八. 时间的刻度

 

《时间的天文学》 作者：黄驰

七. 日晷，地球在宇宙中的姿态　　|　　目录　　|　　九. 太阳在哪里？，

十五. (真)太阳时、恒星时

天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象。

时间的刻度，24小时=360°

我们一直使用数学中的角度来表示时间，为了区分时间和角度，时间我们使用"小时"，角度我们使用度" ° "。我们使用天体之间的几何学位置来描述时间，反过来时间也描述了天体之间的几何学位置。可以说这是时间的几何学属性。但是要正确描述时间和天体之间的关系，我们必须要使用正确的时间刻度24小时=360°。而日-地-影的连线就是时间刻度的基准线。

星空，星空就是一个巨大的24小时刻度的时钟。星空和时间的关系，星星、星座和时间的关系，描述这些关系我们只需要一个正确的时间刻度24小时=360°。

面向正南，俯视天赤道平面，随着地球的自转，正南方扫过整个星空，正南方指向10:00点，表示10:00，正南方指向几点就是几点。其实真正表示时间的是正南方和地球影子（日-地-影连线）之间在天赤道平面的夹角。

日-地-影连线，时间的基准线。真太阳时，1年365天，正南方扫过太阳365次，我们把每一天正南方扫过太阳(中心)的时刻定义为中午12:00点整。这是我们对时间最根本的定义；同样，1年365天，每一天正南方扫过地球影子的时间都是午夜0:00点。所以太阳的刻度是"12:00"，影子的刻度是"0:00"。更准确的描述应该是：以日-地-影连线在天赤道平面的投影为基准线，将天赤道平面24等分形成24小时，太阳的刻度是12:00，影子的刻度是0:00。

回顾【四. 日晷，相对运动】。回顾【五. 365天，时间的变化规律】

时钟，真正表示时间的是正南方和日-地-影连线之间在天赤道平面上的夹角，星空就是一个巨大的24小时刻度的时钟，地球也是这个时钟中的一部分，地球上的每一个城市也是这个时钟中的一部分。

地球上每一个城市的时间，地球上并不是只有一个城市，只有一个正南方。由于地球是一个球体，每一个城市都有自己的正南方(经度线)，每一个城市正南方都指向不同的方向。但是每一个城市的时间，都是这个城市的正南方和日-地-影连线之间夹角。而所有城市的日-地-影连线却都指向一个方向，太阳的反方向。而描述这个天文现象只需要我们放大时钟中心，我们生活的地球。

随着地球的自转，每一个城市的正南方扫过太阳的时间都是当地时间的中午12:00点整。然而在同一时刻，每一个城市的时间（真太阳时）都是由当地的正南方和太阳（日-地-影连线）之间的夹角来表示的。同一时刻，地球上有的地方是早晨，有的地方是中午，有的地方是下午，有的地方是夜晚。但是地球上所有的影子都是指向一个方向，太阳的反方向，都是日-地-影连线的一部分。

这是1月份的某一天内，地球上每一个城市的正南方扫过太阳的时间都是中午12:00点整，每一城市的正南方扫过猎户座的时间都是22:00点左右。仔细对比每一城市扫过猎户座的时间，他们是略有不懂得，因为地球围绕太阳的公转，星空也在缓慢的旋转每天约1°，所以每个城市扫过猎户座的时间会略有不同。而每个城市扫过太阳时间都是12:00整，真太阳时。参考【第五章. 365天，时间的变化规律】。

再将地球放大，我们可以看清更多的细节，正南方，经度线。

俯视赤道平面，北极点是地球（地图）的中心，每一个城市都在围绕北极旋转。每一个城市的时间，都是由经度线（正南方）和时间刻度（日-地-影连线）之间的角度表示的。

每一个城市的时间都是本地正南方和日-地-影连线之间的在天赤道平面夹角的角度值。所有的数据都满足时间和角度直接按的转换公式：24小时=360°。简化的看，经度线就是时间线，指向几点就是几点，每一根经度线都是当地时间的指针。

时钟，星空就是一个巨大的24小时刻度的时钟，太阳的时间刻度是12:00，地球影子时间的刻度是0:00。随着地球的自转，正南方扫过整个星空，正南方就是时钟的指针。放大地球我们可以看到，每一个城市的正南方（经度线）都是这个时钟的指针，指示着当地的时间，真太阳时。

地方--真太阳时，每一个城市的时间都是由当地的正南方和太阳影子之间的夹角表示的，在天文学中它的专用名称是"地方--真太阳时"。

时间差、经度差，知道两个城市的时间差（真太阳时）就可以计算出两地的经度差；知道两地的经度差值，就可以计算出两地的时间差值（真太阳时）。这两种方式是可以互换的。因为每一个城市的时间都是正南方（经度线）和日-地-影连线之间的夹角。

同时测量(打电话)，白天。如果我们生活在不同城市，例如：北京、上海、深圳、成都、乌鲁木齐，南边的三亚，北边的漠河。我们同时测量太阳和天赤道之间的角度，同一时刻所有城市测量的结果都是一样的，这是地球自转的结果。回顾【第三章. 356天，高度的变化规律】。同一时刻，我们还可以测量每一个城市的真太阳时，每一个城市正南方和太阳(影子)在赤道平面上的夹角。我们发现每一个城市都不一样，但是任意两个城市之间的差值是一个固定值，过一段时间测量也是这样。这个相差值就是我们经度差值。

同时测量(打电话)，夜晚。如果在夜晚，我们看不见太阳怎么办？我们可以选择同一颗恒星，例如：猎户座α，每一个城市同时测量猎户座α和天赤道之间的角度，都是一样的，这是地球自转的结果。同时测量每一个城市正南方和猎户座α在赤道平面上的夹角。我们发现每一个城市都不一样，但是任意两个城市之间的差值是一个固定值，过一段时间测量也是这样。这个相差值就是我们经度差值。这和我们测量太阳是一样的。

时间，从一个变成很多、很多

如果地球上只有一个城市，时间是简单的一个。但是地球是一个球体，也不是只有一个城市，每一个城市都有自己的正南方，每一个城市都有自己的时间，当我们单独使用时他是简单的，但是当我们相互交流时，我们发现时间有很多、很多，每一个城市的时间都不一样，非常容易混乱。

例如同一时刻，上海时间是10:00:00，北京时间是09:39:37，成都时间是08:50:41。有一架飞机8:30起飞，三个城市描述这个起飞的时间是不一样的，而我们的城市可不是只有3个。每个城市都以自己的时间为标准，在实际使用中很容易造成混乱。这时我们需要一个统一的时间，一个统一时间标准，时区由此产生。

24(25)个时区

我们以经度线为基准，将地球24等分，分成24(25)个时区，有一个" 0 "零时区，向东12个时区、向西12个时区，1+12+12=25，共25个时区，其实东12区和西12区都是半个时区，合起来是1个时区，共24(25)个时区。每一个时区的时间，都是以本时区中线为计时经度线。

时区

零时区，以0°经线为中心线，范围从西经7.5°~东经7.5°，共15°。零时区内所有的城市都是以0°经线为计时经度线，使用统一的时间。英国的伦敦就处于零时区内。

东八区，以东经120°经线为中心线，范围从东经112.5°~东经127.5°，共15°。东八时内所有城市都以东经120°经线为计时经度线。上海，北京，深圳就处于东八区内，但是我国幅员辽阔横跨5个时区，但是我们统一使用东八区时间，统称"北京时间"，东经120°经线时间。这样我们国内所有的城市都使用"北京时间"。

东12区、西12区，东12区范围从东经172.5°~东经180°；西12区范围从西经172.5°~西经180°，东经180°和西经180°是重合的经线。东西12区的时间都是以180°经线为计时经度线，只是他们的时间日期上差一天。180°经线又称为国际日期变更线。

时区，我们把地球分成24(25)个时区，但是每个时区并不是严格的按照经度线等分，很多是按照国界划分的。例如我们中国，我国面积960万平方公里，横跨5个时区，但是我们实用统一的东八区计时。俄罗斯面积更广阔横跨9个时区，他们就按地区边界划分成7个时区，如上图。时区的划分，参考经度线，也参考国家边界。

计时经度线，与时区划分不同，计时经度线是严格的按照经度线。15°的整数倍（也有采用0.5倍的）。我们东八区"北京时间"，就是严格的东经120°。日本"东京时间"，就是严格的东经135°。英国"伦敦时间"，就是严格的0°经线。美国"华盛顿时间"，就是严格的西经75°，等等，如下图。

时区计时

时区计时，我们不再使用每一个城市的正南方（经度线）作为计时线，而是使用统一的时区中线（经度线）和日-地-影连线之间的夹角表示时间。

我们可以看到上海、北京、成都使用的都是统一的"北京时间"，东经120°经线时间，我们国内所有城市使用统一的"北京时间"。"北京时间"不是北京经度线的时间，是东经120°经线时间。东经120°的时区是东八区。

对比所有城市的时间，所有的分秒全是一样的，他们之间的差值全是小时的整数倍，或15°的整数倍。时区的使用大大简化了我们对时间的转化，分秒不需要转换，只需要加减法就可以转换。

东12区、西12区，使用的时间都是180°经线时间，区别在于东12区的和西12区的计时日期相差1天。这就是我们使用数学中角度描述时间的结果，例如360°，720°，1080°，其实描述的是同一个角度。

时区的使用，大大简化了我们对时间的使用，我们开始使用统一的时间。一架飞机8:30起飞，无论上、北京、深圳所有的城市描述的时间是同样的时间。

夏令时，为了节能环保，在夏季有些国家会使用夏令时，早睡早期，充分利用阳光，会将时钟拨快1小时。例如英国冬季伦敦时间是0°经线，夏季伦敦时间是0°经线+1小时（东经15°时间），还有很多国家采用夏令时，例如美国。上世纪90年代一段时间我国也采用过夏令时。

时区--真太阳时，我们开始使用时区中线和太阳（影子）之间的角度来描述时间，在天文学中的专用名称是"时区--真太阳时"。时间记录的是时区中线（计时经度线）和太阳（影子）之间的真实位置关系。

转换，时区的使用，简化了我们对时间的使用，但是对天文学，或者说对于天文观测是有影响的。地方--真太阳时，时区--真太阳时，都是24小时格式的，对于天文学，他们之间需要转换后才能正确使用。

北京时间，12:00点整，东经120°计时经度线扫过太阳，通过经度线我们可以计算出每一个城市正那方指向哪里，每一个城市的本地时间是多少。所有的计算都满足时间和角度的转换公式24小时=360°。结果如下表格：

时间差、经度差，知道两个城市的时间差（真太阳时）就可以计算出两地的经度差；知道两地的经度差值，就可以计算出两地的时间差值（真太阳时）。这两种方式是可以互换的。因为每一个城市的时间都是正南方（经度线）和日-地-影连线之间的夹角。

无论地球自转的到什么位置，上海和北京之间的经度差值不会变，上海和北京之间的时间差值(真太阳时)不会变，因为上海和北京在地球上的地理位置不变。利用这个特点我们开始使用时间测量两地的经度差。

计时工具，无论地方--真太阳时，还是时区--真太阳时，在夜晚、阴天、下雨，日晷都是无法使用的。我们还是利用时钟(机械、石英)来对时。地方--真太阳时，我们利用时钟和本地正南方(经度线)对时；在时区--真太阳时系统中，所有的时钟是和计时经度线来对时的。

正南方、时间线，正南方就是时间线，时间线就是正南方，这就是地方--真太阳时系统，但是在时区--真太阳时计时系统中，正南方和时间线分开了，不再是同一条线了。

日-地-影连线，时间的基准线，无论是地方--真太阳时，还是时区--真太阳时，所有的时间都是由经度线(正南方)和日-地-影连线之间的角度来表示的。日-地-影连线是所有时间的基准线，或者说是所有时间的"0"刻度线。 用物理学解释，这是因为我们是以日-地-影连线(在赤道平面投影)为参照物，用正南方和他的夹角角度来描述时间的结果。时间的刻度，以日-地-影连线为基准，将天赤道平面24等分得到24小时的刻度，刻度排列的顺序就是地球自转方向的顺序。注意：面向正南，面向正北时。时间的刻度：24小时=360°。

天文学，我们用数学、物理学描述每一种天文想象，但是时间才是天文学的核心。时间，我们用天体的几何学位置描述时间，反过来，时间也描述了天体的几何学位置。时钟，用一个时钟描述所有天体移动的时间规律，这是地球自转和围绕太阳公转的结果。

时间--平太阳时，时区--真太阳时，虽然只有一字之差，但是在天文学中的含义是不一样的。现在我们的手机、电脑、网络、原子钟等等使用的计时系统都是"时区--平太阳时"计时系统，并不是时区--真太阳时。

现在我们手机、电脑、网络里使用的"北京时间"，是东经120°计时经度线的平太阳时时间。而我们上文所讲的"北京时间"，是东经120°计时经度线真太阳时时间。都是120°经度线，但平太阳时和真太阳时是不一样的。

地方时、时区时相对应；真太阳时、平太阳时相对应，这样在天文学中就产生了4种太阳时：地方--真太阳时，地方平太阳时，时区--真太阳时，时区--平太阳时。天文学这4种时间都有着明确的定义，但是无论是哪一种太阳时，日-地-影连线都是他们的基准线。为什么会这样？这是因为在物理学上，我们定义时间是以日-地-影连线为参照物的结果。

1884年10月13日，天文学规定了"0°"经线，是经过英国伦敦东南格林尼治天文台的的经度线，将地球分成24(25)个时区。我们开始正式使用"时区--平太阳时"计时系统。

我们的计时系统是从"地方--真太阳时"，到"地方--平太阳时"，再到1884年"时区--平太阳时"正式开始使用，中间我们跳过了"时区--真太阳时"。时间是如何发展的呢？请看【第十五章，(真)太阳时，恒星时】。

时间，天文学的核心。但是我们对时间的全面认知却是最近100多年的事情（1884年以后的事情了，这受限于我们计时工具的发展）。相对于本书其他天文现象，在天文学中我们对时间的认知太晚、太晚了，所以我们把(真)太阳时，恒星时放在了后面。我们可以跳过其他章节直接阅读第十五章。

真太阳时，虽然现在我们不在使用真太阳时作为计时工具了，但是在天文学中真太阳时仍然是无处不在，因为我们改变不了太阳是天空中最亮的天体，太阳是太阳系中心的事实。

请看下一章：计算太阳的东升西落。

七. 日晷，地球在宇宙中的姿态　　|　　目录　　|　　九. 太阳在哪里？，

十五. (真)太阳时、恒星时

天文学，用数学描述每一种天文现象，用物理学解释每一种天文现象，是每一个普通人，每一个中、小学生都可以系统学习的自然科学。时间，天文学的核心，也是开启天文学的钥匙。学习天文学建议使用Pad、PC等大屏浏览器浏览。

www.time-dot.com 一个关于时间的网站。

小学生天文学，本文对于我们的空间想象能力要求比较高。

中学生天文学，本文对于我们的空间想象能力要求比较高，但是所有的天文现象都可以用中学几何证明，思考一下两城市的经度差需要如何证明。

地球周长(直径)的测量

埃拉托色尼（Eratosthenes，公元前275一前193）古希腊哲学家、诗人、天文学家和地理学家。他是第一个测量出地球周长(直径)的人。他第一个创造了"地理学"一词，一直被尊称为 "地理学之父"。

在古埃及，有一口井，当时非常著名，坐落于古城塞恩的尼罗河中一个河心岛洲上。每年夏至的时候，太阳光恰好在这口井的上方直射（显然，这口井正好位于北回归线）。聪明的埃拉托色尼想到，也许，太阳光是计算地球直径的最佳工具。

他想了想，来到了南方的一座城市——亚历山大港。在另一年的夏至，他观察着这座城里的一座方尖塔。由于它在那口井的北方，所以夏至的时候，太阳会在方尖塔的北边塔脚投射出一个影子。通过塔的高度和影子的长度，就可以计算出太阳光与塔的夹角，是7°12。

这说明两个城市的纬度差是7°12。他又测量了两个城市之间的距离是5000希腊里。知道弧长和角度，我们可以反算周长。埃拉托色尼计算出了地球周长为252000希腊里，换算成现代数字，就是39360公里。这和我们现代测量的结果40009公里，已经非常接近了。

埃拉托色尼在《对地球大小的修正》一书中，提出了对地球直径的测量方法。对于阳光是平行光，已经有了详细的了解。但是也存在一些偏差：例如赛伊尼和亚历山大港并不在同一子午线上，赛伊尼在亚历山大以东 3°03 处,赛伊尼的纬度是24°530,并不正好在回归线上，两地距离不超过4530 斯塔季亚。这造成大圆弧值由 7°05变成了7°12，也造成了最后结果的差错。但对于一位先驱者来说，既无望远镜、又无其它精密测量仪器可用，这个结果已是非常了不起的了，是当时天文学、地理学的最高水准了。

此外，埃拉托色尼还首先测算出黄道和赤道的交角为 23°5119.5。还进行过数学地理方面的研究；他还建议将全球划分成五带：一个热带、两个温带、两个寒带，以南、北纬24°为热温帶分界线。他写过不少科学方面和哲学方面的书，可惜都己失传，只能从其它著作中间接推知一二。

经、纬度的测量

2200多年前，用天文学的方法测量了地球的周长，大大简化了我们通过实际行走测量地球周长的难度（其实我们是无法依靠实际行走来测量地球周长的，因为海洋，山川，极地等等的阻隔)。这时我们已经基本掌握了纬度测量的方法，后来我们又掌握了测量北天极(北极星)来测量纬度的方法。

但是，对于经度的测量我们始终没有办法，两千年来我们一直依靠实际行走丈量的方法测量绘制地图，科学家们一直在寻找利用天文学测量经度的方法。这一直等到我们对时间有了深入的了解与认知，一直等到高精度的计时工具发明之后，才解决了这个问题。

约翰·哈里森（John Harrison，1693年4月3日—1776年3月24日），是一个自学有成的英国钟表匠，他发明了航海精密计时器。它使大航海时代发生的革命性的巨变，使安全的长距离海上航行成为可能。当时英国议会为此提供了20,000英镑的奖金。

海员们从伦敦出发，出发前将时钟和伦敦真太阳时对时，时钟上显示的时间就是伦敦的真太阳时间了。当海员们航行到一个新的城市，测量当地时间，和时钟上的伦敦时间进行比较，我们发现两个城市的时间差，通过24小时=360°公式换算，我们就计算出两个城市的经度差值。

测量北京和上海的经度差

同一时刻(打电话)，测量上海和北京的时间差(真太阳时)，我们可以得到两个城市的经度差；晚上同时测量同一颗恒星和正南方的角度值差，我们可以得到两个城市的经度差。

没有电话怎么办？我们还是需要利用时钟(机械、石英)。在北京用利用石英钟和日晷对时，石英钟上显示的就是北京的真太阳时了。坐火车到上海，将北京的石英钟和上海的日晷比较，两个时间差就是北京和上海的经度差了。

上海和北京还是比较近的，当距离遥远时，天文学家发现用时钟和真太阳时对时的结果误差会越来越大，但是当我们用时钟和恒星对时时，我们会发现，可以有效的减小这个误差。为什么会这样？请看【第十五章，(真)太阳时，恒星时】。

现在我们测量北京、上海的经纬度是非常方便的，拿出手机就可以了，全球定位系统GPS，北斗导航等等导航系统是非常方便的，而其中经度测量的核心原理依然是时间的测量。

0°经线，经度线与纬度线是不一样的。纬度线是以赤道作为自然的起点，而经度线没有自然的起点作为0°经线。0°经线（本初子午线）其实是人为选出来的。英国的制图学家使用经过伦敦格林尼治天文台的子午线作为起点，其它国家或人也使用过其它的子午线做起点，比如罗马、哥本哈根、耶路撒冷、圣彼德堡、比萨、巴黎和费城等。

1884年10月13日，在华盛顿召开的国际天文学家代表会议（国际本初子午线大会）决定，以经过英国伦敦东南格林尼治的经线为地球的本初子午线，作为计算地理起点的0°经线，向东西各180°。东经180°与西经180°重合，等于国际日期变更线。并以经度线为基准将地球24等分，分成24(25)个时区。

时钟，天文学中最完美的错误

时钟的出现到现在已经600多年了，但是他的刻度却始终是12小时，为此我们还分为上午12小时，下午12小时，12小时=360°，1小时=30°。虽然我们每个人都知道一天是24小时，但是我们从来没有纠正这个小小的错误。所以600年来我们一直认为时钟只是一个计时工具。

12小时刻度的时钟，作为计时工具他是成功的，简单、实用。但是对于天文学，12小时刻度的时钟却是天文学中最完美的错误。时钟，不仅仅是一个计时工具，他描述所有天体移动的时间规律，这是地球自转和围绕太阳公转的结果。要正确的描述这个天文现象，我们需要一个正确的时间刻度：24小时=360°。

地球、地图

虽然我们很早就知道地球是一个球体，但是天圆地方的概念任然流传到了今天，最常见的就是我们的地图，都是方形的，圆形的地图是很少见到的。

平铺地图

其实地球是一个球体，我们很难从单一的角度全面的描述一个球体，我们需要从多个角来描述地球。

太空中的地球

上、下、左、右当我们从不同视角俯视地球时，我们看到地球是不一样。

面向正南，从北天极俯视地球 (北半球)面向正北，从南天极俯视地球 (南半球)

从不同的视角看地球我们会发现更多的细节。其实南、北极才是地球的中心，我们都在围绕着他们旋转。

天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象，包括我们看不见的的天文现象。地图就是其中之一，现实视角中，我们是很难从全方位浏览地球的，数学为我们解决了这个问题。建立一个直角坐标系（x，y）。

长方形的地图，是我们将经、纬度平铺在（x，y）坐标系中得到的。

从南、北极俯视地球的地图，是我们将经、纬度简单换算后得到的结果。

按照城市的经纬度，在地图上我们可以很容易找到对应城市的具体位置。但是，地球是一个球体，当我们用平面描述球面时，图像都会有失真的地方。

长方形的地图：南北极是失真最严重的地方。我们把北极点、南极点拉伸到赤道的长度。越接近南北极失真越严重。南、北极俯视地图：南、北极点附近是没有失真的，经度是没有是真的，纬度接近赤道，失真变大。