Tại sao một ngày lại được chia thành 24 giờ, mỗi giờ có 60 phút và một phút lại chứa 60 giây?

Khi bạn nhìn vào một chiếc đồng hồ, bạn thấy những con số biểu thị thời gian hay một câu chuyện lịch sử sâu xa, là minh chứng cho sự sáng tạo của người xưa?

Theo bài viết trên Scientific American của Michael A. Lombardi - một chuyên gia về đo lường thời gian tại Ban Thời gian và Tần số của Viện Quy chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ. 

 Trong thế giới hiện đại, hệ thập phân đã lan rộng đến hầu hết mọi nơi, chủ yếu vì khả năng đếm đến 10 bằng ngón tay. Tuy nhiên, nền văn minh sớm nhất đã chia ngày thành những phần nhỏ sử dụng hệ đếm khác, như hệ 12 và hệ 60.

Nhờ vào tài liệu ghi lại cách người Ai Cập cổ đại sử dụng đồng hồ Mặt Trời, các nhà nghiên cứu tin rằng họ là những người đầu tiên chia ngày thành các phần nhỏ. Chiếc đồng hồ Mặt Trời đầu tiên chỉ là một cái cọc đóng xuống đất, chỉ hướng và chiều dài bóng của cọc để chỉ thời gian trong ngày.

Từ năm 1500 TCN, người Ai Cập đã phát triển đồng hồ Mặt Trời tiên tiến: một cột hình chữ T được cắm xuống đất, giúp họ chia thời gian từ lúc Mặt Trời mọc đến khi nó lặn ra thành 12 phần. 

Điều này cho thấy người Ai Cập đã sử dụng hệ thập nhị phân - con số 12 thường liên kết với số tháng trăng (khoảng 29,5 ngày/một chu kỳ) trong một năm, hoặc số ngón tay không tính ngón cái, mà mỗi người có. Số ngón tay cho phép một người đếm tới 12 một cách dễ dàng, thay vì sử dụng 10 ngón tay để đếm theo hệ thập phân. 

Có thể rằng, các thế hệ đồng hồ Mặt Trời sau này đã thể hiện khái niệm về 'giờ' như chúng ta hiểu ngày nay. Mặc dù giờ trong một ngày cố định được coi là như nhau, nhưng độ dài của khái niệm 'giờ' trong thời cổ đại này thay đổi theo mùa; giờ mùa hè dài hơn giờ mùa đông đáng kể.

Trong quan niệm của người xưa, ban ngày và ban đêm là hai thế giới hoàn toàn khác biệt, không được gộp lại thành 'một ngày' như ngày nay. Không có đồng hồ Mặt Trời, việc chia đêm thành các khoảng thời gian rất khó khăn. Tuy nhiên, trong thời kỳ của đồng hồ Mặt Trời, các nhà thiên văn học Ai Cập đã quan sát thấy một bộ sao gồm 36 ngôi sao chia bầu trời thành các phần bằng nhau.

Thời gian trôi qua ban đêm có thể được xác định dựa trên sự hiện diện của 18 ngôi sao trong bộ sao trên, trong đó có 3 ngôi sao dùng để đánh dấu hai khoảng thời gian chạng vạng, khi sao không rõ trên bầu trời. Thời gian đêm được chia thành 12 phần, được đánh dấu bởi 12 ngôi sao còn lại, một lần nữa, hệ thập nhị phân xuất hiện trong cách tính của người Ai Cập.

Trong thời kỳ của Vương quốc Ai Cập Mới (từ năm 1550 TCN đến năm 1070 TCN), hệ thống đo lường này đã được rút gọn thành một bộ gồm 24 ngôi sao, trong đó 12 ngôi sao chỉ độ dài của đêm. Trong giai đoạn này, đồng hồ nước xuất hiện, một công cụ dùng để đo thời gian ban đêm và có lẽ, nó được coi là thiết bị đo đạc thời gian chính xác nhất trong thời kỳ cổ đại. 

Các nhà khảo cổ đã phát hiện một chiếc đồng hồ nước tại Đền Amen-Re ở Karnak, được tạo ra vào khoảng năm 1400 TCN. Nó là một chiếc đồng hồ nước hình cốc lớn được làm từ đá, trong đó có 12 mốc để chỉ từng giờ trong đêm, và mỗi mốc tượng trưng cho một tháng, cho phép người xem đo đạc thời gian đêm vào từng khoảng thời gian khác nhau trong năm.

Khi giờ sáng và giờ tối được chia thành 12 phần, ý niệm về 24 giờ/ngày xuất hiện. Tuy nhiên, ý niệm về thời gian cố định trong một giờ không xuất hiện cho tới thời kỳ Hy Lạp, khi các nhà thiên văn Hy Lạp bắt đầu sử dụng một hệ thống mới để thực hiện các phép tính giả thuyết.

Hipparchus, với những nghiên cứu vào khoảng giữa năm 147 và năm 127 TCN, đề xuất sử dụng mốc thời gian 24 giờ, dựa trên 12 tiếng ban ngày và 12 tiếng ban đêm được quan sát vào các ngày xuân phân và thu phân. Mặc dù vậy, người đương thời vẫn tiếp tục sử dụng giờ theo mùa trong nhiều thế kỷ sau đó. (Chỉ khi đồng hồ cơ học xuất hiện ở Châu Âu, người ta mới bắt đầu quen với việc mỗi giờ kéo dài trong một khoảng thời gian nhất định).

Hipparchus và các nhà thiên văn Hy Lạp khác đã áp dụng những kỹ năng mà người Babylon sống ở Lưỡng Hà đã phát triển. Người Babylon đã sử dụng các phép tính thiên văn dựa trên hệ thập lục (hệ 60) được truyền từ người Sumer - cộng đồng cổ đại này đã phát triển hệ thống tính toán này từ năm 2000 TCN.

Mặc dù không rõ tại sao người Sumer lại chọn con số 60, nhưng có thể thấy rằng nó rất tiện lợi: 60 chia hết cho 6 số đầu tiên trong dãy số tự nhiên, và cũng chia hết cho 10, 12, 15, 20 và 30.

Mặc dù không còn phổ biến trong tính toán hàng ngày, hệ thập lục vẫn được sử dụng trong tính toán góc, xác định tọa độ địa lý và đo thời gian. Thực tế, việc chia Trái Đất thành các khu vực đồng đều dựa trên hệ thống tính toán 4.000 năm tuổi được người Babylon hoàn thiện.

Eratosthenes, một nhà thiên văn Hy Lạp, đã dùng hệ thập lục để chia một đường tròn thành 60 phần bằng nhau, tạo ra một hệ vĩ độ địa lý cơ bản, với một đường vĩ tuyến đi qua hàng loạt địa điểm quan trọng thời đó. Một thế kỷ sau, Hipparchus cải thiện hệ vĩ tuyến, tạo ra nhiều đường song song phù hợp với địa hình của Trái Đất. Ông cũng sáng tạo ra một hệ thống đường kinh tuyến từ Bắc tới Nam, nối liền hai cực.

Trong tác phẩm Almagest của Claudius Ptolemy, viết vào năm 150 Sau Công nguyên và trở thành một trong những tác phẩm khoa học có ảnh hưởng nhất mọi thời đại, công trình nghiên cứu của Hipparchus đã đạt tới tầm cao mới: Ptolemy chia mỗi phần của 360 độ đường kinh và vĩ địa lý thành các phần nhỏ hơn; mỗi độ được chia thành 60 phần nhỏ, mỗi phần lại chia thành 60 phần nhỏ hơn nữa.

Phần đầu tiên gọi là “partes minutae primae”, hay “first minute”, sau đó đơn giản hóa thành “minute”, nghĩa là “phút”. Một giờ có 60 phút.

Phần thứ hai gọi là “partes minutae secundae”, hay “second minute”, đơn giản là “second”, tức là “giây” như chúng ta biết. Một phút có 60 giây.

Tuy nhiên, hai khái niệm này không phổ biến trong việc đo thời gian cho đến khi tác phẩm Almagest đã trở nên hàng trăm năm tuổi. Các đồng hồ đếm giờ thời đó được chia thành hai nửa, ba nửa, bốn nửa, nhưng không ai chia chúng thành 60 phần. Thực tế, người thời đó không xem “một giờ” là “60 phút”. Công chúng không quan tâm đến “phút” cho đến khi đồng hồ cơ hiển thị phút lần đầu xuất hiện vào cuối thế kỷ 16. Ngày nay, đồng hồ treo tường và đeo tay cũng chỉ hiển thị đơn vị nhỏ nhất là 1 phút mà không có giây.

Nhờ các nền văn hóa đã phát minh và duy trì cách đo thời gian, xã hội ngày nay mới có thể dễ dàng xác định một ngày có 24 tiếng, một giờ có 60 phút và một phút có 60 giây. Các đột phá trong khoa học đã cải thiện việc đo giờ, và các đơn vị thời gian ngày càng chính xác.

Có một thời, khái niệm “giây” được xác định bằng cách chia nhỏ các hiện tượng thiên văn; trước khi đo giây như hiện nay, Hệ đo lường quốc tế (SI) đã quy định: một giây bằng 1/31.556.925,9747 của một năm (khoảng 365 ngày, 5 giờ, 48 phút và 45 giây, tức 365,24219 ngày) tính từ năm 1900, ngày 0 tháng 1 lúc 12 giờ theo thời gian lịch thiên văn (tức là 31/12/1899).

Năm 1967, định nghĩa của giây được sửa đổi, trở thành khoảng thời gian tương ứng với 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ liên quan đến sự chuyển động giữa hai trạng thái siêu tinh tế của nguyên tử xesi-133 ở nhiệt độ 0 K. Điều này là khởi đầu của thời đại đếm giờ nguyên tử.

Nguồn tham khảo:

Con lắc của Thời gian (1998), của tác giả Jo Ellen Barnett.

Lược sử Toán học (1984), của tác giả Florian Cajori.

Lược sử Giờ (1996), của tác giả Gerhard Dohrn-van Rossum.