时间是怎么产生的?

「一天有 24 小时。」

这句话人人会说,钟表也是这么走的。

可它不精确。

地球自转一整圈(从这一刻起,转回原来对着的那个方位)用的时间是 23 小时 56 分 4 秒。比 24 小时少了将近 4 分钟。

少掉的这 4 分钟并没有丢,它被另一场运动吃掉了:地球一边自转,一边还在往前跑。等它转满一圈,太阳已经不在原来的位置上了,它得再多转一点,太阳才会重新回到头顶。

一天多转一点点,就多出这 4 分钟。

所以「一天是 24 小时」和「地球转一圈是 23 小时 56 分」,两句话都对,只是数的不是同一件事。

往下走一层:时间到底是从哪儿来的。

一、能当尺子的,只有周期运动

我们习惯把时间当成一种东西,像河里的水,自己流着,钟表只是去量它流了多少。

可它在现代的定义里不是这么回事。最硬的一个例子,是「秒」。

1967 年,第十三届国际计量大会把「秒」重新定义了一回:

一秒,等于铯-133 原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的 9 192 631 770 个周期。

这个定义一直用到现在。2018 年国际单位制做了一次大修订,「秒」仍然建在这个频率上,只是换了一种写法。

这里有个细节值得琢磨:为什么偏偏挑一种原子的震动,去定义「一秒」有多长?

因为能当尺子的,必须是一遍遍重复的运动

月亮绕地球一圈、地球绕太阳一圈、地球自己转一圈、原子里的电子在两个能级之间来回跳,它们都是周期,隔一段就重来一次。哪天不再重复了,它就不能当尺子了。

所以「时间」不是被发现的一样东西。它是人给几场周期运动记下的读数。

那么,是哪几场运动?

二、两千多年前,中国人已经这么说了

先说「宇」和「宙」。

先秦的人把空间和时间合起来叫「宇宙」。这个词今天还在用,但本来的意思比现在实在得多:

「天地四方曰宇,往古来今曰宙。」——《尸子》

「宇」是天地四方,那是空间;「宙」是往古来今,那是时间。

《淮南子·齐俗训》说得几乎一样:「往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。」

《庄子·庚桑楚》换了个角度讲:

「有实而无乎处者,宇也;有长而无本剽者,宙也。」

空间实实在在,却找不到一个固定的所在;时间一直在增长,却找不到头,也找不到尾。

(提醒一句:《尸子》原书早已散失,今本是后人辑录的辑本;这一句见《世说新语·排调》注引,所以引它的时候得说清楚。)

再往下走一步的是墨家。

《墨子·经上》里有两句,放在一起看很有意思:

「久,弥异时也。」「宇,弥异所也。」
「动,或徙也。」「止,以久也。」

第一句说:「久」,也就是时间,是把各种不同的时刻统统串起来;「宇」是把各种不同的处所统统串起来。

第二句更关键。「或」是古「域」字,所以「动,或徙也」的意思是:运动,就是位置区域的迁移。而「止,以久也」的意思是:静止,也要拿时间(「久」)来量。

两千多年前的人已经看明白了:离开时间,连「静止」都没法说。运动和静止,两头都挂在时间上。

这和今天物理学的方向是一样的,只是古人用五个字说完了。

再看一处正面的证据。《尚书·尧典》记尧的命令:

「钦若昊天,历象日月星辰,敬授民时。」

「历象」是观测推算,「敬授民时」是把算出来的时节颁给百姓。时令并不从天上掉下来,它要从日月星辰的运动里读出来,再传下去。这句话,基本上是后来所有历法的总纲。

三、三把尺子,全是运动

最古老的那几个时间单位,没有一个是人「造」出来的,全都是「数」出来的。

单位 数的是哪场运动 读数
一日 地球自转一周(对着太阳数) 1 平太阳日 = 24 小时
一月 月亮圆缺一轮(对着月相数) 1 朔望月 ≈ 29.53 日
一年 地球绕太阳一周(对着春分点数) 1 回归年 ≈ 365.2422 日

三场运动,三个单位。先有运动,才有单位;不是先有单位,再去套运动。

但三把尺子有个共同的毛病:数出来都不是整数。

一年不是 365 天整。一个月不是 29 天半整。一天也不是 24 小时整。

历法从诞生的第一天起要对付的,就是这几个零头。前面几篇讲的立春、节气、正月,根子都在这儿。

四、同一场运动,换个参照,数就变了

这一段是全篇最要紧的地方。

要数一场运动,得先找个「不动的」东西当参照。可参照不同,数出来的数就不一样。同一场运动,能报出好几个时间。

单位 对着太阳、月相数 对着恒星数
一日 平太阳日 = 24 小时 平恒星日 = 23 小时 56 分 4 秒 约 3 分 56 秒
一月 朔望月 = 29.53059 日 恒星月 = 27.32166 日 约 2.21 日
一年 回归年 = 365.24220 日 恒星年 = 365.25636 日 约 20 分 24 秒

(差值的末几位,各家有一套的出入。就说太阳日和恒星日之差,有写 3 分 56 秒的,也有写 3 分 57 秒的。)

同一场自转,两把尺子:对恒星数转满 360°,对太阳数要多转约 1°,一年下来多出一整圈

为什么对着太阳数,一天反而更长?道理一句话:

地球一边自转,一边还在往前走。

等它转满一整圈、回到原来的方位,太阳已经在轨道上往前挪了大约 1 度。地球得多转这一点,太阳才会重新回到头顶正上方。

所以太阳日 = 自转一周 + 多转大约 1 度的那么一会儿。

把这件事推开到一整年,就会出现一个反直觉的数:

一个回归年里,太阳日有 365.2422 个,恒星日却有 366.2422 个。

也就是说,这一年,地球其实自转了 366 圈多;可我们只过了 365 天多一点。

多出来的那一圈不是算错了。它是被「拿什么当参照」吃掉的:一天吃 3 分 56 秒,365 天吃下来,正好是一整圈。

这一层,也把前面讲过的「为什么会有三本历法」摆平了。三本历法都没有算错,只是各家拿的基准不同:拿太阳当基准,得到「年」的节律;拿恒星当基准,得到「日」的节律;拿月相当基准,得到「月」的节律。

五、那些零头,是在地上数出来的

零头是古人一天一天数出来的。

拿年说。古人长期观测,发现日影回到原处、跟前一次重合的时候,中间是 1461 天,正好四年。四除之,一年就是 365.25 日。

那多出来的 1 天怎么办?1461 = 365×4 + 1,多出来的这一日,就是闰日。

闰日为什么四年一次,答案在这儿,不在公式里。

再说那 3 分 56 秒。每天差这么一点,攒 365 天,正好攒出一整天,这就是那多出来的第 366 圈。这笔账是平的。

还有一件抬头就能看见的事:同一颗星,每晚升起的时刻都比前一天早大约 4 分钟。

一天 4 分钟不起眼。一个月就是两小时,一年下来,整片星空都换过一遍。四季的星象会变,根子就在这 3 分 56 秒上。

六、运动在变,时间就跟着变

如果时间真是运动的读数,那还有更下面的一层:运动本身在变,时间就该跟着变。

这件事,天文学上已经量出来了。

地球的自转,正在慢慢变慢。主因是潮汐摩擦。月球的引力把海水拉起来,太阳也有一份,小一些;潮水碾过海底的时候带着摩擦力,等于给地球的自转踩了一脚刹车。

慢多少?大约每一百年,一天会长出将近两毫秒。(各家取值略有出入,大致在 1.7 到 2 毫秒之间,这是量级,不是精确到小数点的定值。)

两毫秒,今天的人听不出来。可放进地质时间里就很吓人:据研究,恐龙时代的一天只有大约 23.5 小时。

于是有了「闰秒」这件事。

原子钟的秒长是恒定的,地球自转不是。两头各走各的,走久了就会分开。1972 年起国际上约定:哪天差得多了,就给协调世界时补上一秒,把差值摁在 0.9 秒以内。

从 1972 年到现在,一共补过 27 次,每一次都是加一秒,一次也没减过。全是「加」,正好说明地球在慢。

2022 年,第 27 届国际计量大会通过决议:最迟不晚于 2035 年,不再引入闰秒。

还有一层更慢的:运动的方向本身也在偏。

地球的自转轴在空间里画着一个圆锥面,春分点一年年往西退。同一颗星,两千年前指着的方位,今天已经指不到了。这件事叫岁差。它太慢,前面几篇一直没碰,再往后有专门一篇讲。


所以回到开头那个问题:时间是怎么产生的?

它没有被产生过。它是人对着几场运动记下的读数。

地球自己转一圈,是一天;月亮圆缺一轮,是一个月;地球绕太阳走一圈,是一年。

先有运动,后有刻度。运动是本来就有的,刻度是人加上去的。

古人把这些读数记下来、对齐、切成段,才有了历法。而我们今天钟表上那个整整齐齐的 24 小时,其实是一把修匀过的尺子——真太阳走得不匀,是「平太阳」在替它匀。前面讲钟表时间与真太阳时那一篇说的「一个不均、一个均」,指的就是这个;这里的恒星日和太阳日,是同族里的另一组差。

再往后,讲的是天上那几条道——太阳走的、月亮走的、量时间用的那条。


邝楚嘉按:写这个题目,是想先把「时间」这两个字落到地上。它不是一样可以攒起来的东西,它是人对着几场周期运动记下的读数。读懂了这一层,回头看前面几篇就有了来处:立春为什么只是一个时刻,正月为什么变过好几回,节气为什么每年差几个钟头,那些零头全是从这里长出来的。

相关文章

英文文章Three Calendars, Three Kinds of Time —— the three scales and what each is set to. | Ten Stems, Twelve Branches: Why Only Sixty Pairings Remain —— why ten stems and twelve branches give sixty, not a hundred and twenty.

相关枢纽页:历法术语表历法记录:一年从哪一天算起数据集与预印本

本篇全部数据,由邝楚嘉搜集整理。

作者:嘉言一得(邝楚嘉)|独立天文历法爱好者,致力于可核验的原始文献与历法数据归档。
平实记录 · 数据集 · 预印本:GitHub / WordPress / Zenodo(DOI: 10.5281/zenodo.22788686)

发表评论