撰文 / 李鑒（北京天文館），霍智慧（天津市薊州區第一中學）

本文來自《知識就是力量》雜志

時間是什麼？它看不見、聽不到也摸不着，卻能被人們通過各種現象感知。《論語》裡說：“子在川上曰：‘逝者如斯夫，不舍晝夜。’”孔子看見河水流過、一去不返，于是感慨時間的流逝，永不停留。這反映了宏觀世界生活的人們對時間的最直觀印象，也是牛頓力學的時間觀：時間是獨立于空間存在的，是線性、均勻流逝的。古人們通過對日、月、星辰的觀測，于是有了直觀的日、月、年的概念。又把時間、日期加以編排，編制曆法。接下來就讓我們走近大家最熟悉的“年”。‍

一年究竟有幾天

意識到“年”這個周期的存在并不困難。人們能很容易地感受到氣溫從酷暑到嚴寒再到酷暑的周期過程，也能很容易地從草木枯榮、動物遷徙等周期性現象判斷出年的大緻長度。

但同一物候的出現間隔往往并不均勻，通過物候觀測需要數百年甚至上千年才有可能把一年的天數精确到365和366之間。真正要想數清楚一年有多少天，必須要上升到理論的高度，得意識到“四季變換實際上是太陽的周期運動造成的”，并建立天體運行的模型，然後對太陽運動進行高精度的觀測。

最早認識“年”的，當屬古希臘和中國。我們的祖先早在黃帝時代就用原始的“刻畫記日”或“結繩記日”的方法測得一年有365天了。在堯帝時期，人們已經能通過觀測恒星來确定四季，并且有了春分、夏至、秋分、冬至的概念。到了商朝，人們用圭表來測定正午時分杆子的影長，也就是立竿測影，大大提高了測量精度。影長最大的時刻為冬至，最小的時刻為夏至，從冬至（或春分、夏至）到下一個冬至（或春分、夏至）的時間間隔就是一年。現在稱為“回歸年”，意為一年之後太陽又回歸到了原來的位置。

24節氣示意圖（繪圖/張一潔）

到了戰國時期，當時使用的各種曆法已經把年長定為365.25天，也因而統稱為古“四分曆”（可以理解為四年之後能湊個整數）。此後人們不斷改進測量的方法，提高測量精度。宋朝的楊忠輔測出年長為365.2425日，這個精度與今天使用的公曆年長度相同（與現在的測定值僅差26秒），而早于公曆380多年。明末的邢雲路在蘭州建立六丈高表，測得回歸年為365.24190日，誤差僅為一年2.3秒。

明清時期的皇家天文台——北京古觀象台（圖片來源/北京古觀象台）

古希臘的曆法中，一年的長度先後被定為365.25天和365.263天。公元前二世紀前後，天文學家喜帕恰斯測出了更精确的年長為365.2467天，但并未被采用。後來羅馬人征服了希臘，到公元45年時以365.25天為年長，制定了儒略曆。儒略曆一直沿用1500多年，到1582年改進為格裡高利曆，也就是通行到現在的公曆。公曆通過設置閏年，使曆法的年長盡可能接近回歸年。凡能被4整除年份的為閏年，但是世紀年（能被100整除的年份）還必須能被400整除才算閏年。如1900、2000、2100年中，隻有2000年是閏年，1900年和2100年都是平年。這樣一來，每400年就有97個閏年。于是公曆年的平均長度為：（365×303 366×97）/400 = 365.2425天，和楊忠輔測得的結果相同。

現在天文學家測得回歸年的長度為365.2422天。可見，公曆的平均年長和回歸年的差别隻有0.0003天/年，也就是說使用公曆要經過3300年才有1天的誤差，已經相當精确了。

“年”與“年”有别，千年始明确

曆史上一些古代文明，例如古埃及和美索不達米亞，通過恒星“偕日升”來測量一年的長度，他們獲得的其實是恒星年。偕日升是指恒星在日出之前從東方升起，出現在晨曦的微光裡，就好像和太陽同步出現一樣。古埃及人發現當天狼星偕日升之後不久，尼羅河就要發大水了，于是把這一天定為一年的開始。大約在公元前2500年，埃及人測出年長是365天，後來又改進為365.25天。限于當時的測量精度，人們并沒有意識到回歸年和恒星年的差别。

事實上，回歸年是四季變化的周期，但并不是地球的公轉周期。恒星年才是地球的公轉周期，它比回歸年長20分24.5秒。

在地球上觀測，太陽在星空背景中運行，依次經過各個黃道星座。當他從星空中某個位置開始，再回到這個位置時，所經曆的時間是一個恒星年。所以恒星年就是地球的公轉周期

最早發現回歸年和恒星年不同的是古希臘的天文學家喜帕恰斯。他正确地指出這是由于春分點在黃道上逐漸向西退行的結果。大約600年後的東晉初年，中國天文學家虞喜也發現了這一現象。他把古代冬至日的太陽觀測記錄和測得數據作比較，發現它“每歲漸差”，冬至時太陽在星空背景中的位置已經比兩千多年前偏西了不少，大約每50年就西退一度，歲差這一術語即由此而來。

歲差大起底，地軸有進動

為什麼會出現歲差？這是由于地球自轉軸的運動導緻的。由于地球在迅速地繞軸自轉，赤道上的轉速最大，使它的形狀不是一個正球形，而是兩極稍扁、赤道略鼓的近似橢球形，赤道半徑要比兩極半徑大21千米左右。另外，地球的赤道面與地球公轉的軌道面（黃道）并不重合，存在着23.5°的夾角，叫作黃赤交角。太陽、月亮都在黃道附近運行，它們對地球産生的引力，就有把地球隆起的赤道部分拽向黃道面（從而使黃赤交角變小）的趨勢。但由于地球在快速自轉，它們的努力并沒有“得逞”。最終的結果就是“互相妥協”，讓黃赤交角還是基本穩定在23.5°不變，但是地球自轉軸的指向卻在空間中緩慢地改變着方向。

在地球和太陽之外的遙遠空間，恒星之間的相對位置變化極小，它們就好像鑲嵌在天上一樣，各個星座、星群組成了一個固定不變的“天球”，地球在裡面繞軸自轉。今天的天球和幾千幾萬年前基本沒什麼區别，而且黃極的位置在天球上也幾乎是固定的，一直都在天龍座的某一點上。但地軸正在繞着黃極畫出一個錐形，繞完一圈需要25800年。這個錐形和天球的交線是一個半徑為23.5°的圓，圓心就在黃極。

地球既在自轉又在繞太陽公轉，同時它的自轉軸也在繞着垂直于公轉平面的軸線（圖中的黃軸）轉動，就像一個搖擺着的陀螺（圖中太陽、地球、月亮的大小未按實際比例）（繪圖/徐剛）

同時，地軸指向的改變使得天赤道沿着黃道轉圈。這兩個圓的交點，也就是春分點和秋分點也随之變化，每年沿着黃道向西移動50角秒左右。一個恒星年中，地球繞着太陽轉了360°，而一個回歸年中，地球圍着太陽轉了359°59'10''。所以回歸年就比恒星年短了20分鐘。

北極輪流坐，星空也亦然

歲差現象有着多方面的影響，除了導緻回歸年和恒星年長度不同以外，最顯著的是恒星坐标的變化以及北極星的改變。

黃赤交角的存在使得地球有了四季變化，并讓人們可以通過測量太陽高度角的變化來衡量這個變化的周期——即一個回歸年

中國古代獨特的星象體系，在幾千年的流傳和演變中也記錄了北極星的變動。按照中國的星官，順着北天極行移的路徑尋找，我們會發現一串“霸氣”的星名，它們都曾經是不同時代的北極星。例如紫微右垣的右樞星旁有兩顆暗星，一顆叫作“天乙”，也稱“天一”；另一顆為“太乙”，也叫“太一”。它們在殷商時代被奉為北極星。後來“帝”星成為北極星，一直延續到周代。現在的北極星是勾陳二（小熊座α星），12000年以後，織女星離北天極隻有約5°，将成為那時的北極星。到那時，全天第二顆亮星——老人星離南天極隻有10°，全天最亮的恒星——天狼星離南天極隻有25°，在長江流域以北，它們将成為永不上升的天體。

歲差使得地球自轉軸的指向在空間中緩慢地改變着方向，它以黃極為圓心，黃赤交角為半徑畫出一個圓，每25800年轉一圈。歲差還會使四季星空發生“交替”。例如13000年以後，地軸方向改變47°，那時的四季星空将正好和現在相反，獵戶座出現在夏季，獅子座出現在秋季，而天蠍座、飛馬座等将成為冬季和春季星座。

過去和未來的北極星，以及它最接近北天極的年代（繪制/徐剛）

無論是時間還是空間，它們都不能脫離彼此而獨立存在，廣義相對論進一步指出物質的存在會使得它附近的四維時空發生彎曲。這些理論給出了時間的變化特性，但并沒有解釋它的起點與終點。直到現在，人們對時間的本質，仍在不斷探索中。

知識鍊接

農曆二月二為何叫龍擡頭

對比古書記載可以發現，幾千年來，同一天體的升落時間，也已古今有别。例如許多書上引用《鹖冠子·環流》：“鬥柄東指，天下皆春。鬥柄南指，天下皆夏。鬥柄西指，天下皆秋。鬥柄北指，天下皆冬，意思是傍晚時分向北觀察北鬥七星，當鬥柄指向東方時，此時的季節是春天……”。實際上《鹖冠子》成書于先秦時期，描述的是兩千多年前傍晚時的天象。由于歲差的影響，今天要想看到類似現象，需要等到晚上9-11點而不是傍晚時分了。還有俗諺“二月二，龍擡頭”，指東方蒼龍七宿（角、亢、氐、房、心、尾、箕）中的角宿在冬春之交的黃昏從地平線升起，這時整個蒼龍的身子還隐沒在地平線以下，隻是龍角上的角宿一初露，故稱龍擡頭。但是因為歲差的影響，龍擡頭的時間，古今所見已有了将近一個月的時間差。現在要想在黃昏時看到龍擡頭，需要等到4月中旬左右，大緻為農曆二月底到三月初。如果想在農曆二月二（大緻對應公曆的2月下旬到3月中上旬）看到龍擡頭，則需要等到晚上9點鐘以後而不是黃昏時節了。黃昏時能見到“二月二，龍擡頭”的年代應為公元前500年至公元元年左右，大緻為春秋末年到西漢時期。‍

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