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想讓時光停留在今天?看懂地球的 180 度,你也可以成為延長時間的魔法師

活躍星系核_96
・2020/11/13 ・4078字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

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  • 文/阿德|地科系畢業。目前進行遙測相關研究。喜歡思考生活中有趣的科學問題,將這些問題轉化為有趣的知識。喜歡活用學到的知識,並與人分享。

如果拿著地球儀,你會發現地球被一些較粗的線大致切割成 24 塊,然而其中有一奇特的線長得歪七扭八,它的名字是——「國際換日線」。

國際換日線,又叫做「國際日期變更線」,顧名思義,這條線的東西側的日期是不同的。

地球周而復始地自轉,對於人們來說,到底何處才是一天的開始?一天的結束?為了避免日期混亂,我們制定了國際換日線。

國際換日線動畫,地球上的紅色線條即為國際換日線的位置,圓周上不同的顏色代表不同的日期。圖/Wikimedia

不讓時間錯亂,科學家和政府費盡心思

在古代農業社會,由於交通不便,人口移動範圍小,世界各地一般以太陽的位置決定時間,比如:中午 12 點時,太陽位於正頭頂;午夜 12 點,太陽則在地球的正對面。

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然而, 18 世紀工業革命後,科技發展帶動交通運輸業的發展,使得人們更容易到達世界的各個角落。

為了不造成時間錯亂,在 1884 年 10 月 13 日, 25 個國家共 41 位代表齊聚華盛頓,召開國際子午線會議,在會議中正式採用統一標準劃分時區(或稱世界標準時制度),並投票決定以英國倫敦格林威治皇家天文台作為本初子午線的參考標準,同時也確定了國際換日線的位置。

什麼是「時區」?

當人們到其他國家旅行時,導遊一定會提醒在當地時間何時集合,下飛機後,也會提醒大家調整時間,這是因為到出國旅行,可能會進入不同的「時區」。

時區究竟是什麼意思呢?時區就是地球上的區域使用同一個時間定義。

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時區又可以分為理論時區法定時區

  • 理論時區就是以經線間隔 15 度為一個區間,以區間的中央經線的時間為該時區的時間(比如:台灣所使用的東八區時區,就是東經 120 度經線的東西兩側延伸 7.5 度範圍,即西經 112.5 度至東經 127.5 度之間。)所以每差一個時區,區時相差一個小時。
  • 法定時區則是為了統一整個國家的時間,方便政府管理,以國界或國家內部行政分界線區分時區,使得有些時區的形狀不規則(圖一)。

24 timezone 網站有全世界時區劃分的資料,大家可以搜尋都市查看位置,也可以點擊時區色塊,查看同一時區內的國家和地區唷!

世界時區劃分。圖/Wikimedia

世界上竟然有東 13 時區和東 14 時區?

為了使同一國家內的時區不紊亂,因此某些靠近國際換日線的國家的時區雖然位置位於時區的西 10 區或西 11 區,時間上卻是東 13 和東 14 區,比如:吉里巴斯。

吉里巴斯(Kiribati)的時區圖。圖/Flicker

吉里巴斯領土因橫跨 180 度經線,被舊國際換日線分割,故而在 1995 年以前東西兩半部分使用的日期不同,導致諸多不便。為此,吉里巴斯政府 1994 年 12 月 31 日將東部的西 10 區或西 11 區分別改為東 13 和東 14 區,使得全國範圍內的日期得以統一。同時,吉里巴斯也因此變成世界上可以看到新年最早的第一道曙光的國家。

所以,如果提到世界上可以看到最早日出的國家,當然就是吉里巴斯。但如果是以實際地球自轉來看的話,仍然是經線 180 度通過的國家,比如:斐濟。

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生日快樂!那⋯⋯能不能延長快樂?

如果想要時光倒流的話,可以向西走或者是穿過國際換日線。2015 年時,一名德國男子哈格邁爾(Sven Hagemeier),順利打破一名巴基斯坦人 1998 年創下的 35 小時 25 分鐘的生日時長紀錄,成為史上生日時間最長的人,並得到了金氏世界紀錄的認證。

他究竟是怎麼做到的呢?利用國際換日線,他順利完成這項創舉。

曾經擁有最長生日的哈格邁爾。圖/Guinnessworldrecords

首先,哈格邁爾先抵達接近國際換日線的國家:紐西蘭,再從紐西蘭的奧克蘭出發,抵達第二站:比奧克蘭晚兩小時的澳洲布里斯本,最後再搭飛機經過國際換日線抵達比布里斯本晚二十小時的夏威夷檀香山。

這一趟旅程的實際飛行時數是 13 小時 10 分鐘,但由於飛機中途飛越了國際換日線,就如時光倒流一樣,使他的生日延長,變成 46 個小時。

國際換日線衍生的迷人故事

哈格邁爾並非唯一一個把國際換日線拿來延長時間的人。在 1873 年 1 月 30 日出版的小說環遊世界八十天》中,作者也是利用了穿越國際換日線的概念,讓結尾的發生了意想不到的轉折。

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故事的旅程,開始於 1872 年 10 月 2 日的倫敦,向東旅行,經過八十天后,再度回到倫敦(圖四)。正當主角經歷各樣事件返回倫敦後,懊惱即將輸掉這場賭局時,卻發現早一天回到倫敦,就是因為旅程一直向東行,不經意跨過當時還未經過國際統一確定的國際換日線,使他們延長了一天。

環遊世界八十天中的旅行地圖。圖/Wikimedia

想要千里共嬋娟?先考慮國際換日線!

在中國傳統文化當中,「賞月」是頗具雅趣又能寄託情懷的活動,當我們和親友分隔異地時,也時常以「但願人長久,千里共嬋娟」做為互相勉勵的話。

然而隨著科技的發展,如今華人的足跡已經散佈至全世界,倘若我們想要和國外的親友們同時「把酒望明月」,就不得不考慮「國際換日線」和「時區」的概念。

在排除特殊區域(比如:極圈內月亮可以一整天都掛在天上,也可以半個月見不到月亮),並且先假設人們賞月時段是在晚上到凌晨零點前一起賞月,則這個時間段內,只要在經度 90 度範圍以內,位於異地的兩人都可以一起中秋賞月。

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在東方人的心中,一同賞月是具有特別意義的活動。圖/Pixabay

但是,當國際換日線加入考慮後,人們即使相差經度 90 度範圍以內,仍有可能會面臨在不同天賞月的窘境。

比如:當位於國際換日線的區域在晚上 9 點時,位在東經 135 度經線上的區域在 8 月 15 日晚上 6 點時,西經 135 度經線上的區域仍然在 8 月 14 日凌晨 0 點。

在假設只能在凌晨之前賞月的前提下,國際換日線「似乎」限制了兩人異地賞月的時間與空間範圍。

其實,不一定要晚上才能看到同一天的月亮唷!

世界大部分的地方,幾乎都是以凌晨零點來區隔一天的結束、明天的開始,也就是夜晚的一半。日、地、月之間的相對運動,使月亮的位置每晚向東移動大約一度。

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所以,如果我在農曆 8 月 15 的凌晨看中秋月亮,實際上該月亮的位置應該是 8 月 14 日晚上所見到的位置,和 8 月 15 晚上所見到的位置之間,大約相差一度。

位於異地的兩人,真的只能在凌晨之前一起賞月嗎?有沒有可能一人在凌晨時看到的月亮位置和另一人所見到的位置是相同的,時間上也是相同的日期呢?

影響這個問題結果的重要角色——國際換日線,再次登場。

國際換日線(紅色半徑縣)對於日期(圓周上不同顏色的曲線)的影響。

我們可以分為以下五種情形來看(參考上圖): 

  1. 當國際換日線轉到凌晨 0 點至上午 6 點之間:因為月亮位置不同,使得兩人無法同日賞同月,一人在凌晨,一人在晚上。
  2. 當國際換日線轉到上午 6 點至晚上 6 點之間:因為日期不同,使得兩人無法同日賞同月,一人在凌晨,一人在晚上。
  3. 當國際換日線轉到晚上 6 點 0 分 0 秒的瞬間:位於國際換日線的人可以與所在區域為凌晨 0 點至早上 6 點間的朋友同日賞同月
  4. 當國際換日線轉到晚上 6 點凌晨 0 至凌晨 0 點之間:因為月亮位置不同(東經)、日期不同(西經),使得兩人無法同日賞同月,一人在凌晨,一人在晚上。
  5. 當國際換日線轉回凌晨 0 點的位置:則該地時間為 18 點至凌晨 0 點之間的人,就可以與另外一位凌晨 0 點至早上 6 點之間的人同日賞同月

在排除「僅限晚上賞月」這個假設下,國際換日線的存在可以實現凌晨賞月。

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這對於住在吉里巴斯上的華人來說,真是省去了苦惱。就算國家不更改時區,也不需要擔心位於國際換日線東側和西側島上的華人無法同時賞月。

換句話說,如果你想和美國西岸的朋友一起賞中秋節的明月,你只要算好時差告訴他:你在凌晨幾點往窗外望,你和我就是在欣賞一樣的月光。

要不要來挑戰最長的賞月旅行記錄呢?

國際換日線以及全球時區劃分的定義對人類影響甚遠。每當我們開開心心地和外國的朋友交流時,也不妨思索下這些有趣的問題。

也許你也可以想想如何利用國際換日線和時區,規劃一個世界上最長的賞月之旅。或許在不久的將來,你的名字就會出現在金氏世界紀錄網站上。

註解

目前各國以世界協調時間(Coordinated Universal Time,簡稱 UTC )為世界時間標準。平時所說的東八區(比世界協調時間快 8 小時),以世界協調時間來表達的話,就是UTC+8的區域。反之,西八區(比世界協調時間慢8小時)則以 UTC-8 表達。

參考資料

  1. 24 Timezones:World Time Zone Map
  2. Guinness World Records:German man celebrates longest birthday ever by travelling across time zones
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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時區和時差——那些消失的日子,都去了哪裏?│環球科學札記 (3)
張之傑_96
・2020/12/02 ・2266字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 451 ・四年級

  • 文/張之傑

日本位於東九時區,時間比我們早一小時,所以飛機降落東京,第一個動作就是將手錶撥快一小時。

我們 4 月 20 日在橫濱上船,當晚離開橫濱。23 日,《船內新聞》發佈調整時差的消息:「今晚臨睡前,或即將進入深夜 12 點時,請將手錶、時鐘調慢一小時。」這意味著我們進入東八時區了。

世界時區圖。美國中央情報局繪製,2012年頒布。圖:wikipedia

時區的劃分——和地球自轉有關,但各國不一定遵守

由於地球自轉,不同經度的國家,日出、日落的時間不同,這就是時差。在農業社會,世界各地各自訂定自己的時間。十九世紀隨著長途鐵路運輸的發展,有人提議劃分時區。1883 年,美國鐵路部門正式將美國東岸到西岸劃分為五個時區。1884 年召開的華盛頓國際經度會議,通過時區劃分,從此有了時區。

時區怎麼劃分呢?以通過英國格林威治天文台的經線(本初子午線)為零度,向東為東經,向西為西經,東西經於 180 度相遇。劃分時區時,從經線零度向東或向西,每十五度為一個時區,亦即相差一小時。從經線零度到 180 度,跨越十二個時區。我們台灣位於東八區,就是經線零度以東的第八個時區。

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本初子午線的位置。圖:Wikipedia

我們搭乘的郵輪 4 月 23 日抵達香港,30 日晨抵達新加坡,根據《船內新聞》,當天日出時間為 6 時 51 分,日出得好晚啊。查看新加坡所在的時區,位於東七區,可是我們並沒調慢一小時啊!5 月 2 日晨,抵達檳城,日出時間為 7 時 06 分,更晚了,依然沒調時間。這是怎麼回事?

原來各國的時間,並不一定遵照時區。舉例來說,中國大陸跨越五個時區,但全國都以北京時間(東八區)為準。新加坡位於東七區,馬來西亞也有一部份位於東七區,卻與北京時間一致。從世界時區圖來看,類似的情形還真不少呢。

缺了一天的報紙——跨過換日線,日子居然會憑空消失?

5 月 2 日夜晚 9 時許離開檳城。5 月 3 日《船內新聞》標頭下有一反白專欄:「時差調整日」,今夜 12 時,將時鐘調慢一小時。早餐時桌上也放著提醒調整時差的標示。這是離開日本後第二次調整時差。由於一路往西,此後不時收到調整時差的通知。6 月 7 日船到紐約(位於西五區)時,已和台北時間(東八區)相差了整整十二個小時。

6 月 19 日,通過巴拿馬運河進入太平洋。27 日抵達復活節島。6 月 7 日抵達大溪地。一再調整時差自不在話下。7 月 10 日,《船內新聞》標頭下有一反白專欄:「因為跨越換日線,明日的日期將變更為 12 日。」11 日平空消失了!

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這消失了的一天還有個小插曲。環球之旅 8 月 1 日結束,7 月 31 日整理《船內新聞》,預備返台後釘成一冊,怎麼找都找不到 7 月 11 日的。當我們找遍每一處可能的地方時,才猛然想起來,7 月 11 日因跨越換日線而消失了嘛,哪來的這天的《船內新聞》!

在東經、西經180°附近的國際換日線。圖:Wikipedia

我們從東一路往西,所以跨越國際換日線增加一日。如果從西一路往東呢?跨越國際換日線就會減少一日。世界名著《環遊世界八十天》的最後翻盤,就是因為他們一路往東,跨越換日線時減少了一天。如果您沒看過這部世界名著,就讓我簡單的介紹一下吧。

一路向東,最終完成一場賭注:《環遊世界八十天》

英國有位名叫福克的紳士,家境富有,為某俱樂部會員。福克以兩萬英鎊與俱樂部同仁打賭,可在八十天內環遊世界,於是帶著法籍僕人帕斯巴德踏上征途。主僕二人從倫敦啟程,七天後到達蘇伊士運河,遇到英國刑警費克斯。費克斯認為福克與倫敦的一宗銀行劫案有關,於是緊隨福克主僕,並試圖阻撓他們的行程。

接著他們以十三天時間來到孟買,搭火車前往加爾各達,鐵路中斷了一段,福克買了一頭大象,穿越叢林時救出被迫殉夫的王妃娥妲。福克一行再次搭上火車,到達加爾各達全程耗時五天。從加爾各達啟航,十三天後到達香港。

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費克斯見拘捕令遲遲未到,於是在碼頭附近酒館將帕斯巴德灌醉,並讓他吸鴉片,致使帕斯巴德昏睡三小時後,迷迷糊糊地被抬上船,因而未能通知主人船隻提早啟航的事。福克只好雇了艘快艇送他到上海,輾轉到了橫濱,花了他六天時間。

在日本,福克和帕斯巴德重逢,兩人帶著娥妲繼續上路,利用二十二天到達舊金山,再轉乘火車前往紐約。途中遇到野牛群擋路、印地安人搶劫火車,和印地安人槍戰時,帕斯巴德被俘。等到救出帕斯巴德,火車已經開走,只好雇用風帆雪橇,在雪原上又遇到狼群。一共花了七天才到達紐約。

然而從紐約到英國的船已開船,福克毅然搭上一艘開往法國波爾多的船,並強迫船主將船駛向利物浦。渡過英吉利海峽,抵達利物浦,卻被費克斯逮捕,扣押幾個小時後證實無罪開釋。

從利物浦搭火車回到倫敦,發覺已經超過時限,這時帕斯巴德卻發現他們提早一天回到倫敦,因為他們一路往東,越過國際換日線減少了一天。福克娶娥妲為妻,並贏得兩萬英鎊。

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《環遊世界80天》插圖,繪英國紳士福克與俱樂部會員打賭,可於 80 天內環球一週。
Alphonse de Neuville 與 Léon Benett 繪,1872 年。圖:wikipedia

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到底是 GMT+8 還是 UTC+8 ?
Whyjay
・2015/09/07 ・3312字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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打開你的手機,進入設定選項中的「日期與時間」調整時區──對於出過國的人來說,這個動作應該不陌生,因為每到了不同的時區,當地的時間就會與手錶上殘留的「台灣時間」有著一至數小時不等的差距。

台灣的所屬時區比協調世界時快8小時,是由國家時間與頻率標準實驗室發佈與維護[1]。在十幾二十年以前有個常聽見但並不正式的稱呼:「中原標準時間」[2]。現在正式的名稱則為「國家標準時間」,但在國際上仍然沒有官方的說法,溝通時通常會說成「台灣時間」或是「台北時間」,或是乾脆直接說成 UTC+8 或是 GMT+8 ,這裡的 +8 是指比 UTC 或是 GMT 快8小時的意思。

問題來了:請問你的手機時區的設定頁面中,台灣的時區是「UTC+8」,還是「GMT+8」?你覺得這兩者有差嗎?如果有差,是差在哪裡?如果沒差,那為什麼還會有兩種名稱?

答案就在圖片下方,歡迎各位先猜猜看再往下看答案……

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筆者的手機是 GMT+8。我不懂為什麼「台北標準時間」後面還要括弧加註「台北」…

簡單的回答是:GMT 和 UTC 在一般使用的情況下沒有差別,你要說台灣的時區是 UTC+8 或是 GMT+8 都可以。但如果仁兄的時間寶貴,是「一秒鐘幾十萬上下」的狀況,筆者推薦你使用 UTC,每一年半載就可以賺到一閏秒。但如果你是系統工程師,GMT 應該才會受到你的青睞。[3]

以下,就讓我們來看看這兩個縮寫到底差在哪裡。

GMT 的全名是格林威治標準時間或格林威治平時 (Greenwich Mean Time),這個時間系統的概念在 1884 年確立,由英國倫敦的格林威治皇家天文台計算並維護,並在往後的幾十年往歐陸其他國家擴散。在 1924 年開始,格林威治天文台每小時就會向全世界播報時間。

在剛開始的幾十年,GMT 的測量方法非常簡單:觀測者隨時監控太陽在天空的位置,並且把每天太陽爬升到仰角最高的時候記錄下來,這個時間點稱呼為「過中天」。一般人對於一天 24 小時的理解,大致上就相等於兩次太陽過中天的時間間隔。不過由於地球是以橢圓軌道繞著太陽,在軌道上的行進速率不一,導致一年之中會有「比較長的一天」與「比較短的一天」[4],所以格林威治的觀測者必須要至少連續觀測一年,然後求取 365 個長度不一的「天」,再把他們全部平均後,得到固定的一天長度,之後再細分成時、分、秒等單位。這個就是 GMT。

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格林威治天文臺的報時鐘。Photo by: Happy A @ flickr, CC BY-NC-SA 2.0

近幾十年來,我們有了更穩定的觀測 GMT,或是說,觀測太陽日[4]的方法,那就是利用宇宙中穩定一致的無線電波源週期性的訊號,搭配電波源抵達地球時觀測的角度,直接計算地球的自轉與公轉速率,再以此計算一年、一天、時分秒的平均長度。這些觀測可以交由其他更高科技的天文台,或是衛星來負責,而跟格林威治天文台的觀測沒有關係,所以它有一個新名字:世界時(Universal Time),縮寫是 UT。[5]世界時有三種版本,分別叫 UT0、UT1 跟 UT2,UT0 是最原始的觀測結果計算值,UT1 則是修正了地球在長時間尺度下會產生的自轉軸漂移的影響,UT2 則是為了研究需求,比 UT1 多修正了季節性的影響。

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此寶劍一出,照理說 GMT 系統應該就要退役,但實際上由於 GMT這個名字已經被使用了幾十年,而且 GMT 跟 UT1 要測量的概念基本上是相同的,都是「長時間尺度下的平均太陽日」,所以 GMT 這個名字被保留了下來,作為一般的人民溝通使用的詞彙。現在 UT1 的測量,主要是靠特長基線干涉儀 (VLBI)[6]來進行前面所述的觀測後再計算而得。

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現在都是用這種儀器在測量地球的自轉。

以上總結:GMT 是老古董,UT1 承先啟後,但是一般概念上 GMT = UT1,都是觀測平均太陽日,兩個名詞的使用可以互相轉換。[7]

另外一方面,自從 1967 年國際度量衡大會把秒的定義改成銫原子進行固定震盪次數的時間後[8],時間的測量就可以與星球的自轉脫節了。只利用原子鐘計算時間與日期的系統,稱作國際原子時 (International Atomic Time)[9],這是一種只有「天」的系統,時分秒都以「天」的小數點零頭來表示。以國際原子時為計算基準,把時間格式與 UT1 對齊,讓一般人都方便使用的時間系統,就叫做協調世界時 (Universal Time Coordinated),也就是 UTC。這也就是 UTC 為什麼與 GMT 幾乎一樣的關係。由於 UTC 直接與國際度量衡標準相聯繫,所以目前所有的國際通訊系統,像是衛星、航空、GPS 等等,全部都協議採用 UTC 時間。

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美國國家標準的原子鐘。

但是,透過原子鐘 (UTC)模擬平均太陽日(UT1 = GMT),會出現一個很嚴重的問題:由於地球的自轉正在緩慢減速[10][11],導致平均太陽日會逐漸變長。也就是說,GMT 的一秒會越來越久,但是只要我們不改度量衡對於秒的定義,那麼 UTC 的一秒就會始終如一。長久下來,UTC 一定會超前 GMT 一秒以上,而且會越來越多!因此,目前負責管理 UTC 的專責機構──國際地球自轉服務 (International Earth Rotation and Reference Systems Service,又稱為 IERS)[12]決定在 UTC 超前 GMT 快一秒時,選擇適當的時間加入閏秒,來抵銷超前的量。上一次的閏秒是在今年的 6 月 30 日,不知各位還有沒有印象?[3][13]

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總而言之,從 1972 年實行 UTC 以來,已經加過 26 次的閏秒[9][14],近幾年的閏秒要加的時候,總是會有不小的騷動和新聞版面,但是卻都安然無事的過了,就算是這樣,世界各國還是有不少建議取消閏秒的意見,理由不外乎麻煩、增加成本,以及許多不必要的風險。在今年 11 月預計召開的國際無線電通訊會議,也將直接討論此議題,並且做出扮演閏秒存廢的關鍵決議,各位可一起拭目以待。

以上總結:UTC 很潮的使用原子鐘計時,也成為國際通訊的公用標準。UTC 努力符合 GMT 的計時格式與概念,因此雖然不會差太多,但每隔三五年就要加一個閏秒來「多等GMT一秒鐘」。

所以呢?

回到時區的寫法,如果要遵循國際標準,台灣的時區寫成「UTC+8」才是正確的。但在一般的狀況下,我們都不會在意 GMT 與 UTC 那不到一秒的差距,就算是用 UTC 計時,但寫成「GMT+8」也無不可,反正也不會差太多嘛!只要跟著社會潮流走,管他手機顯示什麼,你還是可以擁有那一閏秒的「放空時間」。有機會的話許個願吧!跟每天都看得到的流星比起來,這可是平均每三年才能擁有一次的奇景。

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今年六月錯過,下次不知還有沒有機會看到?

參考連結

  1. 實驗室網頁在此。
  2. (歷史上的今天)中廣告別「中原標準時間」
  3. 只因「閏秒」這 1 秒的解決方案,AWS 工程師可能花上數百小時
  4. 克卜勒第二運動定律 (Wiki),利用過中天的手段求取一天長度,屬於測量「太陽日」的領域,因為參考了地球上的某一點對太陽的角度,所以太陽日的每日長度,跟地球自轉與公轉都有關。
  5. UT 的系統介紹
  6. VLBI (Wiki)
  7. GMT 其實也被當成 UTC+0 的時區名字。這使得 GMT 這個詞能指涉的東西更加的模糊。
  8. Resolution 1 of the 13th CGPM (1967/68)。SI 單位中,一秒的定義為 Cs-133 基態原子在兩個超精細能階間躍遷輻射 9,192,631,770 次所花的時間。
  9. 這裡可以看到國際原子時與 UTC 的差異。為了方便起見,國際原子時也已經化成時分秒的格式。除了這幾十年內設置的 26 秒閏秒之外,還有額外的 10 秒差異,是在當初定義時就存在的。
  10. 地月系統的潮汐影響 (Wiki)
  11. 無可避免的地球自轉減速,東吳大學賈老師的部落格
  12. IERS 網站
  13. 蘋果日報2015/6/21:六月底多一秒 小心閏秒造成當機
  14. 閏秒 (Wiki)

 

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Whyjay
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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)