時間是一種量測，用來確定事物的發生、經歷多久以及快慢，並加以數字化。時間在不同的領域中可分兩個層次來了解：人文和基礎科學。

人類的生活脫離不了時間的觀念，在文明開發之前，人們日出而作，日入而息。現今的社會幾乎人人有手表，用來知悉時間，並規範日常生活起居，一般上班族可以藉著手表過著朝九晚五的規律生活。

古希臘時代的時間觀念是輪迴式的，亞理士多德的宇宙觀是封閉的天球，根據星球圓形軌道運動來推論，認為時間若有開端，在邏輯上是矛盾的，因此認為時間是永無止境的輪迴。早期基督教學者根據聖經人物的生死故事，以「誰生誰」的方式來推論估算宇宙的年齡，也製造了一些笑話，烏舍主教估算宇宙的創始日是西元前4004年10月23日子時。

 

當科學家開始探索地球及浩瀚的宇宙有多古老時，首先就要拋棄時間輪迴的觀念，而以時間的線性觀念取代，它雖然很長，但是有明確的起點和長度。

工業革命後，人們開始挖煤礦、造鐵路、通運河，在打通地脈的過程中，使得深埋地底、歷經數億年累積而成的地層暴露在外。地質學家發現同一地層都有相同的層次結構和相同種類的化石，並顯示出很多已經絕種生物曾經存在的證據。科學家開始對這些化石的來源、何時發生、經歷了多久感到興趣。

對科學家而言，時間有更深一層的意義，它是一種量測單位，須有精確的標準。在科學領域裡，科學家對一件事情的發生，首先必須回答兩個問題：「何時發生」及「經歷了多久」。

時間的單位及量測沙漏（左）及中國古鐘（右）

 
在回答這兩個問題之前，科學家必須先精確地定出時間的單位。時間、質量和長度都是重要的基本量度，時間更衍生出速度、加速度、頻率等相關量度。任何一種能夠周期性出現的事項都可當成時間的單位，因此日、月出現的循環自然成為人類最早採取的時間量度標準，太陽出現的一個周期是一日，滿月重複的循環一次就是一月，春夏秋冬重複地循環一次是一年。我們先說明古時候的中外計時方法，然後討論現代科學界的時間標準。

 

古代的帝王有御用觀察星星、月亮、太陽的天文學家，並訂出曆法。古羅馬以太陽的循環（更正確地說就是地球對太陽的公轉）訂出日曆，每年有365天，而實際上是365又1/4天，因此每4年有一個閏年，閏年的2月有29天而不是28天。從地球的觀點看，太陽的直射每年在赤道南北來回往返，現代天文學家已經量測出太陽直射往返北回歸線一個周期的時間是365.24219日，稱作回歸年。

中國的農曆重視春分、夏至、秋分和冬至，回歸年也可用這些基準。不過公轉的軌道是橢圓形，地球繞日的速度不一，因此上述各點的回歸年有些微差距，但黃道上的平（均）回歸年則和日曆的回歸年非常接近。中國人用月亮的盈虧為標準訂出月曆，但是一年12個月大約只有354天，因此每2至3年就有一個閏月，當年有13個月。

中國曆法採用陰陽曆，它兼具陰曆和陽曆二者的特點。陰陽曆把「回歸年」和「朔望月」並列為基本周期，是同時考慮太陽和月球的運動所訂定的曆法，習慣上稱陰曆，又因農民喜歡用這曆法進行農事，因此也稱農曆。陰陽曆以月相變化的周期做為一個月的長度，同時用24節氣來表現四季氣候的周期性變化，使曆年的長度接近回歸年。如此一來，每個月都符合月亮盈虧的周期，同時每年都和季節交替的周期相差不多。除了上述年月日的量測之外，再細分下去就是時、分和秒，這也是基本的時間量測。在文明進步到機械化之前，日晷儀是最普遍的一種計時工具，台灣博物館後院也有一座。

 

 

在文明進步到機械化之前，時間的量測以太陽為主，古稱的日晷儀為最普遍的一種工具，它以陽光照射在一直立物件的影子為基準，然後校正為當地的時刻。其次為「水鐘」，基本上它是以一定的水流進或出一容器，然後量度該容器的水位來刻上時刻。中國在14世紀完成一座相當複雜的水鐘，容器盛滿時就轉動齒輪，惟冬天結冰就無法運轉。滴漏（Hourglass）則是另一種趣味性的計時器。伽利略及惠更斯則以鐘擺來計時，使時間的量度更為精確。鐘錶由此在歐洲開始盛行，並演變出多樣化的設計。

時間是一種重要的基本量測，不管是CGS（公分、公克、秒）或MKS（公尺、千克、秒）系統，秒都是基本的時間單位，並擴及到分、時、日、年。不過前述以日月運轉的周期仍有誤差，因為宇宙星球的運轉非常複雜，而且不是恆久不變的，星球是有生命期限的，太陽的壽命大約有100億年，不適合成為標準。

根據量子論，依電子占用的軌道，原子必須存在於一定的能階。銫原子有55個電子，其中內層54個電子處於穩定的狀態，但在最外層6s軌道的一個落單電子的自旋會和原子核自旋產生耦合造成能階分離，形成兩個能階的超精細結構。由於在銫原子基態的最外層電子的超精細能階非常穩定，不會受到環境的影響，因此銫原子在這兩個超精細能階間的振動周期也非常穩定，這振動周期就可做為量測時間的基準。

國際度量衡（International System of Units，簡稱SI）在1967年訂出，以銫-133（Cs-133）原子在兩精細能階躍遷振動9,192,631,770次所需時間為1秒。

 

用銫原子基態的超精細躍遷振動周期為基準製造出的計時器，稱作銫原子鐘。銫原子鐘是把銫存放在高真空的爐子內，蒸發的原子銫可吸收共振的微波，量測頻率的精確度可達2×10^-14，或每1,400,000年約有1秒的誤差。

傳統的機械鐘表每日有數秒至數分的誤差，已大量被石英鐘表所取代。石英具六方晶體結構，和C-軸成35度的晶面稱作C切面。它的穩定性非常好，在這晶片的兩面塗上電極可產生1.67×10⁶／d的共振頻率，d是晶片的厚度，單位是毫米。再配合IC晶片的校正轉換，就可製造出非常精確的石英鐘表。

年齡的測定

時間的單位既定，下面就是要探索上述兩個問題：「何時發生」及「經歷了多久」。

凡走過的必留下痕跡，在犯罪現場發現一具屍體時，刑事專家最想知道的就是死亡時間及原因。法醫可以由一具屍體的體溫、腐壞程度、蛆及蒼蠅的存在等，判斷死亡的時間及原因，刑事專家可以依照這些線索尋找證據而破案。澳洲亞伯斯的日晷。（圖片來源：Wiki）

 

銫原子鐘有如一超高真空爐，每1,400,000年約有1秒的誤差。（圖片來源：http://events.eoportal.org/presentations/）

在不同的腐爛過程中，屍體會引來不同的蒼蠅或昆蟲，第一批在死亡時很快就來臨，開始腐化時第二批接著來臨，隨後一批接一批。綠頭蒼蠅（blowfly）幾乎可確定是光臨腐肉的第一批，牠們會下卵，由卵孵化至成蟲有一定的過程及時間。即使是只剩白骨一堆，刑事專家也可由溫度、溼度及陽光，從蠅或昆蟲遺留的痕跡估計死亡的時間。

 

綠頭蒼蠅會下卵在腐肉，由卵孵化至成蟲有一定的過程及時間，刑事專家可由遺留的痕跡估計死亡時間。（圖片來源：www.cmnh.org/.../ForensicBlowfly.aspx）

美國田納西州有一個2.5英畝的「屍場」，聽來令人毛骨悚然。這是一個科學研究計畫，該場地置放150個不同腐爛程度的屍體，主要在了解屍體的腐爛過程及時間，以利法醫爾後的科學鑑定。

神木的年齡可以由樹幹的年輪來判斷，這是大家熟知的常識。考古學家、人類學家、地質學家、天文學家等，需要探索數百年、數千年、數萬年，甚至數億年前或更長時間發生的事蹟，科學家須努力尋找留下的痕跡並加佐證，以回答上述的問題。自然界有很多種時鐘，可以供科學家發掘及利用，並依據時間的長短選擇適當的時間工具，比較常見的方法有4類。

放射性元素

放射性元素有一定的半衰期，即該元素衰變成一半含量所經歷的時間。鈾－235衰變成鉛－207的半衰期是7.04億年，也就是約每隔7億年鈾－235含量減少一半。自然界中，矽酸鋯石晶體摻有鈾元素，不受外界影響，因此只要分析該礦石中鈾－235和鉛－207的比例就可測知年齡。

大家所熟悉的碳－14半衰期是5,730年，也就是1公克的碳－14經5,730年後會衰退成只剩0.5公克。一般的碳－12不具放射性，碳－14是上層大氣的氮－14受到宇宙線的中子照射，吸收中子並釋出一個帶正電的質子，經過放射性衰變而產生的，它具有放射性，且會很快地和大氣中的氧氣反應產生二氧化碳。

地球上碳－14的生成和衰減已達到穩定狀態，因此自然界存有一定比率的碳－14同位素。活著的動植物因吸收二氧化碳或食物也含有同比率的碳－14，死後便不再吸收，因此碳－14也隨時間衰減並衰變成氮－14。由化石分析碳－12及碳－14含量的比率，可以估算出它的年齡。很多動物遺骸和歷史遺物都是以碳－14分析來判斷其年齡，時間範圍可長達40,000年。

幾世紀來，天主教徒盛傳有一件耶穌的壽衣，又稱杜林的屍衣，它是一塊古代的細麻布，長14尺寬4尺。屍布上的形像認為是耶穌基督所遺留，證明了基督的死亡、埋葬與復活。屍布經數百年的流傳最後被教廷所收藏，視它為聖物。但在數年前分析該「壽衣」碳－14含量，發現是13世紀的產物。

同位素具有相同的化學特性，不能以化學方法分析，須使用質譜儀。放射性元素廣布於礦石及各岩層，是地質學家估算年代最佳的利器。

輻射暴露

礦石晶體受到高能量輻射照射時，被束縛在價帶的電子會釋放出來，跳到傳導帶成自由電子。晶格的缺陷會成為陷阱捉住這些自由電子，通常它們會很快地自行復合而發出光子。但有些陷阱很深，被束縛的電子需要藉由外界能量的激勵，才能釋放出來復合而發出光子。這些深陷的電子如果不受外界干擾，它們會累積在陷阱內。因此只要由實驗得知這些被束縛電子的產生速率，就可測出這晶體的年齡，有些深埋的礦石便成為地質學家探測年齡的利器。

天然石英晶體含有缺陷，成為捕捉電子的陷阱。地球上充斥著低放射性元素如鈾、釷等，包圍在石英晶體附近的放射性元素可以使原子釋放出自由電子，大多數的自由電子會很快地和晶格離子復合，但有些會困在晶體的陷阱內，深的陷阱可以儲存捕捉電子達數百至數千年。如果能夠找到未曝光的石英晶體，而且測得其陷阱捕捉電子的速率，然後借由光的激勵重新釋放這些深陷的電子，經復合而放出光子，由於光子的強度表示累積的電子量，因此便能估算它的年齡。

收集樣本時必須非常小心，絕對避免暴露在陽光下，以免這些深陷的電子被釋出。能夠捕捉電子的陷阱不必然是天然石英晶體的缺陷，很多岩石晶體都有這特性。陷阱中的電子也可以用電子自旋共振的技術偵測，電子越多表示年代越久。輻射暴露估算年齡的技術主要用在沒有放射性同位素可偵測的情況下，這些技術可以偵測長達10億年的年齡，但視不同的岩石而定。

數年前在以色列的某一山洞內發現一個頭骨，牙齒的琺瑯質有捕捉到的自由電子，附近也發現馬的牙齒，同樣有捕捉到的自由電子，以電子自旋共振技術探測的結果都是10萬年之久。在附近還發現燧石，經由加熱螢光技術證明也有10萬年之久。很多科學研究都需要用不同方法互相印證，使結果更為明確。

胺基酸的左右旋轉換

胺基酸是蛋白質的基本架構，蛋白質則是生命現象的表徵。胺基酸的基本化學結構是碳的四鍵結構（tetrahedron），含有胺基（-NH₂）、酸根（-COOH）、氫（-H）及有機根（-R），可以有兩種相異的立體結構，稱作同分異構物。它們具有一種手性（chirality）的重要對稱特點，也就是它的鏡像是不能與原物體重合的，就如同左手和右手互為鏡像而無法疊合。這種特性使其具有對偏光軸旋轉的效果，面對光線進行的方向，如果旋轉是順時鐘方向，就稱作右旋，反之就稱作左旋。

自然界對左旋的胺基酸情有獨鍾，絕大多數生物體內的胺基酸都是左旋的。生命一旦結束，左旋胺基酸會逐漸轉換成右旋，並達到一平衡值，由此可估算生物體死亡的時間。就如同所有化學反應，轉換的速率會受到溫度和溼度的影響，因此其誤差約為10％，但也可因此而了解地球的氣候變遷。胺基酸的轉換可適用於經歷500～300,000年的估算。

澳大利亞維多利湖被多重的砂丘所圍繞，在砂丘上發現很多大型動物的遺骨，其中有一種重達大約200公斤不能飛的走鳥及其蛋殼。附近並沒有碳－14可用於估算年齡，因此蛋殼的胺基酸轉換成為一可用的技術，經分析是50,000年前所遺留的。在埋藏蛋殼附近的石英晶體也深藏被輻射照射的自由電子，以前述輻射暴露法探測其年齡，經強光照射釋放出的電子和晶格的離子復合並產生螢光，螢光的強度相等於50,000年累積捕捉的自由電子，兩者相互印證。

刑事專家也可以利用胺基酸旋轉的特性，來估算屍體存在的時間。

間接量測

地球上最早的生物是一種單細胞，何時出現一直是個謎，但可確知是一些細菌和藻類，它們都活在海裡。直到距今5.3億年前寒武紀時期，生命演化呈現飛躍式發展，出現大量較高等生物及物種多樣性，這一情形稱為寒武紀生命大爆發。地球在寒武紀之後才出現足以保存化石的穩定岩層，寒武紀之前的沉積物因毀於地熱和壓力無法形成化石。生物到了寒武紀才演化出能夠形成化石的堅硬軀體，大氣中累積足夠的氧氣足以使大量生物進行短時間的演化。

兩個原子的氧分子和紫外線反應產生3個原子的臭氧，存在於大氣的高層，隔離了紫外光，高等生物才得以存活。

1998年，科學家在中國雲南首次發現多細胞胎芽的化石，它們只有沙粒大，隱藏在當時是海床的磷酸鈣岩層中。因為無法直接探測這些胎芽的年齡，科學家以兩種間接的方法推測：這化石附近的岩層和非洲奈米比亞岩層的同位素圖樣相同，而其年代介於5.48至5.90億年之間；科學家又證實這胎芽介於5.55及5.90億年的岩層之間，因此可確定這多細胞胎芽存在於5.5～5.9億年前。

演化論告訴我們，生物的基因一直在突變，因此而更能適應環境。如果知道人類和黑猩猩基因突變的速率，加以分析及比較這兩種基因，就可以估計這兩種動物多久之前有共同的祖先。分析DNA技術的精進，使這種嶄新的分子時鐘因應而生。化石在恐龍於6,500萬年前消失以後才大量出現，之前的生物演進可以借由分子時鐘追索到10億年前，雖然有些古生物學家並不完全認同。

宇宙和地球年齡的測定

在人類文明的發展過程中，對於宇宙的探索一直有很大的興趣。早期的認知是天上有很多閃閃發光的星星，宇宙的容貌是非常單純的。在100年前的理解中，宇宙是由數百萬顆恆星構成永恆不變的星系。這種思維模式直到20世紀初仍然是天文學家的共識，雖然觀察到的恆星數目激增，甚至由太陽系存在的銀河系擴大到更多的星系。有文字記載的事項經由考證可以正確知道何時發生，沒有文字記載的事項則有賴科技精準的推測或計算。

宇宙及恆星和行星到底有多大的年紀呢？上帝並沒有發給它們出生證明，所幸物理學家發現波動具都卜勒效應。當一火車急駛而來時，它的鳴笛聲是尖銳的；但火車遠離而去時，鳴笛聲較低沉，這就是都卜勒效應。急駛而來的火車，鳴笛的波長被壓縮，以致頻率變得較高，稱作藍移；相反地，遠離的火車，鳴笛的波長被拉長，以致頻率變得較低，稱作紅移。科學家觀察一恆星的光譜，然後和其實際的光譜比較，就可經由其紅移計算出距離和年齡。

哈伯在1924年發現銀河系外的星系在逐漸遠離，也就是宇宙在膨脹中，距離越遠的星系遠離的速率越快。知道其他星系的距離及遠離的速率，也就是宇宙的膨脹速率或哈伯常數，科學家就可根據這些計算出宇宙的年齡是137億年。那麼宇宙在137億年前的容貌是何種形態呢？既然宇宙一直在膨脹中，137億年前必然收縮至一點，因此科學家的共識是宇宙的起源來自大霹靂，時間是零。當宇宙誕生時，時間也由這開始算起。

根據星系的距離及遠離的速率可以推估宇宙的年齡。（圖片來源：pixabay）

探索宇宙的發展過程就是時間的問題，霍金（Stephen Hawking）在《時間簡史》（A Brief History of Time）中有很多著墨。大霹靂發生時至5 × 10^-43秒之前，即所謂普郎克時間（Planck time）是一片茫然，而在10^-35秒之後的宇宙才開始膨脹，這時存在的是物理學家一直致力探索的夸克等基本粒子。在0.01～300秒之間開始有簡單的如氫、氦、鋰核子產生，38萬年後它們才結合成原子。直到10⁹年之後，星系才開始形成，演變至今，宇宙已經存在137億年了。

大霹靂產生了物質、能量、空間和時間，在那之前宇宙是不存在的，而時間在大霹靂之前也沒有意義。霍金直接了當地說：「既然在大霹靂之前沒有可觀察的事項，那不如把它剔除在理論之外，時間由大霹靂開始。」

天文學家已經估算出宇宙的年齡是137億年，那麼地球的年齡有多大呢？達爾文的演化論使科學家斷定，地球的年齡絕對不只數千年，因為物種的演變不會在這麼短的時間內完成。18世紀有人以火熱的泥球冷卻至室溫所需的時間，模擬地球由形成時白熾至冷凝的年齡是50萬年，當然誤差很大。到了19世紀，赫姆霍茲提出太陽的能量是因其物質內縮，而以熱量的形式把重力位能釋放出來。由此估計太陽的年齡是2至4千萬年，地球是太陽系的一個行星，年齡也大約在這個範圍，凱文更修正為約5億年。

直到20世紀放射性元素的發現，對地球的年齡才有一個精確的估算。最初環繞太陽的有來自超星爆炸的顆粒，它們含有放射性元素。這些顆粒逐漸凝結成行星、彗星、隕石等，形成了太陽系，地球是其中成員之一。這些伴隨而來的放射性元素包含鈾的同位素，鈾－235會衰變成鉛－207，半衰期是7.04億年，而鈾－238會衰變成鉛－206，半衰期是44.7億年。在含有鈾的礦石中，分析上述鈾和鉛的含量比率就可計算出該礦石形成的年齡。

地球形成的初期，熔岩逐漸冷卻成地殼，也產生了很多礦石。所幸有一種含鋯石的火山岩，可以把少許的鈾元素閉鎖在晶格缺陷中，使衰變的鈾和鉛成分不致受到外界的汙染而造成誤差，這樣算出的地球年齡是45億年。

時間涉及的層面極為廣泛，科學家較關切的是兩個問題：「何時發生」及「經歷了多久」，本文的重點放在物件年齡的測定。談到年齡，人們必然會聯想到考古、化石、地質等都以年計算。

另一個領域則更重視何時發生的問題，法醫判斷屍體是以時日計算。醫療上的時間往往須以分計算，如中風、心肌梗塞等，有些病變則是醫生和當事人很想知道它在人體中存在了多久，更殘酷的是還能存活多久。分子時鐘探討的是地球生物的起源，時間更是以百萬年計。上述的問題都牽涉到化學反應，容易受到不定環境的影響，往往很難精準地測定。

在經濟活動極為蓬勃的現今社會中，時間的經營是一個非常重要的議題，人們須估計一件工作花多少時間完成、何時必須完成，以及在適當的時間完成。這些就牽涉到一件事物或活動容許的時間，以及如何提升工作效率。科技的快速發展也改變了人們對時間的概念，書信已經式微，手機可以隨時隨地和人聯絡。透過網路的電子郵件及視訊，人們追求的是即時的感覺，科學家已不能只生存在研究的象牙塔裡。