一、时间的计量
1.时间的含义和计量单位
时间是一种客观存在。一切物质运动都是在一定的时间中进行的，因此，时间是物质存在的基本形式之一。时间既没有起点，也没有终点，它不受制约的无限延伸着。但是，人们通常使用的时间则是有限的，对时间的度量也是人为的。
通常所说的时间有两种含义，一是指“时刻”，一是指“时段”（图4－19）。
时刻是运动状态的瞬时，它是无限时间中的某一具体瞬时点。无限的时间是由无数的瞬时点组成的。时刻可以表示事件发生的早与晚。例如，8点钟上课，9点钟下课。这里的两个时间都是指时刻，表示上课在先，下课在后，下课发生的时刻比上课发生的时刻晚。
时段是运动状态的不同瞬时点之间的间隔，它有始有终，是无限时间中的某一段长度。时段表示运动过程经历的时间长短，而不一定显示运动过程发生的早晚。例如，从甲地到乙地需要步行1小时。这里的1小时即是步行开始与结束两个时刻间的间隔，它不显示何时开始，何时结束。
时间与物质运动是相联系的，因而可以根据物质运动来计量时间。只有具备稳定周期性和复现性的物质运动，才能作为计量时间的依据。人们所使用的时间，就是以具有这些特性的物质运动周期为计量单位度量出来的。
最基本的时间计量单位是日，它是地球自转运动的周期。地球绕地轴的自转运动，具有比较稳定的周期性和复现性。由于地球自转而产生的天体周日视运动，使人们可以直接体会到这种运动周期。
年也是一个重要的时间计量单位，它是根据地球公转运动的周期确定的。地球绕太阳公转的运动，具有稳定的周期性和复现性。因地球公转而产生的太阳在天球上的周年视运动，也可以使人们直接感受到这种运动的周期。
月球和太阳在天球上的会合运动，也具有稳定的周期性和复现性。月相的周期性变化，直观地反映了日、月会合运动周期。月（朔望月）就是根据这种运动周期确定的时间计量单位。月和年这两个时间计量单位，一般都用完整的日数来表示。
以地球自转和公转运动周期为基础确定的上述计时单位，在人类的生产、生活中，具有极其重要的实践意义。在漫长的人类社会历史中，春种、夏锄、秋收、冬藏，“日出而作，日没而息”。一直是人们共同遵循的活动规律。
随着社会的发展，人们需要更精密的时间计量，于是产生了更小的时间计量单位——时、分、秒。它们都是对日这一时间计量单位进一步等分而得出的。如时是日的1/24，分是日的1/1440，秒是日的1/86400。时、分、秒的测定和表示，也是以具有稳定周期性和复现性的物质运动为依据的。利用摆的周期性运动，人们制做了用于测定和表示时间的机械钟表。后来，人们发现晶体每秒钟振荡几百万次，而且，这种振荡运动的周期非常稳定。本世纪30年代制成了石英钟，使时间计量达到每300年仅相差1秒的精确程度。随着现代物理学的飞速发展，人们从微观世界中发现了更加精确、稳定的运动周期。例如，当原子受到X射线辐射时，其轨道电子从一个位置跃迁到另一个位置所产生的电磁波，振动周期每秒钟可达几十亿次，而且周期极其精确、稳定。本世纪中叶以来，根据这种振动周期而制做的各种原子钟相继问世，使时间计量达到了更加精确的程度。
地球的自转和公转运动，实际上都不是匀速的。从长期看来，地球自转速度有变慢的趋势，近2000年来，一日的长度大约每过100年即增加1.6毫秒。根据天体运行周期确定的计时系统，在科学技术水平低下的时代，可以满足人们生活、生产等活动对时间计量的需要。科学技术的高度发展则要求时间计量具有与之相适应的高精度。例如，宇航事业的发展，就要求时间计量必须高度的精确。这就促进了时间计量技术不断发展，精确度越来越高。
2.天体时角和时刻
天体的时角和赤经有着密切的关系。二者都属于天球的赤道坐标系，都在天赤道上度量，而且使用的单位也相同（可以用角度单位，也可以用时间单位）。但是，二者的起算点不同，度量的方向也相反。天体时角是以观测地天顶所在时圈（即午圈）与天赤道的交点为起算点，沿天赤道向西度量的。
赤经不同的天体，在同一瞬间的时角也不相同。对于一定的观测点来说，每个天体在某一瞬时的时角都是固定值。但是，随着地球的自转，天体不断地作自东向西的周日视运动，天体的时角也就不断地发生相应的变化。由于天体时角的变化，是同地球的自转运动紧密联系在一起的，因此，可以用它来表示不断变化着的时间。天文上以及我们日常所使用的时刻，都是用天体的时角测定的。
3.恒星时和太阳时
天球上的每一颗恒星或特征点，都可以用来度量时间。但是，实际上，只有春分点和太阳，才被用于度量时间。
用春分点度量出来的时间，叫做恒星时。恒星时的时刻，是用春分点的时角来表示的。
春分点的周日运动周期，即春分点连续两次上（或下）中天的时间间隔，称为一个恒星日。一个恒星日等分为24恒星时，一恒星时等分为60恒星分，一恒星分又等分为60恒星秒。以春分点周日运动周期确立的计时单位系统，主要用于天文学方面，它和我们日常生活中所使用的时间，没有直接的关系。
在天球的春分点位置上，没有一颗可供观测的恒星作标志，很难直接对春分点的时角进行观测。因此，春分点的时角，一般是通过对其它恒星时角的观测而推算出来的。
如图4-20所示，M表示任意恒星，α为它的赤经。当M的时角为t时，那么，春分点的时角（tr）则为：
tr=α+t
对于任意一颗恒星来说，赤经α都是一个已知的固定值（可从天文年历）中查得）。
这样，只要观测到M的时角t，即可计算出当时春分点的时角tr，这也就是我们要求的恒星时。
赤经是从春分点开始度量的，时角是从午圈开始度量的。当被观测的恒星M位于上中天时，它的时角t值为零，这时M的赤经值也就是春分点的时角值。即：
tr=α
由此可知，恒星时与午圈的赤经存在着等值关系。在观测点上中天位置的任意一颗恒星的赤经，也就是该地点当时的恒星时。这样，测定恒星时，实际上也就是对午圈上的恒星进行赤经观测了。
天文台对恒星时的测定，是通过“中星仪”观测恒星来进行的。“中星仪”的望远镜只能沿着子午线方向移动。当望远镜中的南北系对准某一恒星（即该恒星位于当地上中天）时，查找出该恒星的赤经值，也就得到了当时当地的恒星时。
用太阳度量出来的时间，称为太阳时。太阳时是通过太阳时角测定的，但它不像恒星时那样直接用所测得的太阳时角表示，而是用太阳圆面中心的时角加12小时来表示。这就是说，太阳日的起算点不是它在上中天的时刻，而是太阳在下中天的时刻。因此，太阳时的时刻总比当时的太阳时角多12个小时。例如，某地的太阳时为15时30分，此时太阳圆面中心的时角实际是3时30分。
人类的活动主要是在白天。一个完整的白昼在同一个日期内，用起来比较方便。然而，太阳的时角是从视太阳圆面中心在上中天时开始度量的，如果直接用太阳时角表示太阳时，就会把一个完整的白昼分割在两天，造成同一个白天中午前和中午后的日期不一样。用这样的方法表示太阳时，与人们的生活习惯不相适应，会造成许多麻烦。用太阳时角加12小时表示太阳时，把太阳圆面中心下中天的时刻规定为太阳日的起点，就可以避免上述情况的出现，从而使一个完整的白天属于同一个日期。
太阳是距地球最近的恒星天体，它的光和热，是地球上一切生命活动的能量源泉。太阳的周日视运动周期，直接决定了地球上的昼夜交替周期。利用太阳时，便于人们有节奏的安排作息活动。所以，太阳日和太阳时，具有非常重要的实际应用意义。
4.真太阳日和平太阳日
在天文学中，用于度量时间的太阳有两个，一个是真太阳，一个是平太阳（即平均赤道太阳）。真太阳是众目所见的客观上真实存在的太阳。平太阳是实际上不存在的假设的太阳，因而是不可见的。
真太阳在天球上沿黄道作周年视运动，其周期为回归年。同时它还不停地作周日视运动，周期为真太阳日，或称为视太阳日，其时间长度等于真太阳视圆面中心连续两次经过上中天的时间间隔。
由于地球公转轨道形状等因素的影响，导致真太阳在天球上的周年视运动和周日视运动速度不均匀。因而真太阳日也就不等长。
地球沿椭圆轨道运行，在近地点附近和远地点附近的速度有明显差异。它在近地点的自转周期最长，真太阳日也最长；在远日点时，地球自转周期最短，真太阳日也最短。
真太阳的周年运动是在黄道上进行的，而确定真太阳日的时间度量却是在天赤道上进行的。由于地轴对于地球公转轨道平面的倾斜，天赤道和黄道之间有23°26′的交角。因此，即便是真太阳沿黄道运行的速度是均匀的，反映到天赤道上的时角变化，也是不均匀的。
时间系统的确立，需要以具有匀速、稳定周期的物质运动作依据。太阳的周日视运动虽然是不均匀的，但是，对于人类的生活和生产活动来说，它却是最具有实际应用意义的。为了既保证时间系统的尺可能精确，又使时间的计量符合人们生产、生活的实际需要，天文学家假设了一个平太阳，以消除真太阳周日视运动的不均匀性缺欠。依据平太阳的运动周期，确立了比较实用而又便于计量的时间系统。
平太阳是一个假设的点，它在天球上沿天赤道作均匀的周年视运动，其周期为回归年。平太阳周年视运动的角速度，等于真太阳在黄道上周年视运动的平均角速度。平太阳周日视运动的周期，即它连续两次经过上（或下）中天时的时间间隔，称为平太阳日，简称平日。平太阳日的起算点，与真太阳日的起算点相同，都是以下中天时刻为0时起算的。
5.视太阳时和平太阳时
以真太阳和平太阳为参照点来度量时间，分别得到了真太阳日和平太阳日。根据真太阳日和平太阳日来确定次一级的计时单位，于是就产生了两种太阳时：视太阳时和平太阳时。
根据真太阳日确定的太阳时，称为视太阳时，也叫真太阳时，简称视时或真时。1视时为真太阳日的1/24，等于60真太阳分，1真太阳分为60真太阳秒。真太阳时间系统是以真太阳为参照点，根据真太阳的时角变化而确立的。作为参照点的真太阳是客观存在的、直实可见的。因此，视太阳时可以通过直接观测得出。但是，由于真太阳日是不等长的，真太阳时也就不等长。因此，以真太阳为参照确立的时间系统，是不甚精确的时间系统。
根据平太阳日确定的太阳时，称为平太阳时，简称平时。1平时为平太阳日的1/24，等于60平太阳分，1平太阳分为60平太阳秒。平太阳时间系统是以假设的平太阳为参照，根据均匀变化着的平太阳时角来度量的，因而不可能用直接观测的方法获得，它是根据恒星时或真太阳时推算出来的。平太阳时均匀、等长，是均匀流逝的比较精确的时间系统，它得到了广泛的应用。人们使用的各种钟表所表示的时间，就是平太阳时。
两种太阳时系统既有区别，又有联系，它们的确立都充分考虑了太阳在人类生活中的意义。在计时方法上，充分考虑了人们的生活习惯以及实际应用的方便，都以参照点在下中天的时刻为日的起算点，即真太阳时等于真太阳时角加12小时，平太阳时则等于平太阳时角加12小时。
在人类社会历史中，真太阳时曾长期为人们所利用。早期的天文年历所使用之格林威治时间，也是真太阳时。社会生产和科学技术的发展，对时间的精度要求越来越高，于是，格林威治时间于1834年改用平太阳时。与真太阳时比较，平太阳时显然有不少优点，但后者并不能完全取代前者。在一些实际应用上，如测定地方经度等，仍需使用真太阳时。
平太阳时是均匀的，而真太阳时是不均匀的。在一个回归年中的大部分时刻，真太阳时和平太阳时的时刻是不一致的，二者之间经常存在一个差值，称为时差。用式子表示，即：
时差=视时-平时真太阳时的长度是不断变化的，时差也随之而不断变化：有时大，有时小，有时为正值，有时为负值。时差的变化具有一定的连续性和周期性，可以用一条时差曲线，来表示它的变化规律。从图4-25中可以明显看出，一年之内时差变化有四次极值和四次零值。极值中有两次为正，两次为负，分别出现在2月12日、5月15日、7月27日、11月4日前后。零值则分别出现在4月16日、6月15日、9月2日、12月25日前后。时差为零时，真太阳时和平太阳时相等。可见，一年之中，除了上述四个零值外，其余任何时刻的真太阳时与平太阳时，都是不相等的。
时差是根据理论计算得出的，它只与观测日期相关，而与所在之观测位置无关，因而世界各地的时差值是一致的。在天文历书中载有每天的时差值，可供平时和视时换算时查阅。这样，平太阳时虽然无法通过直接观测获得，却可以根据测得的真太阳时和天文年历中所载时差值推算出来。
太阳是个圆面，而不是一个光点，准确的真太阳时，也很难用直接观测的方法得到，事实上，准确的真太阳时是在对恒星时角观测的基础上，间接推算出来的。