通俗天文講座 (台北市天文協會與台北市立天文台合辦 1996.4.27 )

大自然的脈動 ---- 談 "時間" 蔡鴻彰


一. 時間的本質

在我們週遭的生活環境中, 許多事物可以用 "多長", "多大", "多重" 來加以衡量.
人們根據眾所公認的標準可以定出度量衡的單位, 在不同的時地環境也能用之不疑.
但另一種計量單位 "多久"--即時間上, 卻又 "跟著感覺走", 從 "一眨眼" "一瞬間"
到 "如隔三秋" "度日如年"... 等, 都顯得人們對時間的掌握不夠精準, 或者說,
個別的人對時間的價質感不一, 不論是時間的頭尾, 或是同一段時間長度, 都會因人
而有不一樣的認知.

許多宇宙論學者認為, 空無一物的宇宙不存在時間與空間, 當有物於其中, 物與物間
建立了力場, 空間便可藉力場之延伸而存在. 如無物在, 空間就無從據以探測了. 另一
方面也認為, 物與物間如無運動, 時間就無意義, 因為無法建立量測的座標. 依據愛因
斯坦廣義相對論推演出的時空關係似也如此, 物質存在使空間扭曲, 而無限大的質量使
得時間完全停頓, 高速運動可以使時間變慢, 空間蛀洞可以通往另一時間座標.... 等.

姑不論時間由何而來, 時間的測定確實有賴於對物體在空間的位移測定. 首先測定二
個空間點位的距離, 當物體先後通過第一點時取得 "起點時間", 通過第二點時取得 "
到達時間", 於是我們就有了一個時間間隔的單位. 透過精巧的機械設計, 我們可以用
"單擺", "彈簧" 的簡諧運動使得上述的移動反複進行, 於是便可一再的取得準確的時
間間隔, 由此便設計出鐘錶等計時的用具.

時間間隔的精確度與我們所選取的二點距離的精確度, 還有測定時間的方式有關, 如
果我們隨意在馬路上劃兩條線, 擺個龜兔賽跑, 所測出的 "一龜時" "一兔分" 定然是
粗糙無意義的.

二. 幾種通俗的時間測定法

上述利用物體移動測定時間的方法經過各種想像力推廣, 倒也可想出千奇百怪的測定
時間方式, 讓各方人士自取所需, 例如:

1. 利用人體器官的位移, 舉凡眼皮 (一眨眼, 一瞬), 手指 (一彈指), 心跳, 呼吸...
通常受武俠教育者須先學會此類計時方式, 以便出招比對手準確.

2. 利用人的日常作息動作, 如吃一頓飯 (一飯間), 喝一盞茶, 打一個招呼 (一揖讓)
有志公關事業者應掌握此時機, 即可進退逢迎合度也.

3. 消耗性的計時材料, 如線香, 柱香, 利用尚未燒完的線香長度推算剩餘的時間, 通常
是用於讓人度過難捱的時光, 如拜拜, 練功..... 等.

4. 生長性的計時材料, 如花草木竹, 鳥獸魚虫, 藉觀察記錄其生長狀況也可推算經過
的時間, 一些農牧民族甚至以此為基準, 調整自我的生活起居.

5. 流體運動之應用, 利用流體向下移動的特性, 限制其流量, 並使它充入或流出某容器
, 再看其在容器的高度或重量來換算經過的時間, 常見的有 "沙漏", "箭壺漏刻" 等.

這樣的計時方法只能適合少數族群, 要能廣為世人所用, 就得採用人人看得到, 其規
律性無人懷疑的自然現象, 來作時間的基準了. 天上日月星辰之移動, 就符合此一要求.


三. 利用日月星辰的運行計時

自古來人們早已注意到星辰運行的規律性, 並藉以訂立了曆法, 發布年月節氣的時間
, 以作為國家社會各階層行事的參考. (詳見各種 "天文與曆法" 的文章與講義)

日月星辰如何運行 ? 除了天體間本身的相對運動外, 主要是人類所居住的地球因為
繞日公轉與繞極自轉所產生的 "星辰東升西沒" 及 "星空年週西移" 現象. 其中以太陽
的運行出沒最為突出, 因為它造成了 "晝與夜", "春夏秋冬四季", 直接影響萬物生長.

太陽在天上的運行因為日光強烈無法直接測定, 所以人們改以觀測地面物件產生的陰
影間接的測定, 太陽移動使陰影也移動, 從陰影的角度可知道太陽的位置, 相當方便.
以我國為例, 自上古堯帝之時即有人專司測定日影制定時間, 所謂 "光陰" 就是時間的
代名詞, 陰影以長度的尺寸分為單位, 時分秒是日後才有的名詞. 從日影的測定可以得
到以下的資訊 :

1. 以每天日影最短的時後定 "正午", 所謂的 "午" 是十二地支排行第七, 十二地支之
首為 "子", 可見人們是以半夜為劃分日期之標準, 午時為一日之中間.

2. 由於 "半夜" 無法測定, 人們以兩個正午的相差時間算出一天的長度. 更進一步發現
一天的長度常有差異.

3. 人們觀測到每日正午的日影長度逐日改變, 同時注意到週遭氣候也有變化, 發現正午
日影最長時正值冬日, 於是藉以定出 "冬至" 的日期, 並以兩次冬至間定為一歲, 冬
至則為 "歲首".

4. 人們期望利用每天正午日影長度變化制定一年的節氣日期, 但發現此變化沒有一定的
規則, 於是歸咎於 "日行有疾緩", 現在當然知道這是因地球繞日公轉為橢圓形軌道
之故.

5. 利用一日間日影移動的角度可以定出白天的時刻, 從日出經正午到日沒, 利用特設的
"日晷儀", 看日影投射的位置就可讀出時間. 而且隨著太陽高度的季節變化, 每日的
日出沒時間雖有不同亦可使用. 而人們也對一日間的長度劃分時刻等份, 一刻時等於
十五分鐘, 也能符合社區生活所需.

6. 為了彌補晚間沒有日影場合的計時需要, 就用前述的 "箭壺漏刻" 儀器協助計時.
到一定刻度時派人出外 "打更報時".

四. 利用鐘表計時

利用自然界星球天體運行雖然準確, 卻不能滿足日益忙碌的社會需要, 這是因為星辰
運行及日影移動很緩慢, 最多能辨別至數分鐘的準確度, 而交通工具發達, 城市間交往
頻繁, 亟需更精準的計時工具, 於是拜工業發達之賜, 發展出機械鐘錶, 其時間週期頗
準, 於是時間單位再細分為時, 分與秒, 採用六十進位制, 一秒為一日之 1/86400.

但是時間的起始計算仍須以天文現象為準, 半夜定為鐘表讀數零時, 而正午定為十二
時. 鐘表藉著機械能量與慣性日夜不停運轉, 解決了夜間計時的問題.

由於鐘表太準了, 反倒突顯了 "太陽運行不均" 的問題. 詳細說明如下 :

1. 如前所述, 地球繞日是橢圓形軌道, 故太陽在天上的週年運動呈現快慢不均, 在近日
點時節 (一月初) 日行較快, 遠日點時節 (七月初) 則慢下來.

2. 地球自轉的赤道與繞太陽運轉的黃道面有 23.5 度傾角, 所以太陽週年運動時其在赤
道面上的速度分量隨季節而變化, 連同上述 1. 的效應, 造成太陽運行的不均, 依據
此種太陽實際運行的日影計時系統也呈現全年時間不均現象, 這樣的時間稱為 "真太
陽時間",


3. 而鐘表的時間為完全均勻的, 如刻意為了與太陽位置保持一致, 需常常調整手表指針
位置與擺動週期, 不太方便. 因此特別以一個回歸年長度為準平均劃分給各日, 每日
長度相同, 這樣的日稱為 "平太陽日", 其 86400 分之一為 "一平太陽秒". 我們的
鐘表就依據這個週期運行.

4. 真太陽時與平太陽時雖有誤差, 但最多不過百分之一 (15 分), 實際生活沒有異常的
感覺, 只是日正當中時, 手表可能指到十二點十五分, 或十一點四十五分. 在有日晷
的地方, 需要一個 "均時差表", 協助校正真太陽時間為平太陽時間.

五. 地球自轉變慢的影響

牛頓運動定律中認為自轉的星球就像一個永不停止的馬達, 處於太空中沒有磨擦力的
環境中永遠以一定轉速旋轉著.

然而地球卻有一個衛星 --- 月球, 以 27.3 天為週期繞行地球, 二者間距離近到足
以產生 "潮汐現象", 此現象發揮了能量轉換的作用, 一方面使月亮運行加速, 軌道加
長, 另一方面使地球自轉變慢, 於是一日的時間變長了.

依據天文學家對古代日月蝕發生時間的推算, 本世紀地球每年比前一年慢約 0.6 秒,
所以勢不能以一平太陽日之長度為固定不變之數據, 有必要另尋一時間標準. 於是在
1955 年 IAU 會議中指定, 以 1900 年回歸年長度的 31556925.9747 分之一為時間基
本單位 "秒" (定名為"曆秒"). 日後原子鐘製成, 則以 Cs133 銫原子振動週期的
9192631770 倍為一秒, 從此時間單位便可不必測定天文現象而得知了. 所以也不必顧
慮天文現象的不準確以致影響測定的準確度. 原子鐘的精度可達數萬年才誤差一秒.
現在所有的鐘表時間間隔都可透過短波標準頻率時間廣播與原子鐘同步.

然而我們既然生活在不準確的星辰世界裡, 還是要依據星辰的位置定時間的起始.
例如年, 月, 日的起點, 如果脫離了實際天象而一味採行準確的原子鐘時間頻率, 以
每天 86400 秒計算, 100 年後實際的天象會比鐘面時間晚 60 秒出現. 這種依據實際
天象測定的時間稱為 "世界時(UT)", 是以英國格林威治天文台子午線 (東經零度) 的
平太陽時為準.

假想有一艘太空船於 2000 年自地球出發作超時空之旅, 並預估在 2200 年元旦零時
(太空船的鐘面時間), 返抵台北松山機場, 但飛行員未考慮到地球因自轉變慢, 使得台
北地點座標還要 120 秒才會轉到時空會合點, 於是這太空船掉到台北東方 54 公里的
太平洋中, 全員殉職......

為了解決此一現實問題, 於是發明了 "閏秒" 的制度, 是結合原子鐘的時率, 及世界
時的鐘面, 1972 年 1 月 1 日世界時 0 時 0 分 0 秒, "協調世界時" 開始同步運作,
如自轉稍慢使世界時慢下來二者誤差達 0.7 秒, 則國際時辰局應宣告, 在一月一日或
七月一日對協調世界時作 "正閏一秒" 的修正, (令 23H 59M 59S 之下一秒為 23H 59M
60S, 再下一秒為 00H 00M 00S), 於是協調世界時的鐘面相當於少了一秒, 讓世界時趕
上來. 這一來我們可以長久維持天象與生活時間的一致性了.

我們也注意到地球自轉也會因季節因素, 地殼活動乃至太陽活動而有時快時慢的小變
化, 所已偶而也會有 "負閏一秒" 的修正.


六. 地理位置與時區制度

1. 地理經度與天體時角:

地球自轉一週24小時, 一週為360 度 , 因此沿自轉方向劃分之地理經度含有時間的
意義. 不同經度的地方, 觀測天體的出沒中天時刻不一樣, 相隔經度15度, 則時間相
差 1 小時, 如台中與花蓮間經度相差0.93 度, 則太陽中天相差3 分44秒.

在一地進行天文觀測必需測定經緯度, 計算地方恆星時, 才能準確計算星辰的出沒.


2. 地方時與時區

由於各地所見太陽中天時刻不一, 各地根據所見的平太陽位置製定的時間稱為地方
平太陽時, 但如果每個地方都用各自的時間, 則為不可思議之事, 因此一方面顧到政
治上管理方便, 又要兼顧時差之事實, 就實施時區制度, 於各時區內使用同一鐘面時
間, 該時間通常為和格林威治時間相差為整數者, 例如台灣地區使用東經 120 度之
平太陽時, 即較格林威治早 8小時, 而台北之地方則較之早 6分 2秒, 民眾不致不便
而如日本, 則使用東經135 度平太陽時較本省早 1小時, 但其全國各地地方時差別甚
大, 達 1 小時以上. 而中國大陸全境跨 65 度經線, 卻使用同一北京時區, 造成政治
雖統一, 卻讓邊區民眾生活感受不便.

3. 地理緯度和夏令時間:

於高緯度地區, 夏日長而冬日短, 為了利用白天時間常於夏日將鐘面時間撥早, 而
秋冬時恢復, 此稱為日光節約時間, 而低緯度地區則因晝夜相差不明顯而不使用.


參考資料 :

1. "曆法叢談", 鄭天杰, 1985.7 , 中國文化大學出版部.
2. "天文年鑑 1996", 台北市立天文台.

--- < 完 > ---