为什么一分钟分为 60 秒,一小时分为 60 分钟,而一天只有 24 小时?

科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所时间与频率部门的计量学家 Michael A. Lombardi 来解释这个问题。

在当今世界,最广泛使用的数字系统是十进制(以 10 为基数),这个系统可能起源于它使人类用手指计数变得容易。然而,最早将一天划分为较小部分的文明使用的是不同的数字系统,特别是十二进制(以 12 为基数)和六十进制(以 60 为基数)。

由于有埃及人使用日晷的文献证据,大多数历史学家认为他们是第一个将一天划分为较小部分的文明。最早的日晷只是插在地上的木桩,通过产生的阴影的长度和方向来指示时间。早在公元前 1500 年,埃及人就开发了一种更先进的日晷。这种仪器是一个插在地上的 T 形杆,经过校准可以将日出和日落之间的时间间隔划分为 12 个部分。这种划分反映了埃及对十二进制系统的使用——数字 12 的重要性通常归因于它等于一年中的月球周期数,或者每只手上手指关节的数量(四根手指中的每一根有三个,不包括拇指),使得可以用拇指数到 12。下一代日晷很可能形成了我们现在称之为“小时”的第一个表示形式。尽管一天中的小时大致相等,但它们在一年中的长度各不相同,夏季的小时比冬季的小时要长得多。


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在没有人造光的情况下,此时期的人类将阳光照射期和黑暗期视为两个对立的领域,而不是同一天的一部分。在没有日晷的帮助下,划分日落和日出之间的黑暗时间间隔比划分阳光照射期更为复杂。然而,在首次使用日晷的时代,埃及天文学家还首次观察到一组 36 颗恒星,它们将天体圆周划分为相等的部分。夜晚的流逝可以用 18 颗恒星的出现来标记,其中三颗被分配给两个难以看到星星的暮光时期。完全黑暗的时期用剩下的 12 颗恒星标记,再次导致夜晚的 12 个划分(再次致敬十二进制系统)。在新王国时期(公元前 1550 年至 1070 年),这种测量系统被简化为使用一组 24 颗恒星,其中 12 颗标记夜晚的流逝。水钟,或称漏壶,也被用来记录夜晚的时间,它可能是古代世界最准确的计时装置。这个计时器——在卡纳克阿蒙神庙发现的一个标本,可追溯到公元前 1400 年——是一个内部表面倾斜的容器,以允许水压降低,上面刻有刻度,标记着在不同月份将夜晚划分为 12 个部分。

一旦光明和黑暗的小时都被划分为 12 个部分,24 小时一天的概念就形成了。然而,固定长度的小时的概念直到希腊化时期才出现,当时希腊天文学家开始将这种系统用于他们的理论计算。希帕克斯的工作主要发生在公元前 147 年至 127 年之间,他提出将一天划分为 24 个春分小时,基于在春分日观察到的 12 小时白天和 12 小时黑夜。尽管有这个建议,但普通民众在许多世纪以来继续使用季节性变化的小时。(固定长度的小时直到 14 世纪机械钟首次在欧洲出现后才变得普遍。)

希帕克斯和其他希腊天文学家采用了巴比伦人先前开发的天文技术,巴比伦人居住在美索不达米亚。巴比伦人在他们从苏美尔人那里继承的六十进制(以 60 为基数)系统中进行天文计算,苏美尔人大约在公元前 2000 年开发了该系统。尽管不知道为什么选择 60,但值得注意的是,它对于表达分数很方便,因为 60 是最小的可被前六个计数数字以及 10、12、15、20 和 30 整除的数字。

尽管六十进制系统不再用于一般计算,但它仍然用于测量角度、地理坐标和时间。事实上,时钟的圆形表面和地球的球体都将它们的划分归功于巴比伦人 4000 年前的数字系统。

希腊天文学家埃拉托色尼(生活在公元前 276 年至 194 年左右)使用六十进制系统将一个圆划分为 60 个部分,以便设计一个早期的纬度地理系统,水平线穿过当时地球上著名的地点。一个世纪后,希帕克斯规范了纬度线,使它们平行并符合地球的几何形状。他还设计了一个包含 360 度并从北极到南极的经度线系统。在他的著作《天文学大成》(约公元 150 年)中,克劳狄乌斯·托勒密解释并扩展了希帕克斯的工作,将每个 360 度的纬度和经度细分为更小的部分。每个度被划分为 60 个部分,每个部分再次细分为 60 个更小的部分。第一个划分,partes minutae primae,或第一个分钟,简称为“分钟”。第二个划分,partes minutae secundae,或“第二个分钟”,被称为秒。

然而,直到《天文学大成》出版后的许多世纪,分钟和秒才被用于日常计时。时钟显示将小时划分为一半、三分之一、四分之一,有时甚至分为 12 个部分,但从来没有分成 60 个部分。事实上,小时通常不被理解为 60 分钟的持续时间。直到 16 世纪末第一批显示分钟的机械钟出现,公众才开始考虑分钟是实际的。即使在今天,许多时钟和手表的分辨率也只有一分钟,而不显示秒。

由于定义和保留时间划分的古代文明,现代社会仍然认为一天有 24 小时,一小时有 60 分钟,一分钟有 60 秒。然而,计时科学的进步已经改变了这些单位的定义方式。秒曾经是通过将天文事件划分为更小的部分来推导出来的,国际单位制(SI)一度将秒定义为平均太阳日的某个分数,后来将其与回归年联系起来。这种情况在 1967 年发生了变化,当时秒被重新定义为铯原子 9,192,631,770 次能量跃迁的持续时间。这种重新表征开启了原子计时和协调世界时(UTC)的时代。

有趣的是,为了使原子时间与天文时间保持一致,偶尔必须向 UTC 添加闰秒。因此,并非所有分钟都包含 60 秒。一些罕见的分钟,大约每十年发生八次,实际上包含 61 秒。

参考文献

  • 时间的摆锤。Jo Ellen Barnett。Plenum Press,1998。

  • 数学史。Florian Cajori。MacMillan and Co.,1894。

  • 小时的历史。Gerhard Dohrn-van Rossum。芝加哥大学出版社,1996 年。

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