他们两个会说地球一年绕太阳转一圈吗？——也谈岁差

这次我想问:地球一年绕太阳一周吗？

相信大家这次都会小心，生怕一不小心掉进我挖的坑里。但估计很多人会说:地球绕太阳一圈不是一年吗？

那么，我们先来搞清楚这里的“一年”是什么概念。

当然，这里说的年不应该是公历年，因为有平年和闰年，平年365天，闰年366天。

事实上，就像“天”有太阳日和恒星日一样，“年”也有恒星年和太阳年。

一个恒星年是地球以恒星为参照物，在公转轨道上绕太阳公转一周的时间。所以，一个恒星年后，地球确实绕着太阳转。目前一个恒星年等于365.25636个太阳日或365上6: 09的10秒。

太阳年又称回归年，以太阳为参照物，是太阳两次经过黄道上某一点的时间间隔，通常是两个春分点(春分点和秋分点)之一或两个极值点(夏季至日和冬季至日)之一。之所以称之为回归年，是因为这些特定的点与太阳的回归特性有关。其中以春分为基准的回归线年份，也叫春分回归线年份，应用最为广泛。

我们已经说过，黄道是我们在地球上观测太阳时，太阳在天球上运行一年的路径。或者用现代的术语来说，黄道就是地球绕太阳运行的轨道平面在天球上的投影。春分是天球上黄道面和赤道面相交的两个交点之一。如下图所示:

说到这里，你可能会想，在这种情况下，太阳连续两次经过春分点等某一点的时间间隔，也就是一个回归年，不应该和恒星年一样长吗？然而事实是，回归年的长短每年略有不同，也与选取的具体点有关(如春分或其他点)。一个回归年(热带年)平均只有365.38+09个太阳日，即365天5小时48分45秒。两者相比，平阳年(北回归线年)比恒星年短20分24秒！

那么，为什么会出现这样的偏差呢？原因是一个回归年被定义为太阳两次通过黄道上某一点如春分点的时间间隔。你可能想不到的是，当太阳离开黄道上的春分点，逆时针向东移动时，春分点正悄悄地向相反的方向移动，也就是顺时针向西。当太阳在黄道(回归年)上再次经过春分点时，春分点已经向西移动了约50.266秒。此时太阳在黄道上的运动实际上不到一周，距离一周(360)约50.266秒。如果选定的特定点是其他点(秋分、夏季至日和冬季至日)，情况也是如此。(注:从太阳在黄道上的位置与春分的关系来看，在一个回归年，太阳离开春分仍然是一周，360度，但这一周部分是由春分自己的运动完成的。所以也可以定义太阳在黄道上360度离开春分点为回归年。只是要注意，这里的“离开春分360°并不代表太阳在黄道上走了360°。)

因为太阳在黄道上的运动实际上是地球绕太阳公转的结果，所以我们说地球一个回归年绕太阳公转不到一周，这与一周(360)相差50.266秒。地球完成一周需要20分24秒。

对了，国内某科普网站在介绍回归年的时候说“地球从春分到春分逆时针旋转360”。这显然是不正确的。

春分点和其他春分点、至日点的西移，在中文里叫岁差。春分点的西移也可称为春分岁差。岁差导致地球在回归年不到一周的时间内绕地球一周，所以回归年比恒星年短。

有人可能会问，既然春分总是在动，为什么还要用回归线的年份呢？因为回归年对人类活动太重要了。事实上，北回归线是人类最早了解的年份。

人类对时间的认识是从对一些自然现象的观察开始的。例如，日出日落周期是一天，新月(满月)周期是一个月，春夏秋冬周期是一年，以此类推。这些与时间有关的自然现象可以称为自然时钟。回归年是以自然时钟为刻度的年份。在古代中国，冬季至日是一年的开始，因为这一天是最短的一天。在西方古代文明中，春天是一年的开始，那一天和白天黑夜一样长。自然时钟定义的年份与人类的生活相一致，尤其是农业生产活动。中国二十四节气的一个周期是一个回归年。所以，回归年，也就是太阳年，是制定各种阳历(包括现在的阳历)、阴阳历的基础，也就是我们常说的年。恒星年只用于天文学。

在这一点上，我们可以说地球一年绕太阳一周最多对了一半。对于我们的日常生活来说，地球一年绕太阳转不到一周(回归年)！

我们在介绍黄道的时候说过，春分是黄道坐标系经度的零点。春分西移意味着黄道坐标系的零子午线西移，因此黄道坐标系所代表的恒星位置会随时间缓慢变化。这就是岁差被发现的原因。

人类对日月星辰的观测由来已久，春分或黄道坐标系的位移在古代文明中就有记载。目前公认最早有记录的发现是公元前二世纪古希腊天文学家、数学家希帕克。希帕查斯在编制包含1022颗恒星的星表时，将他测得的恒星位置与150多年前的进行了比较，发现恒星的经度发生了显著变化，但黄纬并不明显。其中，角口(处女座最亮的星)相对于秋分点移动了2度。他还比较了回归年和恒星年的长度，发现回归年比恒星年略短。希帕查斯认为这是春分沿黄道后退造成的，并计算出春分每100年西移不少于1。

于是中国最早提出东晋岁差的天文学家。他研究了历史上冬季至日的观测结果，并对比了自己的野外观测，发现冬季至日每50年向西移动一次。对此，于大胆提出了“岁即岁，天即天”(也称星宿东行，节气西退)的结论。注意到在冬季至日测得的回归年在中国传统历法中称为“一年”，所以于的结论是对回归年和恒星年区别的认识。汉语中的“岁差”来源于宋《夏》中记载的“冬在何处，年与年略有不同”，意思是每年冬季的位置略有不同。

写到这里，笔者不禁被古代科学家的能力和精神所折服。试想，在他们那个时代，观察和记录时间的仪器非常有限和简单，怎么可能用肉眼检测出一两度的差异？那需要多么细致入微啊！同时，我也为Hipachas感到难过。如果他能从150算出每75年运动一次，那就很接近现在的结果了(71.6年)！不幸的是，希帕查斯的所有文献，包括他在岁差方面的工作，都已经丢失了，所以无从查考。几百年后托勒密(地心说的提出者)继续他的岁差计算时提到了他的贡献。

人们很自然的会问，春分为什么会西移？如前所述，春分的存在是因为地球自转轴与黄道极轴有23.4°的倾角。这个倾角决定了黄道面与赤道面的夹角，黄赤面交线在天球上的两个投影(交点)之一就是春分点。

因为旋转体的陀螺原理，地球在空间的自转轴方向在公转轨道上基本不变。但是，如果地球在空间的自转轴方向在公转轨道上是绝对不变的，黄道面和赤道面也是不变的，那么春分就不会有位移。实际上，地球的自转轴除了与黄道极轴成23.4°的倾角外，还围绕黄道极缓慢顺时针旋转，如下图所示。

地球自转轴的这种缓慢转动，叫做地轴进动。岁差时，地轴与黄道的夹角基本不变，但地轴在黄道坐标系中的经度向西移动。于是，天球赤道面与黄道面的交点在黄道面上向西旋转，春分作为这个交点在天球上的投影也向西移动。如下图所示。

图中黑色虚线开头是地轴，红点开头是春分。地球绕地轴逆时针(自西向东)旋转，地轴绕黄极顺时针(自东向西)旋转(岁差)。一个回归年后，地轴进动到紫色直线的位置，黄道面和赤道面的交点旋转到紫色直线的位置，春分点相应移动到紫色点的位置(注意:图中两点的距离被夸大，实际只有50秒)。

所以，岁差在英语里就是岁差。春分岁差也叫春分岁差。地轴岁差很好地解释了希帕查斯发现黄道坐标位移时“恒星黄道变化显著，黄纬变化不明显”。

需要指出的是，这里的“岁差”一词是天文学从物理学中借用来的，指的是地轴绕黄极缓慢旋转，与陀螺旋转时的岁差非常相似。但陀螺的进动方向与自转方向相同，而地轴的进动方向与自转方向相反。因此，不能简单地用陀螺的岁差理论来解释地轴的岁差。现在认为，地轴进动的主要原因是太阳和月球的引力(潮汐)作用在质量分布不均匀的地球上。言下之意，如果没有太阳和月亮的引力(潮汐)作用，或者地球是一个质量均匀的完美球体，就不会有地轴的进动。

我们可以看到，地轴的岁差导致了春分点(以及其他春分点)的岁差。整个二十四节气也岁差，有岁差，这就是所谓的节气西退。岁差的大小就是地轴的岁差率，即每年50.266弧秒。照此计算，每71.6年就是1，25783年(往往是26000年左右)就是一个整圈(360)！

为了理解岁差的影响，让我们看看地球轨道上的两个春分点和两个至日点的位置:

我们可以看到，地球到达北半球冬季至日(蓝圈)的位置与地球到达近日点(红圈)的位置相距十三天，相当于从近日点向西约13。由此可以推算出，900多年前北半球的冬季至日接近近日点。还可以预测，如果地球自转轴的岁差率不变，那么12000多年后，北半球的冬季至日将移动到地球的远日点(绿圈位置)附近。当然，这一天离我们还很遥远。想象一下，我们人类有文字记载的历史不到一万年。

地球自转是不均匀的，所以要用一个平太阳日来描述，地球公转也是不均匀的，所以要用一个平回归年来描述。同样，地球的自转轴也不是固定的，它有岁差和轻微章动(后面会讲到)。地轴的岁差造成了二十四节气的岁差，包括春分至秋分，也造成了回归年比恒星年短。地球和整个宇宙总是在变化的。变是永恒的，不变是暂时的、相对的。无论何时、何地、何种情况下，都要以积极的心态去承认和接受变化，尽快理解和适应新的变化。