標準時刻的誕生
每個人在國中課本都學過，時間、長度、和質量是三個物理的基本量；但相較於長度和質量，時間是一個比較抽象的概念，我們可以直接看到一公尺的長度，提起一公斤的重量，但很難告訴你或給你一個定義，「什麼一秒鐘」。經驗告訴我們，時間永不停止，也不會倒流，1999年的下一年是2000年，不會是1998年。我們可以把時間想像為一單方向的時間軸，只要給定一個時間的尺度或規範（Time Scale），就可在時間軸上刻畫出各時間點的座標，從而定義各時間點。
時間刻度的定義可以由週而復始的事件來規範，比如說地球每自轉一週叫『一天』、月球公轉一週叫『一個月』、單擺擺動若干週期叫『一秒』等。中國或其他文明古國很早就用地球公轉週期來定義時間尺度，古人們根據經驗，每一天或每一月的長度是不穩定的，會隨季節而變化，但兩個冬至（正午影子最長的那一刻）或兩個夏至（正午影子最短的那一刻）的長度卻很穩定，大約是365.25日，這樣可以定義『年』。幾乎所有的文明古國都以此定義『年』，這可以說是最早的時間尺度。
但年的單位畢竟太大，日常生活中我們必須知道時、分、秒等時間的長度。古代天文學家及物理學家以日圭、日晷、水鐘、等器械，利用觀測日影的變化或水位的變化來計算時間，再以年的長度來校正月、日、時、分等更細的時間單位。隨著科技進步，科學家發明單擺鐘及石英震盪器，利用單擺或石英晶體的震盪週期來計算時間。但上述計時方式易受環境、溫度、材質、電磁場甚至觀測者觀測角度等影響，穩定度不是很好，或者說沒有比地球公轉穩定。一直到發明原子鐘，我們才有一比平均太陽年更穩定的時間尺度。
1960年以前，CIPM（世界度量衡標準會議）以地球自轉為基礎，定義以平均太陽日之86400分之一作為秒定義。即1 Second = 1/86400 Mean Solar day。1960~1967年CIPM改以更穩定的地球公轉週期為基礎，定義西元1900年為平均太陽年。秒定義更改為：一秒為平均太陽年之31556925.9747分之一。
二十世紀中葉，由於量子力學的發展，發展了諸如光譜超精細結構、鎂射及雷射、光磁共振（Optical Pumping）、分子束磁共振、分離震盪場等實驗及研究，使量子頻率標準取代以地球運動週期成為計時標準。1967年，CIPM定義一秒為基態銫133原子在兩個超精細能階間過渡所致輻射週期之9,192,631,770倍。以下是定義的英文原文
The second is the duration of 9,192,631,770 periods of the radiation
corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground
state of cesium 133 atom
事實上，國際通用的『秒』產生程序比較複雜，由於每部原子鐘所產生的時間也有些微差異，國際原子時（International Atomic Time）是由六十多個國家時頻標準實驗室原子鐘組，由國際度量衡局（BIPM）平均所得[1]，並每月公佈。
至於要知道現在是幾點幾分，就更複雜了，因為地球自轉並不穩定，而是在逐漸變慢，國際原子時並不符合我們日常生活的習慣；根據地球自轉為準的時間尺度稱為世界時（Universal Time, UT），UT有分三種，UT0是依據地球自轉、公轉軌道效應加上月地潮汐擾動的觀測結果計算產生；地球自轉軸並非絕對穩定，而是像陀螺一般，緩慢地繞一假想軸進動，這會造成每日的長度變化，UT0再加上修正地球極軸運動效應稱為UT1。更精細一些還有UT2，地球自轉力矩會因冬天高山積雪及夏天融雪而變化，故地球自轉速度會因為季節而有所變化，北半球夏天時地球自轉快一點，冬天時慢一點，UT1加上修正地球季節效應後稱為UT2。
以上都不是目前使用的世界標準時刻，現在的標準時間尺度稱為UTC（Coordinated Universal Time世界協調時）。為了使用穩定的TAI，又要兼顧日常生活的UT，CIPM做了以下的規定：
1. UTC的零時為格林威治時區的零時
2. 1958年時的UTC－TAI＝0
3. UTC－TAI 必須為整數秒
4. UTC與UT1的差值（又稱DUT1）的絕對值必須小於0.9秒
即UTC與UT1差值[2]必須保持在0.9秒以內，若會大於0.9秒則應發佈閏秒，使UTC與地球自轉週期一致。
當世界協調時與一號世界時之差（Difference UT1, DUT1）的絕對值在半年或一年之內將超過0.9秒時，為保持DUT1在0.9秒內，國際地球自轉組織（International Earth Rotation Service, IERS）便會發佈閏秒通告。在12月31日或6月30日的最後一分鐘（UTC時間，換算國家標準時間為1月1日上午7時59分及7月1日上午7時59分）做閏秒調整。增加一秒時為正閏秒，減少為負閏秒。
舉例來說，1998年11月止DUT1值為-0.3秒，若不做閏秒調整，預計1999年將會大於-0.9秒。故IERS於1998年7月17日即發佈閏秒通告（IERS Bulletin C 16）[3]，1998年12月31日23時59分59秒將有正閏秒，時序為：
UTC時間：
1998年12月31日23時59分59秒
1998年12月31日23時59分60秒
1998年01月01日00時00分00秒
台灣時間(UTC時間加8小時)時序將為：
1999年01月01日07時59分59秒
1999年01月01日07時59分60秒
1999年01月01日08時00分00秒
由1958年累計到現在，總共發佈了36次閏秒調整，幾乎都是正閏秒，現在世界協調時（UTC）及國際原子時（TAI）之差為32秒。
至於中華民國的國家標準時間是如何產生的？中華民國時間與頻率國家標準實驗室位於桃園縣的楊梅鎮，每天透過衛星與國際度量衡局做時頻比對（其他的國家實驗室也做同樣的動作），整合各國實驗室的資料後產生國際原子時，並發佈每個國家與UTC的差值和頻率飄移率，頻率國家標準實驗室會根據這些資料做調整，產生最接近UTC的時間，稱為UTC(TL)，意思是電信研究所（Telecommunication Laboratories, TL）發佈的UTC時間，台灣日常生活所使用的時間，和UTC(TL)有8小時的時差。電信研究所會經由廣播、電話語音（117）、網路等發佈國家標準時間，讓電視台、廣播、醫院、銀行等機構使用。
Calvin Lin
參考資料來源：
1. Time Scale, Claudine Thomas, Peter Wolf and Patrizia Tavella, Bureau International des Poids et Mesures, 1994
圖一、氫原子鐘（國家時間與頻率標準實驗室）
圖二、美國國家標準技術局之原級銫原子鐘
圖三、商用銫原子鐘結構圖
附錄：歷年閏秒調整記錄[4]
|
Date (at 0h UTC) |
Offsets |
Steps |
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1961 Jan. 1 |
- 150x10-10 |
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Aug. 1 |
" |
+ 0.050s |
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1962 Jan. 1 |
- 130x10-10 |
|
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1963 Nov. 1 |
" |
- 0.100s |
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1964 Jan. 1 |
- 150x10-10 |
|
|
Apr. 1 |
" |
- 0.100s |
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Sept. 1 |
" |
- 0.100s |
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1965 Jan. 1 |
" |
- 0.100s |
|
March 1 |
" |
- 0.100s |
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Jul. 1 |
" |
- 0.100s |
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Sept. 1 |
" |
- 0.100s |
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1966 Jan. 1 |
- 300x10-10 |
|
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1968 Feb. 1 |
" |
+ 0.100s |
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1972 Jan. 1 |
0 |
- 0.107 7580s |
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1972 Jul. 1 |
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1973 Jan. 1 |
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1974 Jan. 1 |
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-1 s |
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1975 Jan. 1 |
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-1 s |
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1976 Jan. 1 |
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-1 s |
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1977 Jan. 1 |
|
-1 s |
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1978 Jan. 1 |
|
-1 s |
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1979 Jan. 1 |
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-1 s |
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1980 Jan. 1 |
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-1 s |
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1981 Jul. 1 |
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-1 s |
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1982 Jul. 1 |
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-1 s |
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1983 Jul. 1 |
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-1 s |
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1985 Jul. 1 |
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-1 s |
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1988 Jan. 1 |
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-1 s |
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1990 Jan. 1 |
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-1 s |
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1991 Jan. 1 |
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-1 s |
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1992 Jul. 1 |
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-1 s |
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1993 Jul. 1 |
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-1 s |
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1994 Jul. 1 |
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-1 s |
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1996 Jan. 1 |
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-1 s |
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1997 Jul. 1 |
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-1 s |
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1999 Jan. 1 |
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-1 s |