一年，究竟有多重要

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象判斷出年的大致長度。

但同一物候的出現間隔往往并不均勻，通過物候觀測需要數百年甚至上千年才有可能把一年的天數精確到365和366之間。真正要想數清楚一年有多少天，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“結繩記日”的方法測得一年有365天了。在堯帝時期，人們已經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。現在稱為“回歸年”，意為一年之后太陽又回歸到了原來的位置。

24節氣示意圖（繪圖/張一潔）

到了戰國時期，當時使用的各種歷法已經把年長定為365.25天，也因而統稱為古“四分歷”（可以理解為四年之后能湊個整數）。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。公元前二世紀前后，天文學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，也就是通行到現在的公歷。公歷通過設置閏年，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，和楊忠輔測得的結果相同。

現在天文學家測得回歸年的長度為365.2422天。可見，公歷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過3300年才有1天的誤差，已經相當精確了。

“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，出現在晨曦的微光里，就好像和太陽同步出現一樣。古埃及人發現當天狼星偕日升之后不久，尼羅河就要發大水了，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，依次經過各個黃道星座。當它從星空中的某個位置開始，再回到這個位置時，所經歷的時間是一個恒星年。所以恒星年就是地球的公轉周期

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

最早發現回歸年和恒星年不同的是古希臘的天文學家喜帕恰斯。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果。大約600年后的東晉初年，中國天文學家虞喜也發現了這一現象。他把古代冬至日的太陽觀測記錄和測得數據作比較，發現它“每歲漸差”，冬至時太陽在星空背景中的位置已經比兩千多年前偏西了不少，大約每50年就西退一度，歲差這一術語即由此而來。

地球既在自轉又在繞太陽公轉，同時它的自轉軸也在繞著垂直于公轉平面的軸線（圖中的黃軸）轉動，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

為什么會出現歲差？這是由于地球自轉軸的運動導致的。由于地球在迅速地繞軸自轉，赤道上的轉速最大，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（從而使黃赤交角變小）的趨勢。但由于地球在快速自轉，它們的努力并沒有“得逞”。最終的結果就是“互相妥協”，讓黃赤交角還是基本穩定在23.5°不變，但是地球自轉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。今天的天球和幾千幾萬年前基本沒什么區別，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，地球繞著太陽轉了360°，而一個回歸年中，地球圍著太陽轉了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

歲差現象有著多方面的影響，除了導致回歸年和恒星年長度不同以外，最顯著的是恒星坐標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，我們會發現一串“霸氣”的星名，它們都曾經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，一直延續到周代。現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年轉一圈。歲差還會使四季星空發生“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在相反，獵戶座出現在夏季，獅子座出現在秋季，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的存在會使得它附近的四維時空發生彎曲。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。直到現在，人們對時間的本質，仍在不斷探索中。

知識鏈接

農歷二月二為何叫龍抬頭

對比古書記載可以發現，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，當斗柄指向東方時，此時的季節是春天……”。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，龍抬頭”，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，故稱龍抬頭。但是因為歲差的影響，龍抬頭的時間，古今所見已有了將近一個月的時間差。現在要想在黃昏時看到龍抬頭，需要等到4月中旬左右，大致為農歷二月底到三月初。如果想在農歷二月二（大致對應公歷的2月下旬到3月中上旬）看到龍抬頭，則需要等到晚上9點鐘以后而不是黃昏時節了。黃昏時能見到“二月二，龍抬頭”的年代應為公元前500年至公元元年左右，大致為春秋末年到西漢時期。