【新文章】為什麼一天有24小時?
我們都知道時鐘走一圈有12個數字,當時針走完兩圈就代表是24小時過去了,是新一天的開始。然而,你又有否想過為什麼是24而不是23或25,又或者不乾脆用10呢?
現代科學裡,時間的國際單位(SI unit)是秒。1秒的長度有精確定義:銫-133(cesium-133)原子基態的超精細結構(hyperfine structure),當進行量子躍遷時釋放的電磁輻射頻率的9,192,631,770個週期的時間長度[1]。秒是七個物理基礎單位之一。
一天24小時可能源自古埃及文明。古埃及的人在一年之間變化的夜空中發現了24顆明亮的星,剛好能夠把整晚分成24等份。由於埃及接近赤道,黑晚長度大約是12個小時,但不要以為一晚只能看見12顆星!由於星星會東升西落因此在埃及的一年中任何時刻,都能看見18顆星(剩下的6顆位置接近太陽因而看不見)。而且,頭尾各3顆星都出現在日出或日落時候,因太陽光的關係而很難看見,因此真正容易看見的只有黑夜中的12顆星。所以,他們把夜間劃分成12等份(注意不是11,只要12顆星放於每份的中央即可),亦按照此習慣把日間分為12等份。
不過在日間看不見星星,古埃及人如何得知時間?原來,他們會在日間使用一種稱為日晷(sundial)的儀器。這是一種把一個「人」字型垂直放在一個圓盤上的儀器,太陽光照射下來,便會在圓盤上投射出陰影,陰影指着的數字就是日間的時間。在晚間,除了使用12顆星之外,也有一種比較可靠的計時方法,就是利用放在特製水桶中的水位高度來顯示出夜間的12等份。
早晚各分為12等份亦有可能來自另一個原因。古埃及人採用的是12進制而非現在我們所使用的10進制。有些歷史研究指出,他們可能習慣用拇指數數目,而其他4隻手指各有3節,因此就等於12了。因此,一天24等份剛好等於兩隻手除了拇指之外的指節數目,所以這亦可能是他們採用24這個數字的原因。
不過在未來,一天可能會有25小時,甚至更久呢!因為月球所引起的潮汐,海水會與地球摩擦,使地球的自轉速度減慢。大約每5萬年地球自轉就會減慢1秒。因此,在大約1億8千萬年以後,我們一天就能有25小時用了!同樣道理,在大約14億年前,地球的自轉比現在快多了,當時一天可是只有18小時呢!原來,一天並不一定就是24小時的啊。
之不過,如果一天被分為24等份,為什麼1小時和1分鐘都卻被分成60等份?這就與古巴比倫人使用60進制有關。對古巴比倫人來說,60是個非常方便的數字,因為它能夠被非常多日常需要用到的數目字除盡:1、2、3、4、5、6、10、12、15、20、30。這對於表達一個數字的分數很有用。
這個習慣被流傳到古希臘。事實上,小時和分鐘被分為60等份的做法,與西方科學和數學之中把角度分為360等份有關。測量地球周長的古希臘科學家埃拉托色尼(Eratosthenes)首先把一個圓形分成60等分。之後喜帕恰斯(Hipparchus)把這定義推廣為360等份。最後,為了量度比1度更小的角度,古希臘人把1度再分為60角分、1角分再分為60角秒。
角分的拉丁文是partes minutae primae,意即「第一分割」,英文譯作first minute,漸漸簡稱成minute,即我們說的角分或分鐘。角秒的拉丁文partes minutae secundae,意思就是「第二分割」,即是second minute,之後就簡稱second,即我們說的角秒或秒。不過直到16世紀末發明機械時鐘之前,普羅大眾基本上都不使用分鐘和秒。
總結來說,「從上而下」把1天分為24小時,是古代天文學和度量衡傳統而來。「從下而上」由定義1秒到60秒為1分鐘、60分鐘為1小時,再反過來把1天的長度定義為24 x 60 x 60 = 86,400 秒,則是現代科學的做法。
[1] 可參考國際度量衡局(BIPM)對秒的定義:
https://www.bipm.org/metrology/time-frequency/units.html
同時也有10000部Youtube影片,追蹤數超過2,910的網紅コバにゃんチャンネル,也在其Youtube影片中提到,...
bipm 在 Cadence Taiwan-益華電腦 Facebook 的最佳貼文
一公斤 =「1000公克」?你知道嗎,「公斤」定義將改變! 😲😲😲
過去百年來都是依法國巴黎近郊的國際標準局(BIPM)保險箱的標準砝碼「鉑銥公斤原器」(International Prototype of the Kilogram,IPK)來作為「標準的1公斤」。但這個公斤原器在百年內出現了50微克的改變,相當一顆直徑0.4毫米的小沙粒…這改變將會影響我們測量電晶體嗎?
詳全文>>>http://se.piee.pw/CEWP9
bipm 在 余海峯 David . 物理喵 phycat Facebook 的最讚貼文
【推舊文】人類將重新定義公斤 從此宇宙間牛扒質量都相同(物理雙月刊)
我們去街市買牛肉時,都是量度肉的質量去計算價錢的。質量的單位必須準確,我們才能知道有多少牛肉。現代,我們使用國際單位制(Système International d'Unités, SI units)制定的公斤(kilogram, kg)作為量度質量的基本單位。
不難想像,這種國際公認的度量衡,需要一個不會改變的標準:上星期賣的一公斤牛肉與明天賣的一公斤牛肉必須擁有同等質量、你在台灣買的一公斤牛肉與我在德國買的一公斤牛肉亦必須擁有同等質量。
在巴黎近郊的國際計量局(Bureau international des poids et mesures, BIPM)實驗室裡,收藏著一個137 年前製造的金屬圓柱體。這個圓柱體是人類對一公斤的定義。在宇宙任何地方,當你測量質量時,都必須以這個放在銀河系之中一顆不起眼的恆星旁的一個行星上的一個城市之中的實驗室裡的一支金屬圓柱體為標準。
很明顯,這即使對地球人來說也並非一個太方便的定義,更遑論為客觀的科學標準。這金屬圓柱體縱使被密封於實驗室裡接近真空之中,細小的微塵、侵蝕等效應亦有可能改變其質量,而且更有丟失的危險,其複制品也不可能做到百分百相同質量。美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)物理學家Stephan Schlamminger說,如果我們有朝一日與外星人交流科學,這個金屬圓柱體將會成為「銀河系笑話」。
其實使用實際物件去做成度量衡的標準,在從前是必需的。以前科學並未發達的時候,我們並不知道物理定律之中藏著一些永遠不變的物理量。例如,古時人們就以人類身體部分尺寸作為長度的標準。
如今,我們發現宇宙中存在一些基本常數(fundamental constant),這些物理量的數值不論何時何地何人測量,亦是固定的。最常聽說的有光速(speed of light, c)、電子的基本電荷(elementary charge, e)、量度量子單位的普朗克常數(Planck constant, h)、量度溫度單位的波爾茲曼常數(Boltzmann constant, k)、量度原子數量的阿伏加德羅常數(Avogadro constant, NA)等等。
國際單位制採用十進制,有七個基本單位。米(metre, m),量度長度;秒(second, s),量度時間;公斤,量度質量;安培(ampere, A),量度電流;開爾文(kelvin, K),量度溫度;摩爾(mole, mol),量度粒子數量;坎德拉(candela, cd),量度發光強度(luminous intensity)。只用這七個基本單位,就能夠描述所有已知的物理量。
時間和距離,可說是最基本的度量衡概念。在中世紀,一秒定義為一個太陽日(solar day)的1/86,400,即相鄰兩個正午的1/86,400。可是,由於地球繞太陽公轉軌道並非正圓,太陽日於一年不同季節之長度並不相等。1956年,一秒被重新定義為一個回歸年(tropical year,亦稱太陽年solar year)的1/31,556,925.9747。回歸年指太陽重新回到天空同一點所需時間。雖然使用回歸年定義一秒比用太陽日更加準確,但由於地球自轉軸會進動(即歲差),加上其他天體動力學效應,每個回歸年亦非一樣。
可想而知,使用地球和太陽的運動去定義時間單位,並非全宇宙通用。最終在1967年,一秒被定義為銫(caesium, Cs)原子基態的兩個超精細能階(hyperfine energy level)量子躍遷所釋放之電磁輻射的9,192,631,770個週期之時間長度。銫原子基態的量子結構在宇宙何時何地都不會改變,因此這是一個可以用來跟宇宙中其他文明交流科學知識的客觀定義。
另一個已被客觀永恆不變的物理概念定義的基本單位是米。在1793年,科學家把一米定義為穿過巴黎的子午線(即經線)由赤道到北極的1/10,000,000。這個距離不易量度之餘,地殻板塊運動也可能改變其值。1889年,一米被定義為一個放在巴黎國際計量局裡的鉑(platinum, Pt,即白金)金屬棒的長度。這個定義方法與公斤的定義一般,都依賴放於巴黎國際計量局裡的實物。
科學家希望用客觀概念定義長度。1960年,一米的定義被改為氪(Krypton, Kr)原子在真空之中兩個能階之間的量子躍遷所釋放之電磁輻射波長的1,650,763.73倍。這個定義就像使用銫原子的量子躍遷去定義一秒,其實已經足夠客觀。不過科學家更進一步,最後於1983年把一米定義為光在真空中1/299,792,458秒內行進的距離。這個定義不但無需使用某一任意元素,而且更反過來定義了光速。在此之前,光速的數值是用實驗測量出來的,存在實驗不確定性;現在,光速是被定義出來的,其數值為每秒299,792,458米。
普朗克常數大約是h= 6.62607x10-34 kg m2/s。科學家預期能在2018年前把h準確測量至200萬分之1個百分比。然後,就像定義光速一樣,普朗克常數會反過來被定義。由於h的單位包括公斤、米和秒,而米和秒已被上述方法客觀定義,因此固定h的數值就等於客觀定義公斤。
如果使用不同方法得出的h值互相吻合,聯合其他基本常數如c、e、k和NA等,科學家將會於2018年國際計量大會(Conférence générale des poids et mesures, CGPM)上投票決定是否更新公斤、安培、開爾文和摩爾的定義。
無論結果如何,以上所講都不會對任何人的生活造成影響:牛扒不會變輕、我們也不會變瘦。使用宇宙通行的基本常數去定義各度量衡單位,是科學文明的一大進步。因為科學研究,應建基於客觀的、可重複的實驗結果之上。