Do not go gentle into that good night,
Old age should burn and rave at close of day;
Rage, rage against the dying of the light.
Though wise men at their end know dark is right,
Because their words had forked no lightning they
Do not go gentle into that good night.
這里我引用了出現(xiàn)在《星際穿越》里的一首詩，影片中布蘭德教授說了一句經(jīng)典的臺詞“I'm not afraid of dead, I'm afraid of time.”表達了一位偉大的物理學(xué)家在時間面前的渺小。
也許要很久以后人類有可能具有操縱時間的能力，但這不妨礙我們對于時間系統(tǒng)的了解與探索，今天，我們來聊一聊時間
時間的測量
如果有人問“這本書的厚度是多少？”你可能會找出一把尺子，對書量一量。如果有人問“從這里到汽車站需要多久？”你可能會拿出手機，找到計時器，按下開始鍵。那么，如果有人問“一天有多久？”你可能會翻他一個白眼“一天就是一天”。
一天是多久？
這個問題看起來是個悖論的問題，一天本身就是時間的一種長度，多久問的也是時間的長度，這個問題怎么看來都是在自問自答。
不過細細想來，你可能會給出這樣的答案：
- 一天有24個小時，每個小時有3600秒
- 太陽從日出到日落在到日出，轉(zhuǎn)上一圈就是一天
這兩種說法都對，卻也不完全對，因為問題本身的“一天”就不是很科學(xué)的說法。
太陽的一天
很久以前，當(dāng)人類還沒有手機的時候（手動調(diào)皮），我們的老祖宗就開始用日晷測量時間。關(guān)于日晷如何測量時間，那是另一個話題了。而日晷能夠測量時間，基本的原因是地球的自轉(zhuǎn)。雖然我們沒辦法直接的測量地球自轉(zhuǎn)的角度，但是地球自轉(zhuǎn)使得太陽每天規(guī)律的日升又日落，因此我們可利用太陽來測量一天的時間。
測量長度的尺子上面，一個個刻度都是均勻的，那么用太陽測量時間，選擇什么“刻度”才能使一天一天的時間比較均勻呢？選擇每天太陽升起的時刻可以嗎？因為四季的變化，夏天太陽升起的時間很早，白晝很長；而冬天太陽升起的時候很晚，白晝很短。如果用太陽升起的時刻區(qū)分前一天、后一天，就會使得一天的時間有時長有時短。解決的方式是以太陽經(jīng)過目標(biāo)頭頂?shù)臅r刻，也就是每天中午影子最短的時刻，區(qū)分前一天、后一天，可以使得每一天的時間長度基本一樣長。
到這里，我們擁有了用太陽記錄時間的定義，“太陽日”也稱為“真太陽日”。既然是“真太陽日”，難道還有“假”太陽日？事實中，與“真太陽日”對應(yīng)的概念是“平太陽日”。從名稱上看“平太陽日”表達的是平均的意思，既然要平均，那么原來的“真太陽日”在哪些方面發(fā)生了變化？
- 由于地球繞太陽的公轉(zhuǎn)軌跡是一個橢圓，距離太陽近時運動速度更快；
- 由于地球的自轉(zhuǎn)平面（赤道）與公轉(zhuǎn)的平面（黃道）有一定的傾斜角度；
這兩個原因?qū)е铝颂栂鄬Φ厍虻倪\動是不均勻的，那么人們假象了一個“平太陽”，這個平太陽每年春分點和真太陽重合，真太陽沿著黃道運動，平太陽沿著赤道運動而且運動的速度保持不變。（這個平太陽也確實是個假太陽）
總結(jié)一下，利用地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的日升日落的現(xiàn)象，“真太陽日”能夠告訴我們一天的時間有多長，“平太陽日”則是在較長的時間里保證了一天的時間基本不變。但是“平太陽”還是不夠好。第一，我們?nèi)绾沃肋@個平太陽在哪里，第二，平太陽日雖然能告訴我一天是多長，但是這個刻度太大了，我想要一把更細致精確的尺子。
星星的一天
首先，在不能確定平太陽的情況下，如何定義比“真太陽日”更加平均的時間？我們已經(jīng)知道由于地球與太陽的相對運動使得真太陽日發(fā)生了變化。為了消除這個變化，只要找到比太陽更好的替代物就可以了，這個替代物就是星星。這里的星星并不是某一個星星，而是指許多星星。
先說點題外話，2017年中國的FAST射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了許多新的脈沖星，這些脈沖星就好比宇宙中的燈塔，可以幫助地球確定自己的位置。在還不知道脈沖星的時代，天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了夜晚觀測的許多星星在宇宙的天球上的位置基本是不動的。通過測量這些星星的位置變化，同樣能夠反應(yīng)地球自轉(zhuǎn)的運動。
這樣，我們利用這些星星定義的“一天”稱為“恒星日”。恒星日具體的刻度是當(dāng)?shù)亟?jīng)度圈通過春分點的時刻，這里的春分點是利用許多星星一起計算的。
恒星日，相對于太陽日，更加真實的反映了地球的自轉(zhuǎn)。恒星日與太陽日之間的關(guān)系，由于地球繞太陽的公轉(zhuǎn)相當(dāng)于太陽相對地球轉(zhuǎn)了一圈，所以在公轉(zhuǎn)一圈的時間里，恒星日比太陽日多了一天，兩者關(guān)系大約為 (365+1) 恒星日=365太陽日
不幸的是，第一，這個“恒星日”還是不夠均勻，還有一個更加平均的“平恒星時”，兩者之間的區(qū)別是由于地球自轉(zhuǎn)存在章動，導(dǎo)致春分點發(fā)生變化，不再展開了。第二，恒星日實際上經(jīng)常用于計算當(dāng)?shù)亟?jīng)度圈與春分點之間的夾角，作為計時單位的話十分不方便。
總結(jié)一下，雖然利用星星可以確定“恒星時”，“平恒星時”，但是基本不作為時間單位進行使用，而在一些關(guān)于經(jīng)度圈的計算中經(jīng)常出現(xiàn)。
原子的一天
到了20世紀(jì)，人類對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)認識不斷加深，這也使得人類具有了更加精確與穩(wěn)定的測量時間的方式。1967年，人類定義了1秒為銫-133原子基態(tài)兩個超精細能級間躍遷輻射9,192,631,770周所持續(xù)的時間。
不過1秒的時間為什么是這么長？多1周或者少1周可不可以？這個1秒的定義主要是使得由于地球自轉(zhuǎn)引起的太陽日具有86400秒，也就是每天都有24小時每小時有60分鐘每分鐘有60秒。（你說這里的太陽日是真太陽日還是平太陽日？手動滑稽）
不過，由于地球的自轉(zhuǎn)在緩慢的變化，所以絕大多數(shù)情況下一天里是86400秒，但是有些時候一天里會有86401秒。你知道自己多過了1秒嗎？
時間這件事遠比想象的復(fù)雜的多，今天暫時先說到這里吧。
- 聽說過世界協(xié)調(diào)時UTC嗎？聽說過GPS時嗎？
- 你手機上面的時間是什么時間？
- 這些時間能否相互轉(zhuǎn)換？關(guān)系是什么？
歡迎關(guān)注后續(xù)星辰大海：時間系列
