郭紅鋒

北斗七星（如圖1），因其形狀像古代量器“斗”而得名。其中，天樞、天璇、天璣、天權組成的四邊形為斗身，玉衡、開陽、瑤光組成的彎形為斗柄。

圖1

這七顆星在北方天空一年四季都是可見的。古人發(fā)現(xiàn)北斗七星整體在圍繞北極點轉圈，因其離北極很近，所以還沒轉到地平線下就又升起來了，因此無論什么季節(jié)都是整夜可見的（如圖2）。

圖2

遠古的人們還把北斗七星當做天空大鐘表的指針。例如，古人發(fā)現(xiàn)北斗七星每晝夜可轉一周，于是就利用北斗斗柄的指向來估計時間（如圖3）。斗柄每轉過一個角度，代表過去了多少時辰，有經(jīng)驗的長者或經(jīng)常觀星的人一般可以根據(jù)斗柄的指向估算出大致的時辰（斗柄一晝夜轉一周，只要把一周的角度均分，就可以從斗柄轉過的角度估計出逝去的時間了）。

圖3

圖4

但是用北斗做時鐘還需要在不同的季節(jié)校準起點，例如夏季天黑后看到斗柄指南，需要從這個指南的起點開始計時；而到了冬季，天黑后看到斗柄指北，那么計時就得從這個指北的起點開始。

同學們發(fā)現(xiàn)問題了嗎？北斗的指向在不同季節(jié)的同一時間段（例如都是天黑以后，或者都是在午夜），其指向是不同的。這就使得古人又可以利用北斗斗柄的指向確定季節(jié)（見圖4）。

古人為此還總結了一段諺語，流傳民間：

斗柄指東，

天下皆春；

斗柄指南，

天下皆夏；

斗柄指西，

天下皆秋；

斗柄指北，

天下皆冬。

注意，這個諺語說的是天黑以后幾小時內觀看到的北斗的指向（因為北斗在不停地轉動，過一段時間，例如在午夜，其指向就不是諺語說的方向了）。

關于這個諺語，有兩個問題需要討論。

第一，為什么斗柄指向有季節(jié)性的變化？

這是一個恒星時間與太陽時間的問題（見圖5）。

假如我們從在地球上某時刻（位置1）面對太陽的同時也面對一顆恒星開始計時，當?shù)厍蜃赞D（加公轉）經(jīng)位置2 到達位置3 時，又面對同一顆恒星了（恒星非常遙遠，地球一天的位移不影響恒星的方向）。此時地球相對恒星自轉一周（稱為一個恒星日），但地球相對太陽自轉還不夠一周（一個太陽日），地球要繼續(xù)運動到位置4 才完成一個太陽日。所以，恒星日比太陽日短。

圖5

有天文背景的同學都知道，我們平日里使用的時間是根據(jù)太陽的出沒周期，即一個太陽日（24 小時），但恒星出沒周期是一個恒星日（約23 小時56 分鐘）。也就是說，因為記錄使用太陽時，而恒星視運動遵循恒星時，所以全天的恒星（包括北斗星），其旋轉周期都比我們使用的太陽時間每天約快4 分鐘，或者說恒星在一個太陽日里實際上轉了一周多一點（大約每天多1 度），積累一個季度就多轉了大約90 度。這就是北斗斗柄指向季節(jié)性變化的原因。