李鑒 霍智慧

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(xiàn)象判斷出年的大致長度。

但同一物候的出現(xiàn)間隔往往并不均勻，通過物候觀測需要數(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，然后對太陽運動進行高精度的觀測。

最早認識“年”的，當(dāng)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(jié)繩記日”的方法測得一年有365天了。在堯帝時期，人們已經(jīng)能通過觀測恒星來確定四季，并且有了春分、夏至、秋分、冬至的概念。到了商朝，人們用圭表來測定正午時分桿子的影長，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?，F(xiàn)在稱為“回歸年”，意為一年之后太陽又回歸到了原來的位置。

24節(jié)氣示意圖（繪圖/張一潔）

到了戰(zhàn)國時期，當(dāng)時使用的各種歷法已經(jīng)把年長定為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整數(shù)）。此后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歷年長度相同（與現(xiàn)在的測定值僅差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臺——北京古觀象臺（圖片來源/北京古觀象臺）

古希臘的歷法中，一年的長度先后被定為365.25天和365.263天。公元前二世紀(jì)前后，天文學(xué)家喜帕恰斯測出了更精確的年長為365.2467天，但并未被采用。后來羅馬人征服了希臘，到公元45年時以365.25天為年長，制定了儒略歷。儒略歷一直沿用1500多年，到1582年改進為格里高利歷，也就是通行到現(xiàn)在的公歷。公歷通過設(shè)置閏年，使歷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(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，每400年就有97個閏年。于是公歷年的平均長度為：（365×303+366×97）/400 = 365.2425天，和楊忠輔測得的結(jié)果相同。

現(xiàn)在天文學(xué)家測得回歸年的長度為365.2422天?？梢姡珰v的平均年長和回歸年的差別只有0.0003天/年，也就是說使用公歷要經(jīng)過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(xiàn)在晨曦的微光里，就好像和太陽同步出現(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，埃及人測出年長是365天，后來又改進為365.25天。限于當(dāng)時的測量精度，人們并沒有意識到回歸年和恒星年的差別。

在地球上觀測，太陽在星空背景中運行，依次經(jīng)過各個黃道星座。當(dāng)它從星空中的某個位置開始，再回到這個位置時，所經(jīng)歷的時間是一個恒星年。所以恒星年就是地球的公轉(zhuǎn)周期

事實上，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觀測記錄和測得數(shù)據(jù)作比較，發(fā)現(xiàn)它“每歲漸差”，冬至?xí)r太陽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)語即由此而來。

地球既在自轉(zhuǎn)又在繞太陽公轉(zhuǎn)，同時它的自轉(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，就像一個搖擺著的陀螺（圖中太陽、地球、月亮的大小未按實際比例）（繪圖/徐剛）

歲差大起底，地軸有進動

為什么會出現(xiàn)歲差？這是由于地球自轉(zhuǎn)軸的運動導(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、月亮都在黃道附近運行，它們對地球產(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?。┑内厔荨５捎诘厍蛟诳焖僮赞D(zhuǎn)，它們的努力并沒有“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

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”，地球在里面繞軸自轉(zhuǎn)。今天的天球和幾千幾萬年前基本沒什么區(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上。但地軸正在繞著黃極畫出一個錐形，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。

同時，地軸指向的改變使得天赤道沿著黃道轉(zhuǎn)圈。這兩個圓的交點，也就是春分點和秋分點也隨之變化，每年沿著黃道向西移動50角秒左右。一個恒星年中，地球繞著太陽轉(zhuǎn)了360°，而一個回歸年中，地球圍著太陽轉(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。

過去和未來的北極星，以及它最接近北天極的年代（繪制/徐剛）

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，順著北天極行移的路徑尋找，我們會發(fā)現(xiàn)一串“霸氣”的星名，它們都曾經(jīng)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。后來“帝”星成為北極星，一直延續(xù)到周代。現(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°，將成為那時的北極星。到那時，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圓，每25800年轉(zhuǎn)一圈。歲差還會使四季星空發(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(zhì)的存在會使得它附近的四維時空發(fā)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(xiàn)在，人們對時間的本質(zhì)，仍在不斷探索中。

知識鏈接

農(nóng)歷二月二為何叫龍?zhí)ь^

對比古書記載可以發(fā)現(xiàn)，幾千年來，同一天體的升落時間，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，意思是傍晚時分向北觀察北斗七星，當(dāng)斗柄指向東方時，此時的季節(jié)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(xiàn)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?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，這時整個蒼龍的身子還隱沒在地平線以下，只是龍角上的角宿一初露，故稱龍?zhí)ь^。但是因為歲差的影響，龍?zhí)ь^的時間，古今所見已有了將近一個月的時間差?，F(xiàn)在要想在黃昏時看到龍?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點鐘以后而不是黃昏時節(jié)了。黃昏時能見到“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期。