時間和經度的關系

眾所周知，地球表面一條由北向南經過某地的線被稱為該地的子午線。再準確一點，地球表面的子午圈是連接南北兩極的半圓。這個半圓從北極向各個方向擴散，從而讓我們能夠畫出經過任何地點的子午線。國際公認的計算經度的起點是格林尼治皇家天文臺的子午線，大多數地區的時間也是以此為據設定的。

與地球上的子午圈相對應的是天球上的子午圈（就是地球上的子午圈在天球上的投影），天球上的子午圈起始于北天極，通過天頂，并在最南的一點與地平線相交，再向南最后到達南極形成半圓。地球是圍繞地軸旋轉的，天球上的子午圈與地球的子午圈也隨之一起轉動，這樣，天球上的子午圈在一天內能運行經過整個天球。而在我們眼中，天球上的每個點在一天之內都會經過子午圈。

太陽經過子午圈的時刻，就是我們慣稱的中午。在現代計時工具還沒有出現之前，我們的祖先是根據日照的高低來制定時間的。可是，由于黃道傾斜角和地球繞日軌道的偏心率的影響，太陽連續兩次經過子午圈的間隔時間并不完全相同。換言之，如果計時工具準確，那么太陽從子午圈經過的時間有時會是12點之前，有時則是12點之后。只要理解了這個道理，那么區分視時（apparent time）和平時（mean time）就不再是一個難題。視時指依據太陽測定的每日時間，長短不等；平時則是依據鐘表設定的時間，長短完全相等。兩者之間產生的差別就是我們所稱的時差（equation of time）。它們之間相差最多的時候出現在每年11月初和2月中旬。11月初，太陽會在12點前的16分鐘經過子午圈；2月中旬，則在12點14分至15分之間經過子午圈。

為了確定平時，天文學家們以他們的非凡才智構想出平太陽（mean sun）這一概念，平太陽一直沿著天球赤道運行，它每次經過子午圈的間隔時間完全相同，所以有時會在真太陽之前，有時則在真太陽之后。根據構想出來的平太陽，就能確定每天的時間了。如果可以不考慮真實情況，只通過視覺上的景象來說明這個問題會更容易。假設地球靜止不動，平太陽繞地球旋轉，慢慢經過各地的子午圈。那么，我們可以想象一直圍繞世界運行的就是“中午”這一時刻。在我們所處的緯度上，它的速度只有每秒300米，換句話說，如果我們所在的地方是中午，1秒鐘后，向我們西邊300米遠的地方即是中午；再過1秒，再向西300米的地方就是中午……以此類推，經過24小時，中午會再次回到我們所在的地方。這種情況最明顯的結果就是：任意兩個在不同子午圈上的人，絕對不會處于同一時間。當我們向西走時，我們會覺得當地時間比我們的手表時間更慢；而向東走，這種情況又會相反。這種有區別的時間變化就被稱為地方時（local time）。

標準時

由于地方時存在的差異，給旅行者造成了極大的不便。以前，所有鐵路運營者都有自己的子午圈，鐵路線上的列車都按照自己的時間運行，但旅客們會按自己的鐘表顯示時間安排行程，經常由于不了解自己的鐘表時間與鐵路時間的差距而誤了火車。直到1883年，科學家們才制定出我們現在使用的標準時間制度。這個時間制度規定，每15?（太陽每小時經過的地方）為一個標準的子午圈，中午經過標準子午圈時，兩邊7.5?相加的地區都是中午，這就是“標準時”（standard time），而標注這些地帶的經度以經過格林尼治天文臺的子午圈為起點。費城在經度上與格林尼治天文臺相距約75?，時間為5小時，更準確地說是5小時1分。這樣一來，美國東部各州的標準子午圈就位于費城東面一點。當平正午（mean noon）經過這個子午圈時，向西一直到俄亥俄州都算是中午12點。一小時之后，密西西比河流域是12點。再過一小時后，落基山脈地區是12點。再經過一小時，太平洋沿岸是12點。由此可知，美國有四種時間：東部時間、中部時間、山地時間和太平洋時間，依次相差一個小時。按照標準時間制度，旅行者在太平洋和大西洋之間穿梭跨越時區時，每次只需將鐘表調快或者調慢1小時，就可以與他所在時區內的時間相同了。

中國在1949年以前，設置了中原、隴蜀、新疆、長白和昆侖五個時區，不同時區內的時間不同。中華人民共和國成立后，將首都北京所在的東八區確定為全國標準時間，統一為“北京時間”。

通過這種時間的差別，我們可以判斷一個地區的經度。如果一個位于紐約的觀測者在某顆星星經過當地子午圈時向芝加哥發送電報，這個時間會被兩個地方記錄下來。當這顆星星到達芝加哥的子午圈時，另一位發報者也按下電報發出鍵。那么，這兩次電報的時間間隔就是這兩個地點相差的經度。

還有一種方法可以確定經度，即身處兩地的觀測者分別將各自的地方時向對方報告，這樣得出的結果與前面我們假設的一樣，兩地的時間差就是兩地相差的經度。

不過，我們必須記住，太陽從東邊升起、由西邊落下依據的是地方時，而不是標準時。因此，日歷中標注的日出和日落的時間并不能確定鐘表的標準時，但正好處于標準子午圈上除外。地方時和標準時的差異是，當我們在向東或向西旅行時，地方時不斷發生改變；而標準時卻只在我們每經過某個時區的邊界時，跳過1小時。

日期在什么地方改變

“午夜”和“中午”相同，不停地圍繞地球旋轉運行，陸續經過每個子午圈。每經過一個子午圈，就代表這個子午圈對應的地方開啟了新的一天。假設它經過某個地方時正好是星期一，那么當它再次經過時就是星期二了。所以，肯定存在一個在星期一和星期二交界處的子午圈，又或者說，存在一個兩天的臨界點。這個劃分日期的子午圈被稱為“國際日期變更線”，它是基于人們的習慣和應用的便利性來劃定的。當人們向東西兩個方向遷徙時，會將按照自己計算日期的方式一同帶去。直到向東而去的人和向西而去的人在某處相遇，才發現彼此之間的日期相差了一整天，向西去的人還在過星期一，而向東行的人已經是星期二了。美國人到達阿拉斯加時就遇到了這樣的情況。俄羅斯人向東行走到了阿拉斯加，美國人向西走到達該地。在同一個地方，美國人的時間還在星期六，而俄羅斯人已經在過星期日了。這樣就產生了一個問題：當地居民想去希臘的教堂做禮拜，應該如何計算日期呢？是遵照新日期的計算法還是舊日期呢？這個問題被圣彼得堡教會的主教知曉后，請來了普爾科沃天文臺（Pulkovo Observatory，俄羅斯國家天文研究機構）的負責人斯特魯維。斯特魯維寫了一篇報告，認為美國的日期計算方法更為準確，于是最終將日期的計算方法統一。

目前規定的國際日期變更線是指與格林尼治天文臺正對的子午線。這條界線恰好位于太平洋中央，只經過亞洲東北角以及斐濟群島的一部分陸地。這樣的地理環境很有利，避免了因國際日期變更線穿過一個國家內部造成的嚴重不便。如果日期變更線從一個國家內部穿過，那么這個城市的日期就會與相鄰城市的日期相差一天，甚至同一條街道兩邊的居民會過著不同的日期。但是，如果日期變更線在海洋里，就可以避免這種不便的發生。日期變更線并不是嚴格意義的地球上的子午圈，它可以曲折迂回以避免前面講到的不便。因此，即使與格林尼治呈180?的子午圈正好從查塔姆群島及其鄰近的新西蘭之間穿過，兩地居民的時間依然可以一致。