原來，地球有小時鐘，動植物也都有一個生理時鐘...

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地球的小時鐘 光明與黑暗的週期 日夜交替是我們最直接感受到的自然時間週期，這個週期給人們的感覺就是光明與黑暗，這個感受對於在北極或南極圈的住民特別深刻，漫長黑暗的冬季讓人們盼望光明的到來。光明與黑暗的對立在許多西方古老的宗教都是代表善與惡的鬥爭，許多創世紀神話也是認為世界誕生時是從黑暗到光明，因此也代表生與死，這個二元對立價值的觀念就是西方哲學的基礎，相對的，在中國則從自然的日夜週期發展出陰陽的哲學，陰陽不是對立而是互補輪迴的概念，是一體的兩面，這是東西方哲學最不同的地方。在西方，互補的二元觀念要到波爾（Niels Bohr，1922 年諾貝爾物理獎得主）才開始用來解釋量子力學中一個物質同時有波及粒子的對立性質，波爾因此把中國的太極圖作為他的家族盾徽。 生物的日夜週期 事實上動植物甚至一些細菌的細胞裡也都有一個生理時鐘，讓生物可以適應日夜的週期變化，我們大腦視丘下部（hypothalamus）裡還有一個標準時鐘來校正身體其他部位的時鐘，這些生理時鐘都是不同分子迴路作成的大小分子「齒輪」來運作。這個日夜生理時鐘對生物的運作影響至關重要，如果出了問題就會產生生理錯亂及疾病，生理時鐘在胚胎發育過程中也扮演很重要的角色。 地球自轉的週期 日夜週期是因為地球自轉的關係，地球自轉是在四十幾億年前地球形成時產生的，但我們怎麼知道日夜週期是因為地球自轉？事實上古代很少人去思考這個問題，太陽每天從東方升起在西方下落，很自然的讓人們認為太陽每天繞地球轉，然而古代天文學家認為太陽是繞着地球每年轉一次，但太陽怎麼會每天又每年繞地球一週？住在較高緯度的人，晚上看星星會注意到靠近北極星的星星會繞着北極星旋轉，古代天文學家認為這是因為星星繞着地球轉，但有一些早期的希臘哲學家例如菲勞洛斯（Philolaus, 470-385BC）則認為與其讓那麼多星星費功夫繞着地球轉，還不如讓地球自轉而星星不動簡單得多了，但在沒有證據下只是一個相對運動的哲學問題而已，並沒有繼續探討這個問題。到了公元499 年時才由印度天文學家阿耶波多（Aryabhata, 475-550）在他的著作Aryabhatiya（他寫這個偉大的著作時只有23 歲！）裡提出地球自轉的理論，他認為從地球上看到天上星星的轉動只是一個錯覺，應該是因為地球自轉的關係。他說地球在4320000 年會自轉1582237500 次（他也說在這個期間月亮繞地球57753336 次），意思是說，當我們經過4320000 個冬至的週期，會看到一個恆星在太陽落下後從地面升起1582237500 次，用現代的回歸年天文數據，我們可以算出地球自轉的時間是23 小時56 分4.1 秒，和現值只差0.02 秒！4320000 年是印度教的一個週期，稱為Maha Yuga，他的計算可能是根據精確的恆星年和回歸年日數差別的數據（可能來自巴比倫及希臘，見第三章），他用這些大的整數主要是因為印度當時沒有用小數點的計算方法，為了避免使用小數點才把數據放大去計算恆星年和回歸年的日數差別。阿耶波多也認為行星的軌跡是橢圓形，比開普勒早了1200 年。阿耶波多在代數及三角學都有重要的貢獻，三角函數sine 及cosine 就是他提出來的，他也算出π＝（（4+100）×8+62000）/20000 ＝3.1416，但沒有人知道他是怎麼算出來的，他也用這個π值算出地球的周長，和現值只差70 英哩，誤差只有0.28% ！到了第十世紀阿拉伯科學家比魯尼（Abu al-Rahan Muhammad ibnAhmad al Biruni, 973-1048）也提出地球自轉的假說，十五世紀時哥白尼才根據他的地動學說認為地球會自轉，哥白尼認為與其讓整個大的宇宙每天繞地球一週，還不如讓小地球每天自轉一次比較容易，但這些都只是假說，理論及實驗證明則要等到牛頓發現運動定律之後，在這裏先賣個關子，在講下一個科學故事時再作說明。地球現在每23 小時56 分鐘4.09 秒自轉一次，比日夜週期24 小時少了3.9 分鐘，如果你晚上在一定時間看北斗七星的斗柄方向，隔夜再看時就會發現比昨晚早了大約4 分鐘，這是因為地球一面在自轉，一面又繞着太陽轉，所以看到的星象就位移了，如果從北極上空來看，地球是以反時針方向向東旋轉，在赤道旋轉的速度是每小時1650 公里。但地球自轉的時間並不是完全不變的，冬天自轉的速度稍微慢一點，夏天則稍微快一點，這和地球質量的分佈有關，就像我們看到溜冰選手在旋轉時把手臂縮回就會轉得比較快一樣。地球有液態的大氣及海洋、固態的地殼及液態的地心，這些不同成分的相對運動及能量交換會造成地球自轉時間的變化。大地震也會影響地球自轉，2011 年日本大地震就使地球自轉時間快了一百萬分之1.8 秒。長江三峽水壩使420 億噸的水集中在一個地方，出現這樣重的東西在地球表面就會增加地球旋轉的慣性，使地球的轉動慢了下來（慢了千分之0.06 秒），這就好像把手收起來快速旋轉的溜冰選手，突然把手臂從裡往外伸，讓旋轉變慢一樣，聖嬰現象（El Nino）也會使地球自轉變慢0.0006 秒。