撰文 / 李鑑（北京天文館）
霍智慧（天津市薊州區第一中學）
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。
地球的公轉軌道是個橢圓，公轉速度並不均勻，自轉速度也並不均勻
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。
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」。
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)
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，我們鐘錶裡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。
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