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.
这里我引用了出现在《星际穿越》里的一首诗，影片中布兰德教授说了一句经典的台词“I'm not afraid of dead, I'm afraid of time.”表达了一位伟大的物理学家在时间面前的渺小。
也许要很久以后人类有可能具有操纵时间的能力，但这不妨碍我们对于时间系统的了解与探索，今天，我们来聊一聊时间
时间的测量
如果有人问“这本书的厚度是多少？”你可能会找出一把尺子，对书量一量。如果有人问“从这里到汽车站需要多久？”你可能会拿出手机，找到计时器，按下开始键。那么，如果有人问“一天有多久？”你可能会翻他一个白眼“一天就是一天”。
一天是多久？
这个问题看起来是个悖论的问题，一天本身就是时间的一种长度，多久问的也是时间的长度，这个问题怎么看来都是在自问自答。
不过细细想来，你可能会给出这样的答案：
- 一天有24个小时，每个小时有3600秒
- 太阳从日出到日落在到日出，转上一圈就是一天
这两种说法都对，却也不完全对，因为问题本身的“一天”就不是很科学的说法。
太阳的一天
很久以前，当人类还没有手机的时候（手动调皮），我们的老祖宗就开始用日晷测量时间。关于日晷如何测量时间，那是另一个话题了。而日晷能够测量时间，基本的原因是地球的自转。虽然我们没办法直接的测量地球自转的角度，但是地球自转使得太阳每天规律的日升又日落，因此我们可利用太阳来测量一天的时间。
测量长度的尺子上面，一个个刻度都是均匀的，那么用太阳测量时间，选择什么“刻度”才能使一天一天的时间比较均匀呢？选择每天太阳升起的时刻可以吗？因为四季的变化，夏天太阳升起的时间很早，白昼很长；而冬天太阳升起的时候很晚，白昼很短。如果用太阳升起的时刻区分前一天、后一天，就会使得一天的时间有时长有时短。解决的方式是以太阳经过目标头顶的时刻，也就是每天中午影子最短的时刻，区分前一天、后一天，可以使得每一天的时间长度基本一样长。
到这里，我们拥有了用太阳记录时间的定义，“太阳日”也称为“真太阳日”。既然是“真太阳日”，难道还有“假”太阳日？事实中，与“真太阳日”对应的概念是“平太阳日”。从名称上看“平太阳日”表达的是平均的意思，既然要平均，那么原来的“真太阳日”在哪些方面发生了变化？
- 由于地球绕太阳的公转轨迹是一个椭圆，距离太阳近时运动速度更快；
- 由于地球的自转平面（赤道）与公转的平面（黄道）有一定的倾斜角度；
这两个原因导致了太阳相对地球的运动是不均匀的，那么人们假象了一个“平太阳”，这个平太阳每年春分点和真太阳重合，真太阳沿着黄道运动，平太阳沿着赤道运动而且运动的速度保持不变。（这个平太阳也确实是个假太阳）
总结一下，利用地球自转产生的日升日落的现象，“真太阳日”能够告诉我们一天的时间有多长，“平太阳日”则是在较长的时间里保证了一天的时间基本不变。但是“平太阳”还是不够好。第一，我们如何知道这个平太阳在哪里，第二，平太阳日虽然能告诉我一天是多长，但是这个刻度太大了，我想要一把更细致精确的尺子。
星星的一天
首先，在不能确定平太阳的情况下，如何定义比“真太阳日”更加平均的时间？我们已经知道由于地球与太阳的相对运动使得真太阳日发生了变化。为了消除这个变化，只要找到比太阳更好的替代物就可以了，这个替代物就是星星。这里的星星并不是某一个星星，而是指许多星星。
先说点题外话，2017年中国的FAST射电望远镜发现了许多新的脉冲星，这些脉冲星就好比宇宙中的灯塔，可以帮助地球确定自己的位置。在还不知道脉冲星的时代，天文学家也发现了夜晚观测的许多星星在宇宙的天球上的位置基本是不动的。通过测量这些星星的位置变化，同样能够反应地球自转的运动。
这样，我们利用这些星星定义的“一天”称为“恒星日”。恒星日具体的刻度是当地经度圈通过春分点的时刻，这里的春分点是利用许多星星一起计算的。
恒星日，相对于太阳日，更加真实的反映了地球的自转。恒星日与太阳日之间的关系，由于地球绕太阳的公转相当于太阳相对地球转了一圈，所以在公转一圈的时间里，恒星日比太阳日多了一天，两者关系大约为 (365+1) 恒星日=365太阳日
不幸的是，第一，这个“恒星日”还是不够均匀，还有一个更加平均的“平恒星时”，两者之间的区别是由于地球自转存在章动，导致春分点发生变化，不再展开了。第二，恒星日实际上经常用于计算当地经度圈与春分点之间的夹角，作为计时单位的话十分不方便。
总结一下，虽然利用星星可以确定“恒星时”，“平恒星时”，但是基本不作为时间单位进行使用，而在一些关于经度圈的计算中经常出现。
原子的一天
到了20世纪，人类对物质的微观结构认识不断加深，这也使得人类具有了更加精确与稳定的测量时间的方式。1967年，人类定义了1秒为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。
不过1秒的时间为什么是这么长？多1周或者少1周可不可以？这个1秒的定义主要是使得由于地球自转引起的太阳日具有86400秒，也就是每天都有24小时每小时有60分钟每分钟有60秒。（你说这里的太阳日是真太阳日还是平太阳日？手动滑稽）
不过，由于地球的自转在缓慢的变化，所以绝大多数情况下一天里是86400秒，但是有些时候一天里会有86401秒。你知道自己多过了1秒吗？
时间这件事远比想象的复杂的多，今天暂时先说到这里吧。
- 听说过世界协调时UTC吗？听说过GPS时吗？
- 你手机上面的时间是什么时间？
- 这些时间能否相互转换？关系是什么？
欢迎关注后续星辰大海：时间系列
网友评论