第四章 地球的第四种运动——岁差

孩子用肥皂水吹成的彩色气泡,在阳光照耀的空气里飘荡着;地球被宇宙间的力量控制着,在太空里旋转运动,也和这气泡一样活动。我们已讲过地球绕着太阳周年运行的速度和绕轴每日一周的自转所产生的效果,以及地球因月亮的存在而产生的位移。地球所有的运动不仅仅是这三种,现在我们来讨论它的第四种运动,这是由于月亮和太阳对于地球的吸引作用而引起的。

我们说过,地球自转轴指向天空的一点(极点),在一年里常是指向那相同的一点。但是,地轴并不是绝对固定的,它缓缓地在移动,在长时期里描出顶角为47°的一个圆锥。这第四种运动正像陀螺绕着自己的轴旋转而它的轴在空间可以描画出一个圆锥(图60) 。天极既然是地轴延长和天穹相交的一点,可见,这一点在众星之间也有长期的移动。没有一颗星会永远拥有北极星的称号。现在是小熊座尾端的一颗星和极点最接近,所以得到这个特殊的称号,它距极点还不到1°,而且还在向极点接近,到了2 100 年,这个距离只有28′。以后极点就渐渐离开它,一直要到26 000 年以后才再回来。这种岁差运动的周期实际是25 780 年,它在长时期里逐渐减少下去。另外,黄极(黄道的极)是天极运动的中心,它在天上也不是不动的,因地球受到别的行星的摄动的影响,黄道平面也在很缓慢地摆动着。真的,在我们的宇宙里,没有什么是固定的,没有什么给我们以绝对静止的概念! 因为这种极其缓慢的运动,天极所绘成的曲线稍微和正圆有些差异,在258个世纪以后,这条曲线并不闭合。还有第五种运动加在这种运动上面。地球的自转轴在258个世纪中所经历的一周期里,月亮的作用使得这个轴另有一些小幅度的摆动,附加在上面所说的近似的正圆上。由于这一运动,极在天球上就描绘了一个椭圆,18年零7个月经过一周。这个椭圆的长轴指着黄极,长不过18秒,短轴仅14秒〔这等于我们看放在1000米以外的一只大柠檬所张开的视角〕。这种运动是1737年英国天文学家布拉德雷( Bradley)所发现的,叫作章动。图61上所绘的那个圆周代表极点所行的路径,可是极点并不完全在那个圆周的上面,因为章动使得它在圆周内外有一些摆动。所以在岁差的长期运动上又加了一些波动式的摇摆,这更是极点不能再回复到它的出发点的一个缘故。

图61上仅绘了一个圆周,而省略了细微复杂的变化。这足以向我们表明,公元前2600年最接近极点的星,换句话说,即那时的北极星,是天龙座α星,星等为3. 6〔古代人把肉眼看得见的星按亮度分为6等。星等仅表示星的视亮度,并不表示星的大小;视亮度和星的真亮度及距离是有关系的。最亮的星,它们的星等可能是0或1。比较暗的星依次是2、3……等星。肉眼所能看见的最暗的星是6等。利用望远镜,再加以拍照,我们可以观测到23等的星。本书后面还要讨论到星等这个问题〕。这颗星在中国和埃及历史上都很著名。中国天文学家在关于公元前2700年的轩辕黄帝的典籍上曾经记载了这一颗星〔天龙座α星即紫微垣右枢星。——译者注〕;古埃及人在50世纪前利用他们的科学知识修建了金字塔,后人打开隧道进入塔内,从那里观望北天极,仰角是27°,这正是吉萨( Gizeh)〔吉萨是埃及首都开罗附近的小城,大金字塔和狮身人面像就建在那里。——译者注〕的纬度,也是那时北极星天龙座α星在下中天时所应有的高度。以后北天极从小熊座β星和天龙座χ星中间经过,这是公元前1200年古希腊神话中的英雄乘天舟去取金羊毛的时期;再以后天极便逐渐接近小熊座的尾梢,如果金字塔的隧道今天还没有闭塞,我们在那里所看见的应当是小熊座α星。

图62是北极附近大比例尺度的星图,它是1902年由弗拉马里翁天文台所绘的。图上的星至照相星等12等。我们很容易在图的左面认出小熊座α星。图上描绘了自1600年至2200年极点的运动,因章动的缘故,极点的行径本应是一条波形的曲线,但是按照我们图上所用的比例尺,这曲线的波幅不过是十分之几毫米,很难表现在图上。 1930年前后,北天极很接近一颗11等星,在那几年里,它真可算是最近北天极的星了。但是,现在的北天极正以每年20秒的速率离开这颗星而去。

在公元开始的时期,没有亮星接近北天极。公元800年,北天极很接近鹿豹座的一颗小双星。现在这颗亮度为2等星的北极星,是北极在它的行径上所遇见的最亮的星,1 000年以来它便享有盛名,并且还将保留到公元3500年,那时北天极便将渐渐接近一颗3等星,即仙王座的γ星了。公元6000年,北天极将在这个星座里的两颗3等星β星和ι星当中经过;公元7400年,它将和1等明星天鹅座α星接近;公元13600年,它将和北天耀眼的明星——天琴座里的织女星靠拢。至少在3 000 年内,这颗星将是我们后代人的北极星,正如在1. 4万年前,它曾是冰川时期我们祖先的北极星一样。

在这漫长的时期,天球的面貌随北天极的移动而改变,各地方所见的天象亦随时代而不同了。例如,几千年前,欧洲可以看见南十字等星,而几千年后,耀眼的天狼星将在欧洲的天穹上消逝。经历258个世纪的周期,全部的变化才能循环一次。

图63和图64表示巴黎纬度上的拱极星的星图,那就是我们现在看见的恒星。 1. 3万年后还能看到的和1. 3万年前曾经看到的是相同的星。在图63上,我们看到,左边的一个圈代表天穹的一个顶盖部分,这个圈内的星,对于与巴黎的纬度相同的地方来说,它们绝不落下(和图56比较一下) 。至于右边的另外一个圆圈,它里面的星在1. 3万年前也绝不落下,再经过同样长的时期,这样的情景又将重复出现。那时,织女星又将是北极星,河鼓二(即牛郎亦作牵牛)和天津四(即天鹅座α星)又将出现在地平线上,而仙后座的恒星和大熊座内大部分的恒星,每天都有一起一落。

详细研究图64又可以发现一些有趣的现象:天狼星(即大犬座α) 、参宿七(即猎户座β)和猎户带上的三星,在巴黎的天穹上都将消逝,参宿四(即猎户座α)须经过一段时期才能出现。但是人们却可以看见南十字、半人马、孔雀、杜鹃、凤凰这几个星座;那时天蝎座将是巴黎天穹上最美的星座。天穹的变化循环是何等的伟大而又何等的缓慢啊! 在这漫长的一个周期里,地球上经过了许多兴亡变化,前一次北极在现在的位置的时候,即距今2. 58万年以前,地球上还没有所谓的国家。在我们的行星上,现今争夺霸权的民族还没有在大自然的摇篮里哺育出来。虽然那时已经有人,但社会组织还很原始,文明还很原始。考证他们所留下的遗迹,这些野蛮未开化的人类当时还处在所谓的石器时代。再经过一个这样长的周期,当北极重新回复到现在的位置上的时候,我们将变成怎样呢? 那时,法、英、德、意等国的民族均可能消失无形! 哪个国家能抵御时间的淘汰作用呢? 别的民族、别的语言、别的习俗也许老早便代替了现在的状况。将来有一天,漂泊在塞纳河〔塞纳河(Seine)是流过巴黎城的一条河。——译者注〕边的旅行者可能停步在一片废墟上,寻找在许多世纪里曾放光辉的巴黎。也许,他为着寻找昔日的这个名城,也会像今天考古学家要考证中东的古城那样感到困难。我们的20世纪也将沉没在古代史里,正如古埃及的王朝在今日我们的眼里那样!

繁星的天就这样整个地在运动,缓慢地围绕着黄道的极轴在旋转。黄道好像是太阳在天空绕着地球一年一周运行的路径。我们已经说过,事实上,这是地球环绕太阳运行而产生的现象。只是因为透视的作用,我们才感觉太阳在我们对面沿同一方向前进,一年运行一周。太阳在天空中视运动的路径叫作黄道∙∙。月亮必须在黄道上才能发生日食或月食。黄道的极是天球上的一点,在那里放上一个圆规,张开90°的角,在天球上画一个大圆,便是黄道。

因为有这样的普遍运动,天上繁星在连续两年里不会占据相同的位置。若相隔的时间较久,我们便不得不重新描绘我们的星图,这好像是在繁星后面将画幕的底掠动一下那样。 1900年所绘的星图不能适用于1950年,我们现在所绘的星图亦与2000年的天象不合。我们可以由很精确的数学公式去计算这些运动的影响,并且求出在过去或未来任何一个日子里星的确切位置。在历书上需要特别标明恒星的位置是属于哪一年代的,例如1900年的春分点或者1950年的春分点等。

事实上,这种岁差运动正如周日运动和周年运动一样,并不是天穹所固有的。真正运动的只是地球,它的轴在长时期里沿与地球自转相反的方向转动了一周,这是由于太阳和月亮的吸引力对于地球的赤道突出部分吸引而产生的。如果地球恰好是一个球体,就不会有这样一种运动了。可是,地球两极扁平,赤道带突出。太阳和月亮对于这个突出部分所起的作用是使两极逆行,于是这个运动把整个地球都带动了。这种运动在公元前130年前后由古希腊的伟大天文学家喜帕恰斯发现,到了1687年,牛顿才说明了它的缘由。

地球的这个第四种运动常被人叫作二分点的岁差或进动,因为它使得地球绕太阳公转轨道上的春分点每年都有一个向前的移动。众星在天球上的位置从一条线算起,这条线从北天极引向春分时太阳经过赤道上的那一点;该点叫作春分点或γ点〔这是代表黄道里白羊座的符号,因为这个古希腊字母 γ好像羊角那样〕。

这一点由东向西每年前进,经25 780 年沿赤道走完一周。它的平均速度大约是每年50弧秒〔度、分、秒是代表角度大小的三种单位,关于这一点,以后还会谈到〕。

太阳周年视行所经过天空里的恒星,在不可稽考的远古时期便被分为 12 群,名叫黄道星座。2000年,太阳经过赤道时遇到的第一个星座叫作白羊座。按照由西向东的次序,第二个星座叫金牛座,第三个是双子座,以后三个是巨蟹、狮子和室女座,其余六座是天平、天蝎、人马、摩羯、宝瓶和双鱼(图66) 。

很久以前,春分点已经离开了白羊座,它现在在双鱼座内,十几个世纪以后,它要到宝瓶座去。黄道大圈是黄道十二宫的中央线。我们在讨论地球的自转时说过,赤道是和黄道斜交的。黄道带可分为两段,每段各有六个星座。把一段放在另一段前面(图68) ,使首尾衔接起来,12个星座互相连续,然后,环绕着观测者的眼睛围成一个圆筒,这便成了天球上的黄道带。我们再在每个星座下面注上太阳经过每一星座的月份。

我们可以想象,太阳沿着黄道的星座前进,正如我们想象北天极在北天繁星之间作长周期的移动那样。公元开始时,春分点到了白羊和双鱼两座的分界处。公元前2000 年,春分点和金牛座头几颗星相合(这个星座自公元前4300年以来已经成了春分点所在的星座)。也许就在这个时期里,初期的观天者拟造了黄道星座,因为在一切宗教的神话里,金牛座总是和太阳联系起来的,它使季节和气候变化,使土地生产。可是没有书籍记载曾把双子座和太阳作过这样的联系。 1 800 年前,罗马诗人维吉尔( Virgil)根据当时的情况歌颂金牛星座说,它用金角冲开了每年的周期。

金牛座内的明星,如显著的昴星团(俗称七姊妹星团),都被古埃及人、中国人和古希腊人当作是春分星。天文的记载还保存着中国人的观测,认为昴星团是公元前2357年的春分点,而现在夏至点却渐渐接近于这一群恒星了。

春分点长期的进动不是等速的,因此,回归年的长短也不是绝对不变的。回归年在现今比喜帕恰斯的时代〔即公元前2世纪。——译者注〕短11秒,比底比斯( Thèbes)还是古埃及的京城的时代〔即公元前20世纪。——译者注〕短30 秒。 20 世纪开始的时候,回归年长365日5时48分46秒。每一个世纪,一年大约减短半秒( 0. 53秒),也就是说,我们今天的百岁老人,比奥古斯都大帝那个世纪〔即公元前1世纪。——译者注〕的百岁老人少活了20分钟。

古代人以为地球上的政治情况亦有周期性的变化,他们认为在一个“大年”以后,地上应有相同的民族重演相同的历史,正如经过若干世纪以后,同样的天象再回来一样。有些人认为这个大年是365年,古希腊哲学家赫拉克利特认为是1. 08万年,还有人说是1 700万年! 一般人都以为是3万年,无疑这个数字是因古人以为岁差的周期有这样长才决定下来的。因为人们相信,他们的命运是受了行星的影响,自然他们会联想到,当星象相同的时候,会有相同的人事。可是要行星回复到同样的位置,3万年还不够呢。占星家以为创造世界的时候,所有的行星都在一条直线上,对这种荒唐的说法,我们还有什么话可说呢!

我们对于一位活了100岁的老人会感到惊讶、羡慕,而天穹演变的周期自然超出人们的想象。天体的现象常在几百个世纪或者几千个世纪后重新出现,我们看上去这好像稀罕极了,可是就地球的年龄尺度来说,却是常见的现象。这在宇宙的时钟上不过几秒而已。