闲话历法与时间

2013-03-15

历法是用年、月、日等时间单位计算时间的方法,现代历法是从古代一步步发展而来的,而且发展颇为曲折,古代人民交通阻塞,交流不便,但是都需要历法来指导农业生产或者活动祭祀,所以各地都独立的发展了自己的历法。西方社会有代表性的就是古希腊历法,古埃及历法和古罗马历法。

了解历法前,需要了解一点天文学和地理学的知识。我们可以回顾一下托米勒的地心说——地球居于宇宙的中心,太阳以及其他星球围绕地球在各自的轨道上绕地球运动。因此我们可以构造这么一个模型:

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地球是一个正球形,围绕一根穿过地球球心(地心)的轴(地轴)旋转,我们虚拟出一个穿过地心并且与地轴垂直的面(“赤道平面”),此平面上方称为北半球,下方称为南半球,北半球与“地轴”的交点称为“北极点”,南半球与“地轴”的交点称为“南极点”,与地球表面的交线称为“赤道”。规定从天空到地球表面的距离都是一样的,太阳在天空表面绕地球运动。因此,从地球上看,天空是一个中空且与地球同球心的正球形,太阳的运行轨道是一个以地心为圆心的一个圆,而且圆上各点都落在天空上,这个圆所在的平面称为“黄道平面”,这个圆就称为“黄道”。

在这个模型中,太阳的运行轨道相对于地轴有一定的夹角(黄赤交角,约23.44°),所以如果我们将“赤道平面”延伸到天空,那么“赤道平面”将会与黄道相交于两个点,这两个点一个是“春分点”一个就是“秋分点”。也因为这个“黄赤交角”的原因,“黄道平面”与“赤道平面”有相同的夹角,所以太阳向南或者向北运行,偏离“赤道平面”的最大角度只能达到“黄赤交角”的大小,也就是说,太阳在地球上的直射点偏离赤道平面的最大角度同样为黄赤交角大小。太阳从南往北到达最大偏角时在黄道上处于的点称为夏至点,太阳从北往南到达最大偏角时在黄道上处于的点称为冬至点,

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为了方便表征地球的区域坐标,我们在赤道上任取一点A,连接 “北极点”,点A和“南极点”的半圆称为经线,将与“赤道平面”平行的平面与地球表面的交线称为纬线,所以本模型中,“赤道”也是一条纬线,纬线上的点到地心的连线与赤道面所形成的线面角称为纬度,按照此定义,赤道的纬度为0°。

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上面说到,太阳的赤道平面偏离角度最大是黄赤交角大小,因此偏角最大的时候太阳的在地球上的直射点所在的纬线称为回归线,处于北半球的称为北回归线,处于南半球的称为南回归线。因此夏至点就是太阳光直射北回归线的那一刻所处的点,冬至点就是太阳光直射南回归线的那一刻所处的点。

太阳在黄道上运行一圈所花费的时间称为一回归年(太阳年),回归年的平均长度长度是365.24219日(这里的日是现代定义的标准日)。

上面的表述并不准确,地球与太阳的运动关系都不是这样的,而且上述各个概念都有非常精确的定义,如果想准确的理解这些知识,需要查阅大量的资料。所以,上面文字的主要作用是帮助理解概念。

但是在古代,古代人民并不能建立这种模型,只能通过直观的观察来划分年月日。通常的方法就是观察太阳的位置变化或者动植物的自然生长为标志,比如燕去燕来的间隔时间就是一年。以其他的自然标志区分出“春分”,“夏至”,“秋分”和“冬至”这四个一年当中的标志点。当然,不同地方参照的标志不一样,季节的划分的时间也不一样。

至于划分月,月亮的圆缺变化是古人最容易观察到的天体现象显著的标志,也就是月相的变化,一个月对应于月亮的一个满亏循环,即新月为该月的1号,满月为该月的15号。现在的天文学计算告诉我们,月亮的一个满亏循环(“朔望月”)的时间是29.53059天。

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西方社会有代表性的就是古希腊历法,古埃及历法和古罗马历法。下面分别看一看:

古希腊历法:

希腊是典型的地中海型气候,夏天炎热少雨,冬季温和湿润。古希腊人以夏至为岁首,由夏至到翌年的夏至为1年。希腊人一开始是把一年分成3个季节——春、夏、冬。而他们划分季节的目的,是为了指导生产活动。采用“朔望月”的月份表示,一年分为12个月,每个月30天。因此古希腊人是用自然现象来划分季节的,夜空中的天象是最主要的划分依据。而他们划分季节的目的,是为了指导生产活动。而古希腊人划分月份,则和划分季节出于不同的目的。他们划分月份完全和实际的生产、生活无关,完全是出于宗教的需要。这是一种纯粹的阴历。

前面我们提到,一个朔望月的时间大约是29.5天,所以两个朔望月应该是59天,而古希腊人的两个月是60天,计算下来,那么每两个月,就会发现月亮的满月比历法算出来的提前了一天。如此积累下去的话,30个月之后的15号那天,出现了新月,而理论上,15号应该是满月。他们用了相似的解决办法:将月份分为大月和小月,大月30天,小月29天。然后第1年有12个大、小相间的月份;让第2年在第1年的12个月之外,再加上1个大月。每2年有25个月,这样平均下来每年就是12.5个月。每隔1年加入的这1个月被称为“闰月”。把月亮的满亏周期(月),和地球绕太阳运行的周期(年)协调起来。既让每个月尽量能符合月亮的满亏循环,也让每年尽量能符合人类生活的季节循环。这样制订的历法就不再是纯粹的阴历,而是阴阳历。这是一个进步,但是由于计算无法精确,偏差依然会随着时间的积累而逐渐明显,其中一个改进方法就是“默冬章”,古希腊天文学家Meton构想出了一个19年的循环:每19年加7个闰月,然后把4个小月换成大月。至于将闰月加到哪一年,并没有明确的说法,所以这也导致了一定的混乱。

古埃及历法:

埃及是热带沙漠和地中海气候,降水比较少,尼罗河是埃及境内唯一的一条大河,古埃及人就靠这条河生活,尼罗河养育了古埃及人民,也孕育了古埃及文明。每隔一段时间,尼罗河就会洪水泛滥,退水之后给河谷带来厚厚的淤泥,使河谷区土地极其肥沃,古埃及人就靠每年泛滥后的肥泥种植庄稼。尼罗河就是古代埃及人的生命线,因此埃及又被称为“尼罗河赠礼”,尼罗河在埃及人眼里就是圣河。

古埃及人民发现,每当三角洲地区尼罗河涨水的时候,太阳和天狼星就在地平线上同时升起,埃及人把这看作是圣河泛滥的预告,因而视天狼星为神明。古埃及人把这一次黎明前天狼星从东方升起,到下一次黎明前天狼星又从东方升起之间的时间为一年,并把黎明前天狼星升起的一天定为岁首,这叫做狼星年。把全年分成12个月,每月30天,余下的5天作为节日之用,所以一年有共365天。这个划分的“月”,实际上与朔望月无关,这是与古希腊人的“月”的重要区别。同时还把一年分为3季,即“泛滥季”、“长出五谷季”、“收割季”,每季4个月,从季节的名字就可以看出,同古希腊人一样,季节的划分也是为了指导农业生产。古埃及人的历法是人类历史上最早的太阳历。

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古罗马历法:

古罗马历初期是承继希腊历法。罗马历法定一年有304日, 分10个月,其中6个月30日,4个月31日,以三月份(March)作为新年及一年之始。这十个月的名称分别是Martius, Aprilis, Maius, Junius, Quintilis, Sextilis, September, October, November 及 December。这么算下来古罗马人的一年与一回归年相比相差大约61日,当时的罗马人似乎忽略这些日子,只把它当成无名称及不定期的月份,成为年与年之间无一定规律的冬日。

后来为了补偿这少了的日数,第二任的罗马领袖在年之前加上January及年开尾加上February两个月份造成一年12个月共355日。后来罗马人又将February移至January及March之间。虽然加了两个月成355日 但仍与回归年不吻合。为了调整至回归年,古罗马人每两年就在February之后加上一个特别月这个特别月一般有22或23日。到了古罗马儒略凯撒的时候,要在特别月里加入90日,才能恢复月份的季节。

古罗马征服古埃及之后,参考古埃及历法修订古罗马历而制定儒略历。将一年分为十二个月,规定单数月为31日,双数月为30日,通常二月是29日(平年),每四年设置一闰年,闰年的二月加多一日成为30日。因此四年里总共有1461日,平均每年日数为365.25,较准确回归年365.2422相差0.0078日,即是每128年会有一日偏差。

起初的月份划分是单月31日(1、3、5、7、9、11月),小月30日(4、6、8、10、12月),2月29日(平年)或30日(闰年)。原先7月以“儒略”(大独裁者)命名,后来奥古斯都(也是个大独裁者)又用自己大名命名8月,将它改为大月,8月增加的一天是从二月抽走的。故1、3、5、7、8、10、12月每月31天;4、6、9、11月每月30天;2月28天(平年)或29天(闰年)。奥古斯都格式也是今天沿用的月日格式。所以十二月里面有有三个月份是按照三位古罗马的独裁者的名字命名的。

到1582年时,儒略历的春分日(3月21日)与地球公转到春分点的实际时间已相差10天。如果不加以修改,西方的“复活节”就会逐渐提前,直到与“圣诞节”发生在同一天,这是说不过去的。为了改进“儒略历”的不足,教皇格列高利十三世在1582年颁行“格里历”(中文称阳历、西历、新历)。与儒略历一样,格里历也是每四年在2月底置一闰日,但格里历特别规定,除非能被400整除,所有的世纪年(能被100整除)都不设闰日;如此,每四百年,格里历仅有(400/4 – 3)97个闰年,比儒略历减少3个闰年。格里历的历年平均长度为365.2425日,接近平均回归年的365.242199074日,即约每3300年误差一日,也更接近春分点回归年的365.24237日,即约每8000年误差一日;格里历开始实行时,将儒略历1582年10月4日星期四的次日,为格里历1582年10月15日星期五,即有10天被删除,但原星期的周期保持不变。格里历的纪年沿用儒略历,自传统的耶稣诞生年开始,称为“公元”,亦称“西元”。沿用至今。

星期是古巴比伦人创造的一个时间单位, 古巴比伦人首先使用七天为一周的时间单位,后来犹太人把它传到古埃及,又由古埃及传到罗马,公元3世纪以后,就广泛地传播到欧洲各国,不同国家一周中每天表示的意义都不一样。

为了表示一天当中的时间划分,人类一直进行着不断的改进,沙漏,水表,日晷,星盘,时钟,手表,各种计时工具层出不穷。但是起初各地的时间表示都是以当地的“太阳时间”为准,比如都认为太阳光达到最大的时候为12点。如果一个人向东或者向西走出一段距离,他会发现他的手表时间与当地的“太阳时间并不一致”,因为各地的“太阳时间”并不一致。

举个例子,在古装电视剧里面,经常有“午时三刻处斩”这种说法,就是说在正午太阳最大的时候杀头。假如长安有一个犯人要被“午时三刻处斩”了,在敦煌的犯人儿子要去劫法场。前一天的午时三刻出发,预计十二个时辰(一昼夜)可以到达法场,结果赶到法场的时候,犯人已经被处死了,因为在长安早就过了“午时三刻”,这就是两地时间表示不一样的后果。

同时随着通商和航海的兴起,需要统一各地的时间。特别是随着火车的问世,每条线路都有自己的列车时刻表,乘一次火车可能要调整几十次手表才能和当地的时间保持一直。后来铁路局就将某个地区划分为不同的几个时区,比如北美划分为“大西洋标准时间”,“东部标准时间”,“中部标准时间”,“山区标准时间”,“太平洋标准时间”。

随后更大范围的时区划分开始以经线为参考,首先确定一条0度的参考经线,将地球按照经线平均划分为24个时区。由于经线又叫子午线,所以这条人为规定的参考经线就叫做本初子午线。18到19世纪,很多国家都以通过本国主要天文台的子午线为本初子午线,知名的如巴黎子午线和格林尼治子午线。这样一来,在世界上就同时存在几条本初子午线,给后来的航海及大地测量带来了诸多不便。

于是1884年10月13日,在华盛顿召开的国际天文学家代表会议召开,通过了几个比较重要的决议,其中有:

决议案之二:出席会议的各国政府应采用通过格林尼治天文台子午环中心的子午线作为本初子午线。

决议案之四:提倡采用世界时,根据需要也可以使用地方时或标准时。

决议案之五:世界日以本初子午线的零时为起点,民用日也从子夜零时开始。

本来巴黎子午线和格林尼治子午线都是本初子午线的候选,最终格林尼治子午线胜出,巴黎子午线落败,所以法国在投票表决的时候干脆就弃权了。

规定了本初子午线之后,格林尼治所在地的标准时间就被定义为世界时(GMT),但是在日常生活中,世界时是不方便的,比如北京处于中午的时候,纽约处于晚上,但是两地的世界时是一样的,这是不合习惯的,所以北京中午12点的时候,纽约应该是午夜12点,这两个时间就是两地以各自子午线为基准的时间(地方时或者叫标准时),平时所用的“北京时间”或者“当地时间”都是“地方时”。

随着科学的发展,计时技术也越发精确。国际原子时的准确度为每日数纳秒,而世界时的准确度为每日数毫秒。对于这种情况,一种称为协调世界时(UTC)的折衷时标于1972年面世。为确保协调世界时与世界时相差不会超过0.9秒,在有需要的情况下会在协调世界时内加上正或负闰秒。因此协调世界时与国际原子时之间会出现若干整数秒的差别。位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。一般会在每年的6月30日、12月31日的最后一秒进行调整。

至此,虽然各地依旧保留有各地的历法和计时,但是全球通用的历法和计时被广泛采用,为全球的航行,通信和交流提供了保障。


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