地球/1f. 時間的本質：太陽曆、陰曆和恆星曆
時間是透過地球相對於其他天體運動來測量的。一天是指地球完全繞其極軸旋轉一週所需的時間。一個月是指月球完全繞地球旋轉一週所需的時間，而一年是指地球繞太陽旋轉一週所需的時間。時間的測量至關重要，因為它決定了何時播種和收割作物，何時發出遷徙狩獵的訊號，何時預測天氣和季節，何時在機場乘坐飛機，何時上課，以及何時參加期末考試。時間已經被細分到小時、分鐘和秒，因此，你生命中的每一刻都可以用我們星球的這種天體運動來解釋。
幾個世紀以來，時間一直是地球速度或運動的直接衡量標準，以及它相對於其他天體的運動。最早設計用於追蹤太陽和月亮在天空中執行軌跡的太陽曆和陰曆可以追溯到 7000 年前，遠在青銅時代之前，當時人類仍在使用石器，但已經開始利用農業並馴養了動物。跟蹤時間的流逝變得非常重要，以便發出播種和收割作物的訊號。對於遊牧群體來說，它也標誌著遷移營地的時機，因為冬季和惡劣的天氣可能會在突如其來的冬季風暴中困住遊牧群體，併發出在一年中的特定時間與其他部落會合的訊號。
人們需要解決的關鍵問題之一是，一年中有多少天，值得注意的是，世界各地每個文化和文明都達成了一個接近一致的意見，即一年有 365 天，一些文化還認識到額外的一天四分之一。為了進行這種計算，每組人都必須確定太陽的運動，無論是從地平線，還是在中午太陽在天空中到達的最高點。
世界各地都發現了古代石碑和太陽曆，它們測量了太陽每天的運動。從夏至（中午太陽在天空中的位置最高）到冬至（中午太陽在天空中的位置最低）之間，每一天的長度都標記著轉折點。生活在赤道地區的人們，由於季節變化不明顯，因此不太關心太陽的執行和太陽年的測量，相反，他們通常會追蹤月亮在夜空中的執行軌跡及其相位。太陽時間記錄在歐洲、亞洲以及前哥倫布時期美洲的文化中被發現，而月亮時間記錄在中東和非洲地區更為普遍，這些地區更靠近地球的赤道。
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為了測量時間的流逝而建造的古代紀念碑包括英國的巨石陣，它似乎與夏至對齊；蘇格蘭的梅斯豪古墓或石屋；以及愛爾蘭的紐格蘭奇，建於近 5000 年前，陽光在一年中的關鍵日子會照射到黑暗的石頭庇護所中。一些最複雜的早期太陽曆發現於美洲，包括尤卡坦墨西哥的庫庫爾坎金字塔，或稱埃爾卡斯蒂略。這座金字塔建於大約 1200 年前，共有 365 級臺階，按四個基點方向分為每邊 91 級。這座四面體金字塔面向的方向，在春分和秋分時，太陽會投下類似羽毛蛇的陰影，羽毛蛇也出現在金字塔周圍發現的雕塑中。在新墨西哥州查科峽谷的古普韋布洛城市附近，有一座孤立的巨石，在那裡可以找到一個 1000 年前的太陽曆，形式為螺旋狀的巖畫。陽光的匕首在夏至落在其中心，並在冬至移動到螺旋狀巖畫的邊緣。事實上，整個查科峽谷及其周圍的建築似乎都與太陽方向對齊，正如安娜·索菲爾所暗示的那樣，並且今天仍然被普韋布洛人所遵循。
太陽曆和陰曆成為人們聚集在一起的時機的關鍵，用於宗教活動、節日或體育比賽，例如希臘的四年一度的奧運會或北美的年度印第安人集會。然而，每個曆法都不同，因為日期的劃分要麼以陰曆月為單位，要麼以太陽年為基礎，或者兩者混合。已知的最早將太陽日和陰曆日同步的歷法是希臘早期天文學家梅頓制定的一個 19 個太陽年迴圈，分為 235 個陰曆月。經過 235 個陰曆月後，月亮和太陽將在天空中重新開始它們的迴圈，並且迴圈將重複，從夏至開始。這個早期曆法在 200 年後被另一位名叫卡利普斯的希臘天文學家修改，他認識到一個額外的 76 年的迴圈，由四個季節長度的變化決定，範圍從 94 天到 89 天。這個新曆法設定在公元前 330 年的夏至，為了跟蹤這個曆法，發明了齒輪機制來計算日期以及月亮、太陽和星星的位置。一個例子可以在安提基特拉機械中找到，這是一個大約公元前 100 年的海上曆法。
我們現代的歷法，由一個太陽年劃分為12個準陰曆月，最早在公元前700年左右的羅馬實施。羅馬在原有的10個月基礎上增加了Januarius和Februarius這兩個月，之前的10個月分別是：（1）Martius，（2）Aprilis，（3）Maius，（4）Iunius，（5）Quintilis，（6）Sextilis，（7）September，（8）October，（9）November，（10）December。與結合太陽和月球週期的希臘曆法不同，羅馬曆法只使用太陽週期，這意味著月份的天數是固定的。然而，這帶來一個問題，因為太陽年不能被均勻地劃分為365天。每四年都需要在日曆中增加一天。早期的羅馬曆法會增加一個月（稱為Mercedonius），並將天數交替保持在355天（12個月的陰曆年）和377天，平均為366.25天。這意味著夏至在這本日曆上只有一天的時間差異。然而，這本日曆很複雜，因為有些年份會增加一個月，如果一個城市或地區忘記或忽略了這個額外月份，日曆就會出現偏差。經過700多年的使用，凱撒對羅馬曆法進行了改革，取消了額外月份，並在每四年增加一天，即閏年。這本日曆以凱撒的名字命名，稱為儒略曆，凱撒於公元前44年在3月15日（三月伊德節）被殺。他的養子屋大維在羅馬掌權，並在公元前27年取名為奧古斯都，這成為Sextilis月的新的名稱，因為他的統治發生在凱撒之後，所以他將August之前的一個月Quintilis命名為July，以紀念凱撒。現在月份的名稱為一月、二月、三月、四月、五月、六月、七月、八月、九月、十月、十一月和十二月，並在二月增加一個閏日。這本日曆被整個羅馬帝國採用，並使用了1500多年，至今仍被世界上的一些地區使用。
然而，在公元1582年，春分日期誤差了10天，因為根據儒略曆，每年比地球繞太陽旋轉的時間短0.0075天，雖然不多，但在使用該系統1582年後，誤差累計達11.865天。為了糾正這個問題，天文學家阿洛伊修斯·利留斯提倡向前跳10天，克里斯托弗·克拉維烏斯向教皇格里高利十三世提出了這個建議，教皇下令將1582年10月4日改為1582年10月15日。為了防止未來出現偏差，閏年的規則進行了修改，即每四年一閏，但能被100整除的年份除外，如果能被400整除則為閏年。這個想法不受歡迎，並沒有在所有地方得到完全採用，特別是新教和東正教國家，但幾個世紀以來，格里高利曆，即與地球繞太陽旋轉最匹配的歷法，已成為標準的太陽曆。
然而，即使在今天，仍然使用利用月球旋轉的歷法。中東和北非（以及穆斯林信仰的宗教信徒）使用的陰曆伊斯蘭曆，遵循一年12個月，共355天的規則。這本日曆決定了齋月和祖爾希吉這兩個月，它們是伊斯蘭曆中重要的聖月。因為這本日曆遵循月球，所以齋月和祖爾希吉這兩個月與太陽曆不一致，因此齋月的開始日期相對於格里高利曆而言會發生變化。在公元2020年，齋月開始於4月24日，而在2030年，則開始於12月26日。伊斯蘭曆將12個月的陰曆年從穆罕默德遷往麥地那的第一年開始計算，縮寫為AH（代表Anno Hegirae）。
在羅馬使用太陽曆時，年份是從羅馬建城開始計算的，即AUC（代表Ab urbe condita），公元前754年。早期的基督徒以Anno Diocletiani紀年，即從羅馬皇帝戴克裡先統治開始計算。戴克裡先在今伊斯坦布林附近的尼科米底亞迫害早期基督徒，並銷燬了早期的記錄。這些年份後來被一位名叫狄奧尼修斯·埃希古斯的僧侶修改，他將公元247年Anno Diocletiani調整為公元532年Anno Domini，並計算出耶穌基督的出生年份為羅馬皇帝奧古斯都執政的第28年。因此，AD（Anno Domini，意為主的年份）在公元700年左右被歐洲的基督教國家標準化。隨著太陽曆格里高利曆的廣泛使用，AD紀年系統得以保留，但在非宗教的科學用途上，則用公元（CE）和公元前（BCE）表示。本文貫穿使用此係統。請注意，在此係統中，公元前1年（1 BCE）之前是公元1年（1 CE），BCE隨著時間推移而減小，CE隨著時間推移而增加，以耶穌基督的誕生作為此係統的第一年。
使用太陽或月亮並非追蹤時間的唯一方法，因為地球每年繞其極軸自轉，恆星會在夜晚的不同時間出現在地平線上，並且根據一年中的時間出現在不同的位置（就像太陽和月亮一樣）。星曆最早用於埃及，並記錄在一系列被稱為努特之書的文字中，該書也描繪在拉美西斯四世的陵墓中，拉美西斯四世統治埃及大約在公元前1150年。 努特之書識別了夜空中36顆恆星或恆星組合，它們每10天在夜空中出現不同的位置。這10天的時間段稱為星宿，代表一年中的360個夜晚，接近現代曆法中一年365.242個夜晚。
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利用恆星測量時間被稱為**恆星時**。恆星時與**太陽時**（利用太陽的位置測量時間）不同，原因在於地球在恆星日內自轉一圈，同時沿著其繞太陽的軌道移動一小段距離（約1°）。因此，在恆星日過去後，地球還需要稍微多轉動一些，才能使太陽達到根據太陽時計算的當地正午。因此，一個平均**太陽日**比一個**恆星日**大約長4分鐘。因此，地球的自轉週期為23小時56分4.1秒，而太陽日為24小時。另一種理解方式是，除了太陽以外的恆星代表了一個遙遠的參考點，而更靠近的太陽參考點相對於繞其執行的地球略有移動。**恆星年**（恆星迴到夜空中完全相同的位置）與**太陽年**（也稱為**迴歸年**）之間的差異（太陽回到白天天空中的完全相同的位置）僅約短21分鐘。天文學家使用恆星時來追蹤夜空中恆星的位置，而時鐘則傾向於顯示太陽時。
在《努特之書》中，一天被劃分為24小時，代表12個小時的夜晚和12個小時的白天。這些小時是透過觀察恆星在夜空中出現的時間以及日晷測量白天12個小時來測量的。然而，跟蹤一天中的小時並不一定是標準的時間單位。例如，在中國，白天用日影跟蹤來記錄時辰（時-刻），晚上用更點（更-點）來記錄，更點是透過敲擊銅鑼的聲音來記錄的。在中世紀的歐洲，鐘樓會報時，將一天分成8個非標準的小時，分別是早禱、初禱、三時禱、六時禱、九時禱、晚禱、日落和完禱，雖然可以透過跟蹤太陽和恆星的位置來確定這些小時，但它們並非標準化。
隨著文藝復興時期機械鐘錶的出現，跟蹤一天中的小時變得更加統一，在24小時制中引入了一個標準小時包含60分鐘的概念，這最早是由一位名叫約斯特·比爾吉的鐘表匠在公元1579年測量的，用於在魯道夫二世皇帝的宮廷中進行夜間天體的跟蹤，他與約翰內斯·開普勒一起工作。但是，分鐘和秒鐘在時間方面的術語起源於約翰內斯·薩克羅博斯科的作品，他是第一個根據儒略曆計算春分發生時間變化的人，時間為公元1235年。作為更小的標準時間測量單位，分鐘和秒鐘對於理解地球軌道中的長期振盪至關重要，並有助於計算春分發生的時刻。
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