二. 時間——真太陽時
《時間的天文學》作者：黃馳
二。 時間——真太陽時
，用數學、物理學準確的描述和解釋每一種天文現象，是每一箇中小學生都可以學習的科學。
時間
，
天文學中最重要的要素，
是天文學的核心，是開啟天文學的鑰匙
。太陽
東昇西落
、月亮
東昇西落
，星星、星座東昇西落，站在地球上觀察，所有的天體都是在移動，而所有天體移動的規律都是時間的規律。天文學對於天體移動時間規律的研究，推動了現代天文學，數學、物理學，以及整個現代科學的大發展。而
天文學對時間的定義是天文曆法，描述是的天文學中最重要的天文現象——地球的自轉和圍繞太陽的公轉。可以說天文學是一門關於時間的科學，是時間的天文學。
但是在天文學中，時間的種類很多，每一種時間（計時系統）都有著明確的定義，不同的時間系統之間需要轉換使用，不能混亂使用。
在所有的時間種類中，
最重要的
無疑是“
真太陽時”
。
真太陽時，利用太陽真實位置（影子）的變化規律來描述時間，是我們對時間最原始的認識與描述，
是我們對時間最原本的定義
。真太陽時是唯一能正確描述時間和天文學之間原本關係的計時系統。
我們
現在
使用的鐘表、手機、網路、原子鐘等等都是“時區-平太陽時”計時系統，也是從真太陽時演化過來的。“
時區——平太陽時”是
天文學中的專用名稱。在天文學中，不同時間系統之間必須轉換使用，
不能混亂使用，混亂使用會造成天文學的混亂。
100多年前我們還都在使用真太陽時系統，時區——平太陽時系統是我們最近100年才逐漸、逐漸開始使用的。是我們改進了我們的計時系統，但是學習天文學、認識時間，我們還要重新回到從真太陽時開始。
要了解真太陽時，首先我們要了解真太陽時的計時工具——日晷【guǐ】。
日晷
的正式名稱是“赤道式日晷”，日晷面傾斜指向天赤道，與地球的赤道面平行，日晷的指標指向南、北天極，與地球的自轉軸平行，垂直於日晷面。
日晷的計時方式：隨著太陽的東昇西落，影子指示時間。影子指向10：00，表示上午10：00；指向13：00點，表示13：00。其實真正表示時間的是正南方和影子之間夾角的角度值。
時間的定義
刻度的定義，一天之中太陽的最高點在正南方，此時影子最短指向正北方，此時的時間定義為中午12：00點整。其實這是地球自轉的結果，更準確的描述應該是，隨著地球的自轉，日晷的正南方掃過太陽，此時我們定義為是中午12：00點整。我們時間刻度的定義是“12：00”，
而
不是“0：00”
。
一天的定義，日晷指標影子連續兩次掃過12：00點
的時間間隔
；或者說，日晷的正南方連續兩次掃太陽的時間間隔，是一天，是24小時，此時地球旋轉了一週360°。在日晷上我們可以看見影子兩次掃過12：00點
刻度
，是360°。所以24小時=360°，1小時=15°，4分鐘=1°。天文學中把日晷的計時方式稱為真太陽時。
數學，
其實我們一直是使用數學中的角度值來表示時間，為了區分時間和角度，我們用“小時”來表示時間，用“ ° ”來表示角度。時間和角度之間的轉換公式是24小時=360°。1小時=15°，4分鐘=1°。
天文學與時間，
這就是天文學與時間之間最原本的樣子，我們是利用天體之間（太陽，影子和正南方）的幾何學位置（角度關係）來表示、描述時間。反過來，時間也表示天體之間的位置。知道了太陽的位置我們可以計算出時間，知道時間我們也可以反算出太陽的位置。時間和天體的幾何學位置是一一對應的，而且他們之間可以相互換算。真太陽時，就是使用真實太陽位置（太陽-影子連線）和正南方之間的角度值所表示的時間。
天文學，用數學、物理學描述每一個天文現象。時間，我們同樣使用數學、物理學描述時間，而且是使用天體的幾何學位置來描述時間。
時間不能混亂使用，
天文學中有多種計時方式，但都是24小時格式。日晷計時是真太陽時，是24小時的格式；而我們平常使用的時鐘，手錶，手機，石英鐘錶，原子鐘，時區計時，也都是24小時的格式。
真太陽時，9：23。表示了太陽和正南方的真實角度。
手機時間，9：23。不能表示
太陽和正南方的真實角度。
雖然兩個時間都是9：23，但他們的含義不同。
在天文學中，不同計時系統之間需要轉換才能使用，不能直接使用。
例如：真太陽時，每天中午12：00點整，太陽都在正南方，或者說每天中午12：00點整，正南方掃過太陽。但是當我們拿著手機12：00去看太陽時，他和正南方總是有偏差的。
再如某一天太陽6：00點日出，是真太陽時，但是當我們拿著手機6：00去看日出時，太陽距離日出可能還有很長時間。混亂的使用時間，我們得到的結果都是錯誤的。真太陽時和手機時間需要互相轉換使用才能準確。
日晷面傾斜的角度，
在日晷的描述中，最重要的一點是日晷擺放的方式，日晷面傾斜指向天赤道，與地球赤道平行；日晷的指標指向南、北天極，與地球的自轉軸平行，垂直於赤道面。
每一個城市日晷傾斜的角度是不一樣，但是他們都是對準天赤道的，日晷傾斜的角度就是天赤道傾斜的角度。
參考第一章
一。 正南方、天赤道
，
日晷，天文學中最重要的天文儀器，它同時包含了天文學中三個最簡單的要素，正南方，天赤道和時間。日晷是一款非常簡單的計時工具，但是作為天文學種最重要的儀器，他可不僅僅是表面看上去那麼簡單。
日晷，為什麼是傾斜的而不是水平的？
這還需要從另一個更古老的計時工具日規說起。日規就是水平放置的，而且是比日晷更古老，考古發現兩千年前的漢代，使用的就是水平放置的日規。日晷是宋代才開始使用的計時工具。經歷了一千多年的演變，傾斜對準天赤道的日晷，最終替代了水平放置的日規。
從水平的日規到傾斜對準天赤道的日晷，演化了一千多年，但解釋這個問題就很簡單了，只需要我們去文具店買2個量角器，做成日規和日晷就可以了。水平放置的是日規，傾斜對準天赤道的是日晷。
日規的指標垂直於地面，而日晷的指標垂直於赤道平面。同時觀察兩種計時工具影子的變化規律，就可以得到我們需要的答案。
影子長短的變化，
我們分別測量早晨、中午、晚上太陽影子的長短。
的
，早晨和傍晚的影子最長，中午12：00點時，影子最短指向正北方。這也是我們對時間的定義，一天之中太陽的最高點是正南方，影子最短，指向正北方，此時是中午12：00點整。
變化，
，早晨、中午、傍晚的影子幾乎一樣長。
日規
，
影子
投影到水平面，與影子投影到赤道平面的結果是不一樣的。
日晷
使用手機中的計時工具，記錄影子每變化1°的時間，或每變化15°的間隔時間。
投影
，影子角度變化有快有慢，沒有固定值。早晚快，中午慢。
影子角度的變化，
，無論
早晨、
中午、傍晚，任何時間，角度變化的速度都是一樣的，1°=4分鐘，15°=1小時。角度的變化規律滿足公式24小時=360°。
或者我們也可以換一種方法，同樣使用手機中的計時工具，每間隔1小時，觀察影子角度的變化值，我們會得到同樣的結果。
的
影子長度的變化：無論日規和日晷，每一天影子的長短都是在變化的。這是因為影子的長短是跟隨太陽高度角變化的。
日規
影子角度的變化：
日晷
，影子角度都的變化有快有慢，沒有固定值，而且每天都不一樣。
1年365天，
，1年365天，每一天影子角度變化的規律都是1°=4分鐘，15°=1小時。角度的變化規律始終滿足公式24小時=360°。
1年365天，
由於日晷影子角度變化時間規律的穩定性，每一天、每一年都是如此，所以作為計時工具，最終是日晷取代了日規。
日規
還有一個特點，正反兩面使用。半年的時間（從3月份的春分到9月份的秋分）太陽只能照射在正面日晷的正面，半年時間（從9月份的秋分到第二年3月份的春分）太陽只能照射在正面日晷的背面。所以真正的日晷是有正反兩面的，各用半年。日晷同時還描述了一年之中太陽和天赤道之間的位置（角度）變化的規律。
日晷
日晷、日規，
，無論日
規
還是日晷，每天中午12：00點整，太陽在正南方，影子指向正北方。日規和日規對一天的描述都是一樣的，正南方連續兩次掃過太陽是一天24小時。這也是為什麼日規和日晷都可以作為計時工具的根本原因。
日晷，
共同點
無論日規還是日晷，都是使用量角器。量角器是將一個圓360等分，形成360°。日晷、日規的刻度都是等分的。
為什麼是量角器？為什麼選擇日晷？
的刻度是等分的，而且日晷的時間也是等分的，1°=4分鐘，15°=1小時，滿足公式24小時=360°，而且1年365天，天天如此。我們利用日晷
等分
的
刻度將時間也等分了。
然而日規不行，當刻度等分時，時間是不等分的；當時間等分時，刻度又是不等分的了。最終因為影子角度的變化規律性，我們放棄了日規，而選擇了日晷。
因為“
古人選擇日晷，是根據時間測量
的實際
結果選擇的。用物理學解釋，這是地球自轉的結果，日晷利用的就是地球的自轉，而日晷面對準天赤道的赤道平面正是地球的自轉。在第四章《
日晷中的相對運動
》中我們會詳細解釋。
等分”。
日晷
24小時=360°。其實我們一直是使數學中的用角度來描述時間，為了區分時間和角度，我們使用“小時”描述時間，使用“ ° ”描述角度。
時間和角度的轉換公式：24小時=360°，1小時=15°，4分鐘=1°。
（刻度雖然簡單，但千萬不要錯）。
原理，
水平放置的日規和傾斜對準天赤道的日晷，都是計時工具，但是隻有日晷等分的刻度將時間等分了。傾斜的日晷面一定要指向天赤道，
本章小結：1.
時間的刻度，
地球自轉一週360°是1天，隨著地球的自轉，1天時間，正南方掃過整個星空。正南方掃過太陽1次，也掃過獵戶座1次。
地球圍繞太陽公轉一週是1年，1年365天，正南方掃過太陽365次，掃過獵戶座也是365次。
1年365天，正南方掃過太陽365次的規律是什麼？
1年365天，正南方掃過獵戶座
365次
的規律是什麼？
這些規律中有高度變化的規律，也有時間變化的規律，而天文學記錄的就是這365天中所有的變化規律
。
2.
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天文學，用數學、物理學準確的描述和解釋每一種天文現象。
時間，天文學的核心，也是開啟天文學的鑰匙。
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這裡體現了天赤道的重要性。
日規、日晷，作為計時工具我們已經使用了上千年，但是由於條件的限制，例如夜晚、陰天、下雨我們不能使用日規、日晷計時。在古代我們使用銅壺滴漏配合日規、日晷計時。現在
我們使用鐘錶，網路、手機替代日晷計時，時區計時替代了真太陽時。
機械鐘錶的發明出現已經有600多年了，但是普及使用的時間還不到100年
；手機、網路的普及都是二
〇
〇
〇
年以後的事情了。時區計時是1884年才統一確定的。100多年前，我們一直使用真太陽時計時系統，是我們改進了我們的計時系統，
是我們把時間變複雜了。天文學並沒有改變，所以學習天文學，我們還要回到真太陽時。
地球的自轉和公轉，
日晷的正式名稱是赤道式日晷，天文學中最重要的工具，沒有之一。他是唯一能正確描述，所有天體和時間之間正確關係的，24小時刻度的計時工具。
漢代日規，文物，現存北京 國家博物館。水平放置，單面。
日晷，文物，現存北京故宮。傾斜對準天赤道，雙面使用。
請看下一章：365天，高度的規律。再一章：365天，時間的規律。
，最早的可靠記載是《隋書·天文志》中提到的
袁充
於594年（隋開皇十四年）發明的短影平儀（即地平式日晷）。
計時工具，
的明確記載初見於南宋曾敏行的《獨醒雜誌》卷二中提到的晷影圖。
日規和日晷在古代文獻中是通用的，並無區別，最古老的日規也已無從可考。根據漢代
文
物和文字本意，為了簡化表示，本文將日規、日規區分對待，以量角器圖為準，水平放置的是日規，傾斜對準天赤道的是日晷。
在天文學中，除了赤道式日晷，還有很多利用太陽影子的計時工具，都使用了“日晷”這個名稱，作為計時工具都沒有問題。
這裡我們就不
一
一介紹了，可以去網路查詢。
但是作為天文學最重要的工具，只有赤道式日晷，其他形式日晷不行。本書中的所有的日晷都是指赤道式日晷，簡稱日晷，不涉及其他形式。
日晷（赤道式日晷）雖然早在宋代就發明了，但
我們一直認為日晷只是一個計時工具而已
，當時的天文學並沒有為我們解釋等分背後的真正原因。日晷（赤道式日晷），最重要的天文學工具（儀器），他可不僅僅是計時工具這麼簡單，這還需要現代天文學為
我們
解釋其背後的真正原因。
日晷、日規
，最古老的天文學，是第一個用數學詳細描述、解釋的天文現象。數學為我們解釋了影子長短和太陽高度角之間的三角函式關係。
日規CD垂直於地面，太陽從A點到B點，影子由F點移動到E點。
直角ΔCDE、
直角Δ
CDF
日晷
太陽的高度角，我們可以直接測量角度值得到，也可以透過影子長短的三角函式計算得出。日規CD中，CD的長度是不變的，變化的是影子的長短和太陽角度之間的關係。
赤道式日晷
已經不再是我們的計時工具了，但是連個影子之間，影子移動於時間之間的關係，我們是如何用數學描述他們變化的，依然是現代科學的基礎，是現代圖形學，地圖學的基礎。大家最熟悉的現代遊戲中的光影效果，都是基於天文學對日規、日晷影子研究的結果。