的单位。1度分为60份，拉丁语为“ partes minutae primae”，翻译成英语就是first very small part，中文意为“第一极小分度”，简称为“分”。1“分”又划分成60个更小的部分，叫做“pars minute secunda”，即第二极小分度，英语记作second，中文翻译为“秒”。这就是度、分、秒的由来。到了14世纪，分和秒又被借用到了时间的划分中，并传承至今，成为我们熟知的时间单位。

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等，人们对计时的要求都越来越高，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。

其中的主要原因在于地球运动的复杂性。从开普勒时代开始，人们就已经知道地球的公转轨道是个椭圆，公转速度并不均匀。1927年，美国马里森利用压电效应原理发明了每天误差仅在0.1毫秒以内的电子式石英钟。在石英钟的帮助下，人们发现地球的自转速率也并不均匀，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。这一发现动摇了以地球自转周期为基础的时间标准的地位。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。这几个效应使得一天的长度时长时短，从而导致了用“天”来定义的秒长也不固定。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。从1759年出现秒针到20世纪中叶航天时代开启，短短200年的时间，人们对计时精度的要求就提高了上亿倍！可见文明和科技发展之迅猛。

这时物理学家帮了忙，他们发现原子跃迁时发射或吸收的电磁波频率是高度确定的，据此设计出的原子钟可以走得极为均匀。在1967年10月第13届国际计量大会（CGPM）上通过了“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 ”。它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。

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，后来发现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，稳定度已达10-18的量级，相当于160亿年不差一秒！今后的新一代原子钟，更有希望短期内将精度再提高几个数量级。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间基准”，然后通过各种手段和媒介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。这一整个工序，称为“授时系统”。

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。近年来，关于是否废除跳秒机制引发了许多争论，这又是另外一个话题了。总之，从天文时到原子时到协调世界时，人们在计时、授时上取得了辉煌的成就，但关于时间的问题还远没有解决，探索仍在继续。

（本文原载于《知识就是力量》，作者：北京天文馆、《天文爱好者》杂志社 李鉴；天津蓟州第一中学 霍智慧）