李鑒 霍智慧

一年究竟有幾天

意識(shí)到“年”這個(gè)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(yán)寒再到酷暑的周期過(guò)程，也能很容易地從草木枯榮、動(dòng)物遷徙等周期性現(xiàn)象判斷出年的大致長(zhǎng)度。

但同一物候的出現(xiàn)間隔往往并不均勻，通過(guò)物候觀測(cè)需要數(shù)百年甚至上千年才有可能把一年的天數(shù)精確到365和366之間。真正要想數(shù)清楚一年有多少天，必須要上升到理論的高度，得意識(shí)到“四季變換實(shí)際上是太陽(yáng)的周期運(yùn)動(dòng)造成的”，并建立天體運(yùn)行的模型，然后對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行高精度的觀測(cè)。

最早認(rèn)識(shí)“年”的，當(dāng)屬古希臘和中國(guó)。我們的祖先早在黃帝時(shí)代就用原始的“刻畫記日”或“結(jié)繩記日”的方法測(cè)得一年有365天了。在堯帝時(shí)期，人們已經(jīng)能通過(guò)觀測(cè)恒星來(lái)確定四季，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(lái)測(cè)定正午時(shí)分桿子的影長(zhǎng)，也就是立竿測(cè)影，大大提高了測(cè)量精度。影長(zhǎng)最大的時(shí)刻為冬至，最小的時(shí)刻為夏至，從冬至（或春分、夏至）到下一個(gè)冬至（或春分、夏至）的時(shí)間間隔就是一年?，F(xiàn)在稱為“回歸年”，意為一年之后太陽(yáng)又回歸到了原來(lái)的位置。

24節(jié)氣示意圖（繪圖/張一潔）

到了戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，當(dāng)時(shí)使用的各種歷法已經(jīng)把年長(zhǎng)定為365.25天，也因而統(tǒng)稱為古“四分歷”（可以理解為四年之后能湊個(gè)整數(shù)）。此后人們不斷改進(jìn)測(cè)量的方法，提高測(cè)量精度。宋朝的楊忠輔測(cè)出年長(zhǎng)為365.2425日，這個(gè)精度與今天使用的公歷年長(zhǎng)度相同（與現(xiàn)在的測(cè)定值僅差26秒），而早于公歷380多年。明末的邢云路在蘭州建立六丈高表，測(cè)得回歸年為365.24190日，誤差僅為一年2.3秒。

明清時(shí)期的皇家天文臺(tái)——北京古觀象臺(tái)（圖片來(lái)源/北京古觀象臺(tái)）

古希臘的歷法中，一年的長(zhǎng)度先后被定為365.25天和365.263天。公元前二世紀(jì)前后，天文學(xué)家喜帕恰斯測(cè)出了更精確的年長(zhǎng)為365.2467天，但并未被采用。后來(lái)羅馬人征服了希臘，到公元45年時(shí)以365.25天為年長(zhǎng)，制定了儒略歷。儒略歷一直沿用1500多年，到1582年改進(jìn)為格里高利歷，也就是通行到現(xiàn)在的公歷。公歷通過(guò)設(shè)置閏年，使歷法的年長(zhǎng)盡可能接近回歸年。凡能被4整除年份的為閏年，但是世紀(jì)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，只有2000年是閏年，1900年和2100年都是平年。這樣一來(lái)，每400年就有97個(gè)閏年。于是公歷年的平均長(zhǎng)度為：（365×303+366×97）/400 = 365.2425天，和楊忠輔測(cè)得的結(jié)果相同。

現(xiàn)在天文學(xué)家測(cè)得回歸年的長(zhǎng)度為365.2422天?？梢?，公歷的平均年長(zhǎng)和回歸年的差別只有0.0003天/年，也就是說(shuō)使用公歷要經(jīng)過(guò)3300年才有1天的誤差，已經(jīng)相當(dāng)精確了。

“年”與“年”有別，千年始明確

歷史上一些古代文明，例如古埃及和美索不達(dá)米亞，通過(guò)恒星“偕日升”來(lái)測(cè)量一年的長(zhǎng)度，他們獲得的其實(shí)是恒星年。偕日升是指恒星在日出之前從東方升起，出現(xiàn)在晨曦的微光里，就好像和太陽(yáng)同步出現(xiàn)一樣。古埃及人發(fā)現(xiàn)當(dāng)天狼星偕日升之后不久，尼羅河就要發(fā)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(cè)出年長(zhǎng)是365天，后來(lái)又改進(jìn)為365.25天。限于當(dāng)時(shí)的測(cè)量精度，人們并沒(méi)有意識(shí)到回歸年和恒星年的差別。

在地球上觀測(cè)，太陽(yáng)在星空背景中運(yùn)行，依次經(jīng)過(guò)各個(gè)黃道星座。當(dāng)它從星空中的某個(gè)位置開始，再回到這個(gè)位置時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間是一個(gè)恒星年。所以恒星年就是地球的公轉(zhuǎn)周期

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

最早發(fā)現(xiàn)回歸年和恒星年不同的是古希臘的天文學(xué)家喜帕恰斯。他正確地指出這是由于春分點(diǎn)在黃道上逐漸向西退行的結(jié)果。大約600年后的東晉初年，中國(guó)天文學(xué)家虞喜也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。他把古代冬至日的太陽(yáng)觀測(cè)記錄和測(cè)得數(shù)據(jù)作比較，發(fā)現(xiàn)它“每歲漸差”，冬至?xí)r太陽(yáng)在星空背景中的位置已經(jīng)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(shù)語(yǔ)即由此而來(lái)。

地球既在自轉(zhuǎn)又在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，同時(shí)它的自轉(zhuǎn)軸也在繞著垂直于公轉(zhuǎn)平面的軸線（圖中的黃軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，就像一個(gè)搖擺著的陀螺（圖中太陽(yáng)、地球、月亮的大小未按實(shí)際比例）（繪圖/徐剛）

歲差大起底，地軸有進(jìn)動(dòng)

為什么會(huì)出現(xiàn)歲差？這是由于地球自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。由于地球在迅速地繞軸自轉(zhuǎn)，赤道上的轉(zhuǎn)速最大，使它的形狀不是一個(gè)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(zhuǎn)的軌道面（黃道）并不重合，存在著23.5°的夾角，叫作黃赤交角。太陽(yáng)、月亮都在黃道附近運(yùn)行，它們對(duì)地球產(chǎn)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?。┑内厔?shì)。但由于地球在快速自轉(zhuǎn)，它們的努力并沒(méi)有“得逞”。最終的結(jié)果就是“互相妥協(xié)”，讓黃赤交角還是基本穩(wěn)定在23.5°不變，但是地球自轉(zhuǎn)軸的指向卻在空間中緩慢地改變著方向。

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(guò)測(cè)量太陽(yáng)高度角的變化來(lái)衡量這個(gè)變化的周期——即一個(gè)回歸年

在地球和太陽(yáng)之外的遙遠(yuǎn)空間，恒星之間的相對(duì)位置變化極小，它們就好像鑲嵌在天上一樣，各個(gè)星座、星群組成了一個(gè)固定不變的“天球”，地球在里面繞軸自轉(zhuǎn)。今天的天球和幾千幾萬(wàn)年前基本沒(méi)什么區(qū)別，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(diǎn)上。但地軸正在繞著黃極畫出一個(gè)錐形，繞完一圈需要25800年。這個(gè)錐形和天球的交線是一個(gè)半徑為23.5°的圓，圓心就在黃極。

同時(shí)，地軸指向的改變使得天赤道沿著黃道轉(zhuǎn)圈。這兩個(gè)圓的交點(diǎn)，也就是春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)也隨之變化，每年沿著黃道向西移動(dòng)50角秒左右。一個(gè)恒星年中，地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)了360°，而一個(gè)回歸年中，地球圍著太陽(yáng)轉(zhuǎn)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(xiàn)象有著多方面的影響，除了導(dǎo)致回歸年和恒星年長(zhǎng)度不同以外，最顯著的是恒星坐標(biāo)的變化以及北極星的改變。

過(guò)去和未來(lái)的北極星，以及它最接近北天極的年代（繪制/徐剛）

中國(guó)古代獨(dú)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(dòng)。按照中國(guó)的星官，順著北天極行移的路徑尋找，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一串“霸氣”的星名，它們都曾經(jīng)是不同時(shí)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?cè)谝笊虝r(shí)代被奉為北極星。后來(lái)“帝”星成為北極星，一直延續(xù)到周代?，F(xiàn)在的北極星是勾陳二（小熊座α星），12000年以后，織女星離北天極只有約5°，將成為那時(shí)的北極星。到那時(shí)，全天第二顆亮星——老人星離南天極只有10°，全天最亮的恒星——天狼星離南天極只有25°，在長(zhǎng)江流域以北，它們將成為永不上升的天體。

歲差使得地球自轉(zhuǎn)軸的指向在空間中緩慢地改變著方向，它以黃極為圓心，黃赤交角為半徑畫出一個(gè)圓，每25800年轉(zhuǎn)一圈。歲差還會(huì)使四季星空發(fā)生“交替”。例如13000年以后，地軸方向改變47°，那時(shí)的四季星空將正好和現(xiàn)在相反，獵戶座出現(xiàn)在夏季，獅子座出現(xiàn)在秋季，而天蝎座、飛馬座等將成為冬季和春季星座。

無(wú)論是時(shí)間還是空間，它們都不能脫離彼此而獨(dú)立存在，廣義相對(duì)論進(jìn)一步指出物質(zhì)的存在會(huì)使得它附近的四維時(shí)空發(fā)生彎曲。這些理論給出了時(shí)間的變化特性，但并沒(méi)有解釋它的起點(diǎn)與終點(diǎn)。直到現(xiàn)在，人們對(duì)時(shí)間的本質(zhì)，仍在不斷探索中。

知識(shí)鏈接

農(nóng)歷二月二為何叫龍?zhí)ь^

對(duì)比古書記載可以發(fā)現(xiàn)，幾千年來(lái)，同一天體的升落時(shí)間，也已古今有別。例如許多書上引用《鹖冠子·環(huán)流》：“斗柄東指，天下皆春。斗柄南指，天下皆夏。斗柄西指，天下皆秋。斗柄北指，天下皆冬，意思是傍晚時(shí)分向北觀察北斗七星，當(dāng)斗柄指向東方時(shí)，此時(shí)的季節(jié)是春天……”。實(shí)際上《鹖冠子》成書于先秦時(shí)期，描述的是兩千多年前傍晚時(shí)的天象。由于歲差的影響，今天要想看到類似現(xiàn)象，需要等到晚上9～11點(diǎn)而不是傍晚時(shí)分了。還有俗諺“二月二，龍?zhí)ь^”，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(shí)整個(gè)蒼龍的身子還隱沒(méi)在地平線以下，只是龍角上的角宿一初露，故稱龍?zhí)ь^。但是因?yàn)闅q差的影響，龍?zhí)ь^的時(shí)間，古今所見已有了將近一個(gè)月的時(shí)間差?，F(xiàn)在要想在黃昏時(shí)看到龍?zhí)ь^，需要等到4月中旬左右，大致為農(nóng)歷二月底到三月初。如果想在農(nóng)歷二月二（大致對(duì)應(yīng)公歷的2月下旬到3月中上旬）看到龍?zhí)ь^，則需要等到晚上9點(diǎn)鐘以后而不是黃昏時(shí)節(jié)了。黃昏時(shí)能見到“二月二，龍?zhí)ь^”的年代應(yīng)為公元前500年至公元元年左右，大致為春秋末年到西漢時(shí)期。