送你一个天空般大小的北斗七星时钟
imufu
中科院物理所
2023-12-01 12:57:46
转自公众号：牧夫天文
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手机电量耗尽不知几点？没关系，天上还有一个巨型钟表！快来学习如何利用北斗七星确定时间。
图注：北斗七星在夜空中冉冉升起。有了北极星和北斗七星，我们就可以构想出一个简易的“时钟”。
图源：Bob King
计时是一种非常古老的活动。早期，人类通过观察太阳和月亮在天空中的移动来标记时间的流逝。我们甚至可以把插在地上的竖棍影子当作一个原始的时钟。人类最早制造的计时装置是日晷和水钟。日晷依赖晴天的太阳，水钟则依靠水的滴漏。
13世纪晚期出现了钟楼，人们听钟报时。到了18世纪，熟悉的钟表和指针才面世。三百年后，手机和数字时钟帮助我们记录时间。手机直接从全球定位系统(GPS)卫星获取时间，或者是通过附近的信号基站获取时间（这些信号基站也使用 GPS ）。目前，在轨的31颗 GPS 卫星中(至少有24颗保持全天正常运行)，每颗都配有多
个原子钟，这些原子钟可以将时间精确到1000亿分之一秒以内。
图注：在这幅动态图中，24颗 GPS 卫星组成的星座围绕地球运转。从地球表面任意一点(图中地点是科罗拉多州的戈尔登)观测，所看到的卫星数量会随时间变化。这些卫星携带稳定的原子钟，可为地球上任何地方的 GPS 接收机(包括手机)提供准确的时间和定位。
图源：Paulsava / CC BY-SA 4.0
秒是现代计时的基本单位，原子钟测量同位素铯133在微波辐射的激发下从低能态跃迁到高能态9,192,631,770次所经历的时间就是一秒钟的长度。这种如此精确的“振动”保证了原子钟约1亿年的误差只有1秒，与之相比，我们日常的时间体验可谓是粗略不堪了。在古代，依靠星星来判断时间虽然不是那么精确，但是这种方法仍然可以在紧要关头助我们一臂之力。天朗气清的日子里，夜幕降临后抬头望向北方，就能看到北斗七星了。
春天，这七颗明亮的星星在头顶上空旋转;秋天，它们则徘徊在树梢房顶。勺头的那两颗星星分别叫做天枢（大熊座α）和天璇（大熊座β），它俩组成了一个星群，唤作“指针”。假想有一支箭一箭双星射穿它俩，这支箭就会指向北极星（小编注：从天璇向天枢延长其长度5倍，大概就到北极星了，这是利用更亮的北斗星寻找北极星的好办法）。
图注：利用北斗七星来寻找北极星的方法先放一边，我们调转方向，从北极星向天枢天璇延伸出一条线，并将这条线想象成24小时制钟表的时针。在上图这个例子中（当地时间4月25日晚上9时48分），北斗七星时针指向24点钟的位置。
使用下文介绍的公式，并算上夏令时（作者所在地区夏天的时制）调前的一个小时，可以得出大约是当地时间的晚上10点钟。
图源：Stellarium with additions by Bob King下面我们开始制作北斗七星时钟，从北极星开始，将其视为经典模拟时钟的表盘中心。由从北极星延伸到两颗“指针星”的线就是时针，它每24小时就在北方的天空中扫完一圈。我们日常所见的普通时钟是12小时制的，上方是正午/午夜的12点，下方是傍晚/早晨的6点。
因为地球24小时自转一周，星星相对于我们也是24小时转一圈，所以北斗七星时钟是24小时制的钟面，24/0点在“表盘”的顶部，12点在底部。随着地球自西向东转动，星星时钟就自东向西以逆时针的方向每小时转动15°。
图注：本地时间7月20日凌晨1点(距离3月6日大约4.5个月)，北斗七星时针指向9点，我们来求解出正确的时间：9- (2 × 4.5) = 9 - 9 = 0。再加上被调前1小时的夏令时，正确的时间是当地夏令时凌晨1点左右。
图源：Stellarium with additions by Bob King
一只坏了的手表每天只能报出两次正确的时间（小编注：这里所说的“坏”是指手表指针转动速率不准确了，如果转动速率准确，但是时间没有对准，那么这个表指示的时间会一直错）。
而北斗七星时钟也有一个缺陷，它一年只有一天能全程指示出正确的时间，就是3月6日那天（小编注: 极其精确的表述应当是：只有一个时刻是准确，而某一天全程准确是因为那个时刻就落在了这一天，所以这一天内误差很小可以认为都是准确的。那为什么是3月6日这天呢？这与我们假想的24小时制的表盘要把24/0放在顶端、把12放在底端有关，3月6日北斗七星时针在24点时就是转到了最顶端的位置）。
在3月6日那天，如果北斗七星时针指向22点，那就是晚上10点。如果是指向19点，那就是晚上7点。对于其他日期的时间，需要用下面这个简单的公式得出：
实际时间 = 北斗七星指示时间 - (2 x 距离3月6日的月数)
举个栗子，如果在4月25日晚上你面朝北方，发现北斗七星时针指向24:00，那么实际时间大约的时间是：
实际时间 = 24 - (2 x 1.6个月) = 24-3.2，也就是24小时时钟上的20.8小时。
将小数转换为分钟(0.8 x 60，1小时=60分钟)，得出是当地标准时间(LST)下午8:48。
图注：1月6日，如果看到北斗七星时钟指向18:00，我们可以解出实际时间: 18 - (2 x 10) = 18-20 = -2。从24减去2等于22，得出是当地标准时间晚上10点。
图源：Stellarium with additions by Bob King
如果你所处的地区有夏令时，别忘了把夏令时调整的时间还原回去。
在上述计算公式中，如果解出一个正数，就从午夜（0点）加上这个正数值；如果解出一个负数，就从午夜(24点)减去这个负数值。根据使用北斗七星时钟的经验，我发现它的误差大约在30分钟以内。
还有一点需要注意，我们使用的时区时间和所处位置的当地时间是有偏差的，这就要看你在所处时区的什么位置了——如果你位于在时区中央经度的西侧，那么北斗七星时钟会稍微落后于真实的时区时间，如果你位于时区中央经度的东侧，则会稍微超前。
纵观人类历史，计时精度的不断提高，推动了技术和科学的进步。尽管如此，回顾过去，欣喜地发现天体的时空之轮仍在嗡嗡作响，这也太有趣了。
作者：BOB KING
翻译：sunday
校对：李宜骅
排版：简稚珉
后台：李子琦
原文链接：
https://skyandtelescope.org/astronomy-blogs/explore-night-bob-king/tell-time-with-the-big-dipper-see-ceres-transit-m100/
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来源：牧夫天文
编辑：小线
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