旭道-天文小課堂之 時間與曆法
天文小課堂—關於時間與曆法（以下所有具體數值摘自維基百科、NASA、中科院紫金山天文台）
時間是我們感知這個世界的一個維度。從奇點開始的宇宙大爆炸，時間就誕生了。從萬年前的遠古時期，人類是通過抬頭仰望星空，看到日月星辰的變化、白天與黑夜的交替，感受到自己一天天的成長一天天的衰老，從出生到死亡，感受到了時間的存在。作為四維空間中的一個維度，時間可以定義為連續的不可逆轉的存在過程。古詩有云：百川東到海，何時復西歸。隨著文明的進步，從我們最早感受到時間的存在，到人類開始了對於時間的描述，進一步發展到了觀測記錄與曆法。所謂曆法，簡單說就是根據天象變化的自然規律，計量較長的時間間隔，判斷氣候的變化，預示季節來臨的法則。或者說：推算年、月、日的時間長度和它們之間的關係，制定時間序列的法則稱為曆法。
人們最先感知並加以定義的時間長度就是一天。因為日出日落的往複循環最容易分辨，只通過觀察就可以大致判斷其長度。古代判斷一天長度的方法就是看影子。是觀察一天的正午時分到第二天的正午時分的影子來判斷。然後就是一年，也是通過對四季交替和天上星辰位置的觀察而判斷出來的。隨著文明的進步，技術的發展。人類人為的為一年劃分了月份。再結合一天的長度，分配一個月有多少天。可以說這種如何劃分一年有幾個月份，一個月份有幾天的方法就是各大曆法的區別。古代曆法不同地域不同文明就有著N多的曆法，光我們中國從古至今使用過的曆法就有上百種之多。但總結起來無外乎三種制度，都是以不同的參照物來規劃時間。
以太陽為觀測對象，發展出了陽曆。如今世界通行的公曆就是一種陽曆，又叫格里高利曆。是由格里高利十三世教皇於1582頒布的。在這之前普遍通用的曆法是叫儒略曆，由公元前46年,羅馬統帥儒略·凱撒(Julius Ceasar,通譯為尤利烏斯·凱撒)參照埃及曆法改訂羅馬曆法創立的。俄羅斯又稱自己為第三羅馬，所以至今一直沿用儒略曆。為了把儒略曆過渡為格里高利曆，人為的把1582年的10月5日那天直接改成了10月15日。人間蒸發了十天。無論是儒略曆還是格里高利曆都是陽曆，差別只是閏年的劃分。現在的公曆規定每年都是12個月，月份的大小完全是人為的規定，現在規定每年的1、3、5、7、8、10、12月為大月，每月31天；4、6、9、11月為小月，每月30天；2月平年是28天，閏年是29天。平年365天，閏年366天。把公元年數整除4為一潤年。每個世紀年要整除400才為一閏年。（人為規劃大小月中有很多有趣的歷史故事，有興趣的人可自行搜索，這裡不以介紹歷史為主就不贅述了。）
除了以太陽為參照物，最容易觀測的還有月亮。以月球為參照物出現了陰曆。陰曆是以觀測到的朔月（初一），此時日出月出、日沒月沒為開端；經歷了新月（初二、初三），此時傍晚見於西方；上弦月（初七、初八） 此時中午月出、子夜月沒；望月（十五、十六），此時日沒月出、日出月沒；下弦月（二十二、二十三），此時子夜月出、中午月沒；殘月（二十六、二十七），此時清晨見於東方；最終來到無月（二十九、三十）。整個周期為一個朔望月。朔望月固定歷時是29天12時44分3秒，換算為29.53天。比29天多，又比30天少。為方便規劃，陰曆以12個月為一年，單月為大月，30天，雙月為小月，29天。全年曆時354天，比咱們日常接觸的365天少11天，因此在30年中設置11個閏年，不置閏月。伊斯蘭教的曆法，又稱希吉來歷，就是陰曆的一種。此曆法的精度與現代通用的公曆（格里高利曆）相仿。像我們常常聽說的開齋節就是走的伊斯蘭教曆法。
還有一種結合陽曆和陰曆的陰陽合曆，又叫農曆，是為了指導勞動生產的曆法。陰陽曆取月相的變化周期即朔望月為一個月的長度（從初一到三十），參考太陽回歸年為年的長度（二十四節氣），通過設置閏月以使平均歷年與回歸年相適應。回歸年是以太陽直射點作為參照物，以春分點為開端，太陽直射
點在南北回歸線之間來回移動的一年。
一個回歸年即是從（均以北半球為例）春分（太陽直射赤道）開始，經過夏至（直射北回歸線）、秋分（直射赤道）、冬至（直射南回歸線），再回到下一次春分，這期間所用的時間。這裡太陽公轉了359度多一點，所以所用時間也要少一點，用時365日5時48分46秒，即365.2422日。這與儒略曆和格里高利曆的一年概念都存在誤差。所以設置了閏年和閏月。以保證最大限度的貼近。農曆里還有我們亞洲國家常見的二十四節氣，但二十四節氣應根據太陽在黃道上的位置而決定，應該屬於陽曆的部分。因此把農曆稱為陰曆是不恰當的。農曆等於是把朔望月與節氣相結合的陰陽合曆。農曆的年份分為平年和閏年。平年十二個月；閏年十二個普通月份加一個閏月，總共十三個月。月份分為大月和小月，大月三十天，小月二十九天。一年中哪個月大，哪個月小，年年不同，由計算決定。平年全年354~355天，閏年全年383~384天。由於每平年的天數比回歸年約差十一天，所以採用設置閏年（即十二個普通月份加上一個閏月）的方法使這幾年的平均日數盡量的接近365.2422日。由於1回歸年為12.368個朔望月，比12月多出0.368月，換算0.368=368/1000=46/125，即125個回歸年的話正好余出46個朔望月，所以在125年中應設置46個閏年。但因為這樣設閏太過複雜，經推算，7/19最接近0.368。故一般的，在19年中設置7個閏年，有閏月的年份全年383天或384天。說到農曆，又讓我想起了天干地支的紀年法。古代農曆的紀年並不是公曆所用的公元紀年法，而是用天干地支（六十年周而復始）搭配著朝代或年號來使用的。
以上都是我們以地球，太陽，月球為參照系得到的曆法，多數都是把觀測數據與人為設定相結合，儘力減少誤差的方法。到了近代，隨著天文觀測學和天體物理學的發展，為了更加精準的計算出一年的時間長度。於是有了恆星年，恆星日的概念。
恆星日是以遙遠的恆星為參考系，子午線兩次對向同一恆星的時間間隔。是地球真正自轉360度的周期。一個恆星日的長度是23小時56分4.0916秒=23.9344699小時，等於太陽日24小時的0.99726958天。恆星年是地球繞太陽一周實際所需的時間間隔，也就是從地球上觀測，以太陽和某一個恆星在同一位置上為起點，當觀測到太陽再回到這個位置時所需的時間。恆星年的概念只在天文學上使用。一個恆星年的長度是365日6小時9分鐘10秒,等於365.25636個平均太陽日。恆星年與回歸年也不同。由於春分的進動，恆星年比平均回歸年長了20分24.5秒。
關於春分的進動，就要講地軸進動了。春分進動就是由地軸進動所造成的影響之一。地軸進動說白了就是地球的自轉軸發生變動，這會使地球自轉的平面即赤道面與地球的公轉平面即黃道面的夾角有所改變，這就會使春分點的位置發生移動，從而導致春分進動。地軸進動除了會出現春分進動，還會造成北極星的變遷，這是因為北極星就是天北極附近的亮星，它必然因為天北極的移動而有更替的現象，北極星在公元前3000年曾經是天龍座α，目前是小熊座α，到公元14000年將是天琴座α(織女星)，可以預計，天龍座α將在公元22800年再度成為北極星，公元27800年時的小熊α同天北極的關係將同目前一樣。今天，天南極附近沒有明亮的恆星，但是到公元16000年時，船底座α(老人星)則將成為明亮的南極星。
地軸進動還會導致歲差。歲差是在外力矩作用下，自轉軸的空間受迫運動，天極圍繞著黃極，以23°26′為半徑作圓周運動，周期約為25800年。天極的運動是真實的運動，使得天極、天赤道和春分點在恆星間的位置都不固定，結果造成回歸年的長度（365日5時48分46秒）短於恆星年（365日6時9分10秒），天體的赤經、赤緯和黃經都要受到影響，但卻不能改變地理經度和地理緯度數值。所以在日常生活中如果不是很關注天文的話，感覺不到這些變化帶來的影響。
講到這裡我們在回到時間的話題上來。時間的測繪總之是離不開參照物。而之前講到的參照物（日、月、地）因為各種原因沒有恆定的位置，這也導致了為什麼會出現了那麼多紛繁複雜的曆法，以及對年、月、日不同長度的演算法。那麼有沒有相對固定的參照物能使得時間更有準確性呢。答案是肯定的。
接下來我會給大家介紹秒。秒是時間的最基本計量單位。一天24小時，一小時60分鐘，一分鐘60秒，是怎樣定出來的呢？一秒鐘的標準又是怎樣確定的呢？用什麼作為參照物呢？
在19世紀末，天文學家只能從年的長度中細分來確定秒的長度。他們把秒定義為一個回歸年長度的31556925.9747分之一的時間長度。這是人類歷史上第一次對秒的定義。但是，這裡的秒等於只是把回歸年平均分解產生的秒，而回歸年又不是固定的。況且地球的自轉速度也並不固定，這樣算出來的秒的數值也是變動的，也會導致對於每天24小時中這86400秒的長度也不固定。到了20世紀中期，科技進步使人類有了計時精確的原子鐘。於是，秒的基準定義有了第二次改革。在1967年的第13屆國際計量大會上確定以銫原子鐘為計時標準。確定「秒」為時間的基本計量單位。並定義了「秒」的物理標準為：在海平面零磁場的條件下「銫133原子兩個基態能級的轉換所經過的9192631770個電磁波輻射周期」所需要的時間。
這種測量精度可以達到一天近似一納秒（十億分之一秒），200多萬年差一秒的誤差。到2010年2月，由美國國家標準局研製的鋁離子光鍾已達到37億年誤差不超過1秒的驚人水平，成為世界上最準的原子鐘。這樣，秒的基準定義就構建在電磁波頻率的基礎上了。從靠平均分解年的長度來決定秒的長度到從原子時決定秒的長度，這是人類科技進步的結果，是計量科學一個質的飛躍。是人類進入現代科學技術的劃時代的標誌。有了這幾乎不變的參照物來確定秒的時間長度，使得時間這個維度可以數據化。對於天文、航天、氣象、導航等諸多與時間有關的領域，其數據更加嚴謹。
作為一個業餘天文愛好者，我們要了解的是天文觀測的數據必須要與時間相結合才有意義。舉個例子，今晚水星逆行。這個數據毫無用處。應該要加上觀測的具體時間，持續了多久等信息。再舉個例子，順便給大家預報一下。2018年1月30日將要發生月全食。此時的月亮將會呈現磚紅色。
京時間18:49時開始，這個階段叫半影月食，此時肉眼無法分辨出陰影，但隨著時間推移到19:48時，肉眼可見本影月食的過程，此時成為初虧。月亮幾乎位於正東方，地平高度約26°，非常易於觀測。大約20：51時，月球完全進入地球本影中，此時名叫食既。21:30時，月亮到達最接近地影中心的位置，該時刻稱為食甚，這時候月亮應該顯得最暗，但並不是看不見，而是呈現紅銅色或磚紅色。到22:08時，月亮的右邊開始出現微光，因此這個時刻被稱為生光，月亮逐漸從地球陰影中鑽出來。到23:11時月亮復圓。不過，月亮完完全全移出地球半影要到次日00:10時。月全食階段持續1小時16分。這次月食，北美洲、南美洲西北部、北冰洋、太平洋、亞洲、大洋洲、印度洋、歐洲（除西南端）、非洲極東部地區都可以看到。中國的中東部可見月食全過程，西藏西部和新疆西部部分地區看不到半影食始和初虧現象，僅可看到初虧後面的過程。這樣子的表達才能說明觀測數據。然而我們在地球上的不同位置上的時間都不一樣。這時我們就需要一套時間系統來體現。這套系統就是世界時。由於在全世界範圍內使用恆星時是不實際的，於是各種天文事件和氣象事件的時間都是世界時（UT）來說明。世界時的使用最早於1928年，國際天文學聯合會推薦在編輯天文年鑒時使用世界時。有時，我們仍然會聽到「格林尼治平時（GMT）」這個古老術語，但現在它已經過時了。世界時採用24小時的表示格式。比如早上6點10分—06:10。為了表示世界時。通常會在時間後邊顯示一個字母Z。這時世界時表示為0610Z。當精度需要達到秒甚至更高時，就需要對世界時進行更為準確的定義。在天文和航海中，通常使用特定的時間形式UT1來作為世界時，UT1是天文角度上對地球旋轉角度的一種衡量。它會受到地球自轉的微小變化影響，從而與格林尼治子午線的時間稍微不同。然而，在UT系統中，民間最普遍採用的時間尺度是「協調世界時（UTC）」，它是全世界採用的時間系統的基礎。這個時間尺度由世界上各個點的時間實驗室設置，通過原子鐘確定。有了全世界統一的時間表達方式，就為天文觀測起了至關重要的作用。以上就是我們天文小課堂關於時間與曆法的全部內容。下期預告講 溫度。
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