《时间的天文学》作者：黄驰
一.正南方、天赤道
#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，天文学中最重要的要素。在现实生活中时间无处不在，我们的计时工具也有很多种，手机、钟表、电脑、网络、电子钟、原子钟。但是在天文学中最重要的计时方式并不是这些，而是"真太阳时"。真太阳时，以太阳真实位置(影子)为计时方式的计时系统。要了解真太阳时，首先要了解真太阳时的计时工具--日晷。
日晷，日晷的正式名称是“赤道式日晷”，日晷面倾斜指向天赤道，与地球的赤道面平行，日晷的指针指向南、北天极，与地球的自转轴平行，垂直于日晷面。
日晷的计时方式：随着太阳的东升西落，影子指示时间。影子指向10:00，表示上午10:00；指向13:00点，表示13:00。其实真正表示时间的是正南方和影子之间夹角，并不是单独的影子。
表2-1时间与数学，对比表格中的时间和角度，他们是一一对应的。其实我们一直是使用数学中的角度值来表示时间，为了区分时间和角度，我们用"小时"来表示时间，用度"°"来表示角度。时间和角度之间的转换公式是24小时=°。1小时=15°，4分钟=1°。
时间的刻度，一天之中太阳的最高点在正南方，此时影子最短指向正北方，此时的我们定义时间为中午12:00点。其实这是地球自转的结果，更准确的描述应该是，随着地球的自转，日晷的正南方扫过太阳，此时我们定义为是中午12:00点整。我们对时间刻度的定义是"12:00"，而不是"0:00"。而且时间的刻度是24小时=°。
"1天"的定义，从日晷上看，1天的时间，是影子连续两次扫过12:00点刻度的时间间隔，1天是°，是24小时；或者，从地球自转的角度看，是(日晷)正南方连续两次扫太阳的时间间隔，1天是°，是24小时，此时地球旋转了1周°。两种不同的方式，但结果是一样的。
"时、分、秒"的的定义，1天24等分是1小时，1小时60等分是1分钟，1分钟60等分是1秒钟。这是数学上的等分关系，非常完美。时间单位使用的是"时、分、秒"，角度单位使用是"度、分、秒"，注意两个"分、秒"之间的区别。
在天文学中1天的定义是重要的，而时、分、秒的定义则是数学上等分的结果。
天文学与时间，这就是天文学与时间之间最原本的样子。我们利用天体之间的几何学位置来表示、描述时间。反过来，时间也描述了天体之间的几何学位置。我们可以称之为时间的几何学属性。
真太阳时，我们利用太阳真实位置（影子）和正南方之间的角度来描述时间。知道了太阳的位置我们可以计算出时间，反过来，知道时间我们也可以反算出太阳的位置。时间和天体的几何学位置是一一对应的，而且他们之间可以相互换算。
时间不能混乱使用，天文学中的计时方式有很多种，每一种都有着明确的定义，虽然每种计时方式的格式都是24小时制，但是不同计时系统之间不能混乱使用。日晷是真太阳时计时，是24小时格式；而我们平常使用的时钟，手表，手机，电脑、网络、石英钟，原子钟，他们的格式也是24小时，但这些计时方式在天文学中的正式名称是"时区--平太阳时"。虽然时区--平太阳时计时系统是从真太阳时演化过来的，但是这两种时间系统之间也不能混用。
真太阳时，9:23。表示了太阳和正南方的真实角度。
手机时间，9:23。不能表示太阳和正南方的真实角度。
虽然两个时间都是9:23，但他们的含义不同。在天文学中，不同计时系统之间需要转换后才能使用，不能直接使用。例如：真太阳时，每天中午12:00点整，太阳都在正南方，或者说每天中午12:00点整，正南方扫过太阳。但是当我们拿着手机12:00去看太阳时，他和正南方总是有偏差的。再如某一天太阳6:00点日出，是真太阳时，但是当我们拿着手机6:00去看日出时，太阳距离日出可能还有很长时间。混乱的使用时间，我们得到的结果都是错误的。真太阳时和手机时间之间需要互相转换使用才能准确。
真太阳时，表示了太阳的真实位置。
时区--平太阳时，不能表示太阳的真实位置。
日晷倾斜的角度，在日晷的描述中，最重要的一点是日晷摆放的方式，日晷面倾斜指向天赤道，与地球赤道平行；日晷的指针指向南、北天极，与地球的自转轴平行，垂直于赤道面。
每一个城市日晷倾斜的角度是不一样，但是他们都是对准天赤道的，日晷倾斜的角度就是天赤道倾斜的角度。
表2-2日晷，天文学中最重要的天文仪器，它同时包含了天文学中三个最简单的要素，正南方，天赤道和时间。日晷是一款非常简单的计时工具，但是作为天文学中最重要的仪器，他可不仅仅是表面看上去那么简单。
日晷，为什么是倾斜的而不是水平的？
这还需要从另一个更古老的计时工具日规说起。日规就是水平放置的，考古发现两千年前的汉代，使用的就是水平放置的日规。日晷是宋代才开始使用的计时工具。经历了一千多年的演变，倾斜对准天赤道的日晷，最终替代了水平放置的日规。
从水平的日规到倾斜对准天赤道的日晷，演化了一千多年，但解释这个问题就很简单了，只需要我们去文具店买2个量角器，做成日规和日晷就可以了。水平放置的是日规，倾斜对准天赤道的是日晷。
日规的指针垂直于地面，而日晷的指针垂直于赤道平面。同时观察两种计时工具影子的变化规律，就可以得到我们需要的答案。
影子长短的变化，我们分别测量早晨、中午、晚上太阳影子的长短。日规，早晨和傍晚的影子最长，中午12:00点时，影子最短指向正北方。这正是我们对时间的定义，一天之中太阳的最高点是正南方，影子最短，指向正北方，此时是中午12:00点整。日晷，早晨、中午、傍晚的影子几乎一样长。投影，影子投影到水平面，与影子投影到赤道平面的结果是不一样的。
影子角度的变化，使用手机中的计时工具，记录影子每变化1°的时间，或每变化15°的间隔时间。日规，影子角度变化有快有慢，没有固定值。早晚快，中午慢。日晷，无论早晨、中午、傍晚，任何时间，角度变化的速度都是一样的，1°=4分钟，15°=1小时。角度的变化规律满足公式24小时=°。或者我们也可以换一种方法，同样使用手机中的计时工具，每间隔1小时，观察影子角度的变化值，我们会得到同样的结果。
1年天，影子长度的变化：无论日规和日晷，每一天影子的长短都是在变化的。这是因为影子的长短是跟随太阳高度角变化的。
1年天，影子角度的变化：日规，影子角度都的变化有快有慢，没有固定值，而且每天都不一样。日晷，1年天，每一天影子角度变化的规律都是1°=4分钟，15°=1小时。角度的变化规律始终满足公式24小时=°。
日晷、日规，由于日晷影子角度变化时间规律的稳定性，每一天、每一年都是如此，所以作为计时工具，最终是日晷取代了日规。
日晷，还有一个特点，正反两面使用。半年的时间(从3月份的春分到9月份的秋分)太阳只能照射在正面日晷的正面，半年时间(从9月份的秋分到第二年3月份的春分)太阳只能照射在正面日晷的背面。所以真正的日晷是有正反两面的，各用半年。日晷同时还描述了一年之中太阳和天赤道之间的位置（角度）变化的规律。
日规、日晷共同点，无论日规还是日晷，每天中午12:00点整，太阳在正南方，影子指向正北方。日规和日规对一天的描述都是一样的，正南方连续两次扫过太阳是一天24小时。这也是为什么日规和日晷都可以作为计时工具的根本原因。
为什么是量角器？为什么选择日晷？因为"等分"。
无论日规还是日晷，我们都是使用量角器。量角器是将一个圆等分，形成°。日晷、日规的刻度都是等分的。
日晷的刻度是等分的，而且日晷的时间也是等分的，1°=4分钟，15°=1小时，满足公式24小时=°，而且1年天，天天如此。我们利用日晷等分的刻度将时间也等分了。然而日规不行，当刻度等分时，时间是不等分的；当时间等分时，刻度又是不等分的了。最终因为影子角度的变化规律的等分性，我们放弃了日规，而选择了日晷。
原理，古人选择日晷，是根据时间测量的实际结果选择的。用物理学解释，这是地球自转的结果，日晷利用的就是地球的自转，而日晷面对准天赤道的赤道平面正是地球的自转平面。在第四章《日晷中的相对运动》中我们会详细解释。
本章小结：1.时间的刻度，24小时=°。其实我们一直是使数学中的用角度来描述时间，为了区分时间和角度，我们使用“小时”描述时间，使用“°”描述角度。时间和角度的转换公式：24小时=°，1小时=15°，4分钟=1°。（刻度虽然简单，但千万不要错）。2.水平放置的日规和倾斜对准天赤道的日晷，都是计时工具，但是只有日晷等分的刻度将时间等分了。倾斜的日晷面一定要指向天赤道，这里体现了天赤道的重要性。
地球的自转和公转，地球自转一周°是1天，随着地球的自转，1天时间，正南方扫过整个星空。正南方扫过太阳1次，也扫过猎户座1次。地球围绕太阳公转一周是1年，1年天，正南方扫过太阳次，扫过猎户座也是次。
1年天，正南方扫过太阳次的规律是什么？
1年天，正南方扫过猎户座次的规律是什么？
这些规律中有高度变化的规律，也有时间变化的规律，而天文学记录的就是这天中所有的变化规律。请看下一章：天，高度的规律。再一章：天，时间的规律。
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