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复杂的一“日”

来源:光明网2021-01-27 10:12

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  上下四方曰宇,古往今来曰宙。请随我们进入“时间”的故事。

  “日”是人们最容易直观感受到的时间单位。那么,日(天)是怎样形成的?不要以为这是一个简单的问题。实际上,每天的长度并不是24小时,地球像个醉汉一样在改变着日的长度。

  我们都知道,地球是在不停自转的,这是“日”形成的根本原因。地球自转,对着太阳的一面是白天,背着太阳的一面是夜晚。地球不停的自转,于是就有了各个地方白天和夜晚的差别。

复杂的一“日”

图1. 地球上被太阳照射的地方就是白天(图源:作者)

  在任何一个地方进行观测,连续看到两次日出,就能有一个基本的周期,可以作为一个时间的尺度。时间尺度就是选定一个起点,按照固定的间隔进行累加的一个标准。

  有了时间尺度,我们可以把任何两个物理事件在这个尺度上标记,就能够比较两个事件的先后次序了。

  选定“日”这个基本的时间间隔后,一天从哪里开始呢?不要小看这个问题,直到现在都有不同的标准!

复杂的一“日”

图2. 有人认为一天是从日出开始(图源:作者)

  古埃及人认为一天是从日出开始。在公元前3000年,他们就把日出作为一天的开始,日落作为夜的开始,白天和黑夜各12小时。因为一年四季的昼夜并不相等,因此他们的小时长度也是变化的。实行变化的小时,让他们比较容易知道白天还剩多长时间。

  犹太人的一天则是从日落开始的。他们认为:“将黑暗作为开始的人,他的最后是光明;将光明作为开始的人,他的最后是黑暗。”穆斯林,古希腊,古巴比伦人,还有基督教礼拜仪式等,都是把日落作为一天的开始。

复杂的一“日”

图3. 有人认为一天从日落开始(图源:作者)

  天文学家是古代掌握时间的人,他们恐怕是不想将自己夜间的观测数据放在两天,于是就把一天的开始定在了中午。而航海家为了定位,使用的是天文学家的方法。所以航海日和天文日的一天的开始都是正午。古代的翁布里亚人是将正午作为一天的开始。

复杂的一“日”

图4. 有人认为一天从正午开始(图源:作者)

  到19世纪,国际上大多数国家和地区统一将一天的开始定义在午夜,但也有少数穆斯林和犹太人还是从日落开始他们的一天。

复杂的一“日”

图5. 有人认为一天从午夜开始(图源:网络)

  统一“日”的起点后,另一个问题就出现了:“日”究竟有多长? 如果你被问到这个问题,你可能很快就会给出类似这样的答案:一天有24小时×60分钟/小时×60秒/分钟=86400秒。但是我要告诉你,这只是大概正确!实际上一天并没有这么多,你会不会惊讶呢。

  日的长度是由太阳的周期变化引起的,但太阳的周期变化是由于地球自转造成的,地球一边自转,又一边绕太阳公转,这就会改变日的长度。因为地球一年绕太阳转360度,因此每天看到的太阳,要比前一天看到的太阳位置变化大约1度。也就是说地球要多转1度才能看到同样的太阳。这样,一天的时间就多于24小时。

  再加上地球在公转轨道上不同位置的速度、月亮的影响等因素,一天的长度在不停的变化。秋分和冬至两个时期,日的长度相差最大,能长达51秒。

复杂的一“日”

图6. 日的长度是不停变化的(图源:作者)

  摒弃地球公转的影响,参考遥远的恒星来观测地球自转,也会得出日的长度是逐渐增加的结论。下图是近40年来一天长度的变化,横坐标是年,纵坐标是一天的长度与86400秒的偏差。从图中可以看出,地球自转的长期趋势是变慢的,但也存在不规则的变化,有时快,有时慢。

复杂的一“日”

图7. 日的平均长度长期趋势是逐渐增加的(图源:作者)

  人们对“日”进行了比较透彻的研究,诸多结果显得“日”比较复杂。但确实是应该复杂的,因为日是我们时间体系的基础。

  作者简介:

  李孝辉,中国科学院国家授时中心研究员,博士生导师,国家卫星导航重大专项专家组成员,主要研究时间频率测量、时间同步、卫星导航。

  朱琳,中国科学院国家授时中心助理研究员,在读博士生。主要从事卫星导航系统时间监测与评估、多模导航中系统时间偏差应用等方面的研究工作。

[ 责编:赵宇豪 ]
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