Tại sao 1 phút có 60 giây, 1 giờ có 60 phút và 1 ngày có 24 giờ?

Trong thế giới ngày nay, hệ thống chữ số được sử dụng rộng rãi nhất là số thập phân (cơ số 10), hệ thống này có lẽ bắt nguồn từ việc con người có thể dễ dàng đếm bằng ngón tay. Các nền văn minh đầu tiên chia ngày thành các phần nhỏ, tuy nhiên, lại sử dụng những hệ thống số khác nhau, cụ thể là hệ thập nhị phân (cơ số 12) và lục thập phân (cơ số 60).

Nhờ những bằng chứng được ghi chép về việc sử dụng đồng hồ mặt trời của người Ai Cập, hầu hết các nhà sử học đều cho rằng những nền văn minh đầu tiên chia một ngày thành các phần nhỏ hơn. Các đồng hồ mặt trời đầu tiên chỉ đơn giản là những chiếc cọc được cắm trên mặt đất, biểu thị thời gian bằng chiều dài và hướng của bóng cọc in trên nền đất.

Ngay từ năm 1500 trước Công nguyên, người Ai Cập đã phát triển một đồng hồ mặt trời tiên tiến hơn, bao gồm một thanh hình chữ T được đặt trên đất. Công cụ này được điều chỉnh để chia khoảng thời gian giữa thời điểm mặt trời mọc và lặn thành 12 phần.

Công cụ này phản ánh việc người Ai Cập bắt đầu sử dụng hệ thống thập nhị phân. Con số 12 được cho là bằng với số chu kỳ mặt trăng trong 1 năm hoặc số khớp ngón tay trên mỗi bàn tay (không tính ngón cái).

Đồng hồ mặt trời này hình thành nên thứ mà ngày nay chúng ta gọi là giờ. Mặc dù số giờ trong mỗi ngày bằng nhau, nhưng độ dài mỗi giờ sẽ thay đổi theo mùa trong năm (mỗi giờ vào mùa hè dài hơn nhiều so với mỗi giờ vào mùa đông).

Không có ánh sáng nhân tạo, con người trong thời kỳ này coi các giai đoạn sáng và tối là 2 cõi đối lập chứ không phải là một phần của cùng một ngày. Không có sự trợ giúp của đồng hồ mặt trời, việc phân chia khoảng thời gian từ lúc hoàng hôn đến lúc bình minh trở nên rất phức tạp.

Trong thời đại khi các đồng hồ mặt trời được sử dụng lần đầu tiên, các nhà thiên văn học Ai Cập cũng lần đầu tiên quan sát thấy một bộ 36 ngôi sao chia vòm trời thành các phần bằng nhau.

Khoảng thời gian bóng đêm bao phủ hoàn toàn được đánh dấu bởi 12 ngôi sao trong số này. Một lần nữa, thời gian ban đêm được chia thành 12 phần (dấu hiệu của việc sử dụng hệ thập nhị phân).

Trong thời kỳ Tân vương quốc Ai Cập (1550 đến 1070 trước Công nguyên), hệ thống đo lường này đã được đơn giản hóa để sử dụng một bộ gồm 24 ngôi sao, 12 ngôi sao trong số đó đánh dấu sự đi qua của màn đêm.

Đồng hồ nước (clepsydra) cũng được sử dụng để ghi lại thời gian ban đêm, và có lẽ là thiết bị chính xác nhất của thế giới cổ đại. Một mẫu vật đồng hồ như vậy được tìm thấy tại đền Ammon ở Karnak, có từ năm 1400 trước Công nguyên, đánh dấu sự phân chia màn đêm thành 12 phần trong các tháng khác nhau.

Khi cả 2 khoảng thời gian sáng và tối đều được chia thành 12 phần, khái niệm về một ngày có 24 giờ đã được đưa ra. Tuy nhiên, khái niệm giờ có độ dài cố định vẫn chưa xuất hiện cho đến thời kỳ Hy Lạp hóa.

Hipparchus đã đề xuất chia ngày thành 24 giờ bằng nhau. Bất chấp đề nghị này, giáo dân vẫn tiếp tục sử dụng các giờ thay đổi theo mùa trong nhiều thế kỷ. (Giờ có chiều dài cố định trở nên phổ biến chỉ sau khi đồng hồ cơ xuất hiện lần đầu tiên ở châu Âu vào thế kỷ 14).

Hipparchus và các nhà thiên văn học Hy Lạp khác đã sử dụng các kỹ thuật về thiên văn học, trước đây được phát triển bởi người Babylon, cư trú ở Mesopotamia. Người Babylon đã thực hiện các tính toán thiên văn trong hệ thống lục thập phân (cơ số 60) mà họ được thừa hưởng từ người Sumeria, vào khoảng năm 2000 trước Công nguyên. Mặc dù không biết lý do tại sao con số 60 được chọn, nhưng nó rất thuận tiện để biểu thị phân số, vì 60 là số nhỏ nhất chia hết cho 6 số đếm đầu tiên cũng như 10, 12, 15, 20 và 30.

Mặc dù nó không còn được sử dụng cho mục đích tính toán chung, hệ thống lục thập phân vẫn được dùng để đo góc, tọa độ địa lý và thời gian. Trên thực tế, cả mặt tròn của đồng hồ và quả địa cầu đều được phân chia dựa trên hệ thống đã có cách đây 4000 năm của người Babylon.

Nhà thiên văn học người Hy Lạp Eratosthenes (sống vào khoảng năm 276 đến 194 trước Công nguyên) đã sử dụng một hệ thống lục thập phân để chia một vòng tròn thành 60 phần, tạo ra một hệ thống địa lý vĩ độ, với các đường ngang chạy qua các địa điểm nổi tiếng trên trái đất vào thời điểm đó. Một thế kỷ sau, Hipparchus đã chuẩn hóa các đường vĩ độ, khiến chúng song song và tuân theo hình học của Trái Đất.

Ông cũng đã nghĩ ra một hệ thống các đường kinh độ phủ kín 360 độ và chạy từ bắc xuống nam, nối từ cực này sang cực kia. Trong luận thuyết Almagest (khoảng năm 150 sau Công nguyên), Claudius Ptolemy đã giải thích và mở rộng thành quả của Hipparchus, bằng cách chia hệ thống 360 độ vĩ độ và kinh độ thành các phần nhỏ hơn. Mỗi độ được chia thành 60 phần (ngày nay ta gọi là phút), mỗi phần lại được chia thành 60 phần nhỏ hơn nữa (ngày nay được gọi là giây).

Tuy nhiên, phút và giây vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày trong nhiều thế kỷ sau đó. Những chiếc đồng hồ khi ấy chia số giờ thành 2, 3, 4 và thậm chí đôi khi là 12 phần, nhưng không bao giờ là 60 cả. Trên thực tế, 1 giờ không thường được hiểu là bằng 60 phút.

Mọi người cũng không mấy khi xem xét đến vài phút cho đến khi những chiếc đồng hồ cơ đầu tiên hiển thị phút xuất hiện gần cuối thế kỷ 16. Thậm chí ngày nay, nhiều đồng hồ và đồng hồ đeo tay chỉ hiển thị phút và chứ không hiển thị giây.

Nhờ các nền văn minh cổ đại đã xác định và giữ gìn các quy tắc phân chia thời gian, xã hội hiện đại mới có những quy luật 1 ngày có 24 giờ, 1 giờ có 60 phút và 1 phút có 60 giây. Tuy nhiên, những tiến bộ trong khoa học đã thay đổi cách xác định các đơn vị này.

Đơn vị giây bắt nguồn từ cách chia các sự kiện thiên văn thành những phần nhỏ hơn. Điều này đã thay đổi vào năm 1967, khi giây được xác định lại là bằng 9.192.631.770 lần chu kỳ chuyển hóa năng lượng của nguyên tử cesium. Sự tái cấu trúc này mở ra kỷ nguyên của đo lường thời gian nguyên tử (atomic timekeeping) và Giờ phối hợp quốc tế - Coordinated Universal Time (UTC).

Thật thú vị, để giữ thời gian nguyên tử phù hợp với thời gian thiên văn, thỉnh thoảng phải có giây nhuận thêm vào UTC. Như vậy, không phải tất cả các phút đều có 60 giây. Một vài phút hiếm hoi (khoảng 8 phút mỗi thập kỷ) thực sự có 61 giây.

>>Xem thêm: Một ngày trên các hành tinh thuộc hệ Mặt Trời kéo dài bao lâu?