复杂的一“日”

　　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。

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！

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。

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。

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。

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。

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。

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。