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五种计时法_趣味天文学

时间:2020-01-31 理论教育
五种计时法_趣味天文学

我们已经习惯于使用各种钟表,甚至根本就没有想过它们所指的时间有什么意义。我相信,读者中只有少数人能够解释出,当有人说“现在是晚上七点钟”的时候,他到底想要表达的是什么意思。

难道这句话的意思就是说,钟表上的时针指着数字7吗?这个数字有什么意义呢?它表明,中午之后时间已经过去了一个昼夜的019-01。那么这又指的是什么样的中午之后呢?又是什么样的一个昼夜的019-01呢?一个昼夜是什么意思?有句俗语是这样说的:“白天和黑夜——过去了一昼夜”,这里的一昼夜指的是地球绕它自己的轴心、并以太阳为参照自转一周的时间。实际上,这个时间是这样来测量的:以天空中位于观测者头顶上的一点(天顶)和地平线上正南的一点之间为一条线,观测太阳(确切地说,是太阳的中心)连续两次经过这条线的时间。这个时间间隔并不是固定不变的:太阳经过上述那条线的时间,有时候会早一些,有时候则晚一点。根据这个“真正的中午”来校正钟表是不可能的。即便是最巧妙的钟表匠师傅也不可能将钟表的时间校正得严格按照太阳的运行来显示。100年前,巴黎的钟表匠们就在他们的招牌上写过这样的话:“太阳指示的时间是骗人的。”

我们的钟表都不是按照真正太阳、而是根据某种想象的太阳来校准的。这个想象的太阳既不会发光,也不会发热,它是人们为了正确计时而想象出来的。假设自然界有这样一个天体,它一年四季总是匀速运行着,它绕地球一周的时间恰好是我们现在真实存在的太阳绕地球一周(当然,只是好像如此)所需要的时间。这个想象中的天体在天文学上称为“平均太阳”。它经过天顶和正南方连线的那个瞬间叫做“平均中午”;两个平均中午之间的时间间隔就是“平均太阳日”,这样计算出来的时间就叫做“平均太阳时间”。钟表正是依据这个平均太阳时间来报时的,而用指针影代替指针的日晷所显示的时间就是当地真正的太阳时间。

读者看了以上描述之后可能会产生这样一种印象,即以为地球围绕地轴旋转的速度是不均匀的,这样就会产生太阳日的不等。这种想法是不正确的,因为昼夜的不等是由地球的另外一种运动的不匀速性引起的——那就是地球绕太阳公转。我们接下来讨论这种现象对昼夜长短是如何产生影响的。在图6中,大家可以看到地球在公转轨道上的两个连续位置。现在我们来看左边的图。

图6 为什么太阳日比恒星日长?

左图中后下方的箭头表示的是地球围绕地轴旋转的方向:如果从北极往下看,这个方向是逆时针的。现在A点是中午,此时A点正好正对着太阳。假设地球围绕地轴自转了一周,在这段时间里,它同时围绕太阳公转轨道向右转动到另一个位置了。通过A点的地球半径还是和前一天的方向一致,但A点此时并非正对着太阳。对于站在A点的人来讲,中午还没有到来:太阳还位于上述那条线的左侧。地球还需要再旋转几分钟,A点才会到中午。

这能说明一个什么问题呢?这说明,两个真正太阳中午之间的时间间隔比,比地球围绕地轴旋转一周的时间要长。如果地球匀速围绕太阳公转,公转轨道是以太阳为圆心的一个圆,那么地球绕地轴自转一周需要的时间,和我们此处所说的以太阳为依据的时间之间的差距就应当每天都是一样的。这个时间差很容易就能计算出来,如果我们注意到,这些不太大的差额在一年之内加起来刚好是一昼夜(地球绕太阳公转一年需要的时间,比其围绕地轴自转一年的时间多出一天,这一天恰好是地球自转一圈的时间);这就是说,地球自转一周所需的时间为:

我们注意到,一个昼夜的实际时间不是别的,正好是地球以任何恒星为准自转一周所需要的时间,这样的昼夜被称为“恒星日”。

这样,恒星日平均比太阳日要短3分56秒,四舍五入为可以记作4分钟。但这个时间差也并非固定不变的,原因是:①地球并不是沿着正圆轨道绕太阳作匀速公转,在有些地方(离太阳较近的地方)地球的公转速度快些,而在另外一些地方(离太阳较远的地方)速度慢些;②地球自转的轴跟它绕太阳公转的平面之间是倾斜的。由于这两个原因,在不同的日子里,实际太阳时间和平均太阳时间之间的差别就是不同的,有时候这个时间差可以达到16分钟。一年之中只有4天,这两个时间才是相同的:

4月15日;6月14日;9月1日;12月24日。

另外,在2月11日和11月2日,真正太阳日和平均太阳日之间的差别达到最大值:大约是15分钟。从图7中可以看出,一年内这两个时间之间的差别情况:(www.guayunfan.com)

这个图叫做时间方程图,图中表示的是真正太阳中午和平均太阳中午之间的时间差,比如4月1日的时候,真正中午在准确钟表上的时间应当是12点5分;换句话说,这条曲线表示的是真正太阳中午的平均时间。

图7 这个曲线表示出真正太阳日的中午在平均太阳时间是几点几分,譬如4月1日的真正中午在准确的钟表上应指到12点5分。

1919年之前,苏联人民是按照当地的太阳时间来计时的。在地球不同经线上,平均中午的时间是不相同的(当地中午),因此每个城市都是按照自身的当地时间来计时的。只有火车的运行时间使用的是全国通用的时间:当时全国通用的时间是圣彼得堡地方时。人们将“城市时间”和“火车站的时间”区分开来:前者指的是当地平均太阳时间,是城里所有钟表上的时间;后者指的是圣彼得堡的平均太阳时间,即火车站钟表显示的时间。现在,所有的火车都按照莫斯科时间来运行了。

从1919年起,苏联用于计时的时间不再是地方时间,而是所谓的“时区”时间。人们依据经线将地球划分为24个相等的“时区”,同一个时区内的各个地方都采用同样的时间,这个时间是平均太阳时间,它为这个时区中间经线的时间。这样,在整个地球上,每一个瞬间都只有24个不同的时间。在没有采用时区计时的时候,地球上却存在着很多个不同的时间。

我们谈到了三种计时方法:①真正太阳时间;②平均本地太阳时间;③时区时间。此外还应当加上只有天文学家才使用的时间,即恒星时间。恒星时间是使用上面所谈到的恒星日来计算的。我们已经知道,恒星日比平均太阳日要短约4分钟。每年3月22日的时候,这两个时间彼此相同。但从第二天起,恒星时间就要比平均太阳时间快4分钟。

最后,还有第五种时间,即所谓的法令规定时间,简称“法定时”。苏联所有的人们一年到头都采用这种时间,而大多数西方国家只有夏季才使用这种时间。

法定时比时区时间要提前1个小时。这样做的目的是:在一年中日长的季节(从春到秋)可以把作息时间提前一些,这样就可以减少人工照明所需要的能源消耗。其方法就是正式将时针往前拨快一个小时来设定法令时。在西方国家,每年春节的时候拨快一个小时(在半夜一点钟时拨成两点钟),然后秋季的时候再将时间拨慢一个小时。

在苏联,一年四季都需要拨时钟,也就是说不仅夏季,在冬季的时候也需要。虽然这样并不能减少照明所需的能量,但是却可以使电站的负荷更均衡。

苏联是从1917年开始使用法定时的[4]。有时候,不仅将时钟拨快2个小时,甚至是3个小时;在中断了几年之后,又从1930年起重新实行了法令定时,但只是比时区时间提前了一个小时。