中國(guó)古人對(duì)北極的認(rèn)識(shí)

中國(guó)古人觀星的歷史與世界上其他古老民族一樣非常悠久。中國(guó)古代的先民們很早就注意到了天空中的星星好像鑲嵌在天幕上，而這個(gè)天上的大幕在自東向西旋轉(zhuǎn)，每晝夜旋轉(zhuǎn)一圈。那么旋轉(zhuǎn)的中心呢？古人發(fā)現(xiàn)天上有個(gè)點(diǎn)是不動(dòng)的（稱為北極），天幕上的星星都在圍繞北極轉(zhuǎn)圈圈（見(jiàn)圖1）。

古人還找了離北極點(diǎn)很近的星作為“北極星”，幫助人們?nèi)庋塾^星時(shí)更容易辨認(rèn)出北極。因?yàn)檎嬲谋睒O點(diǎn)不一定有合適的亮星，在肉眼觀星的時(shí)代，用離真實(shí)北極很近（一般在1°左右）的亮星作為指示北極的星星是沒(méi)有問(wèn)題的。我們現(xiàn)在使用的“北極星”就是小熊座α（中國(guó)星名叫勾陳一，距離真實(shí)北極約0.5°）。

圖1

根據(jù)史書(shū)記載和流傳下來(lái)的中國(guó)古代星名，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)做過(guò)“北極星”的還不止一顆星呢！如左樞、右樞、帝星等，都曾做過(guò)“北極星”。為什么有這么多的星做過(guò)“北極星”呢？難道“北極星”會(huì)跑嗎？不是的，天上的恒星自古至今都沒(méi)跑（這里說(shuō)的是恒星之間的相對(duì)排列位置沒(méi)變，所以把它們叫做恒星，行星除外）。會(huì)跑的是地球自轉(zhuǎn)軸的指向！原來(lái)我們地球是圍繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的，而且這個(gè)自轉(zhuǎn)軸的指向就是天上的北極點(diǎn)。平時(shí)我們住在地球上，跟著地球一起轉(zhuǎn)，就像坐旋轉(zhuǎn)木馬一樣，我們感覺(jué)不到自己在轉(zhuǎn)，而是看到天空中的星星在圍繞一點(diǎn)（北極）轉(zhuǎn)圈。

我們地球的自轉(zhuǎn)軸就好像陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)軸一樣（見(jiàn)圖2），自轉(zhuǎn)的同時(shí)還在不停地?fù)u動(dòng)。當(dāng)然，地球這個(gè)大陀螺的自轉(zhuǎn)軸搖動(dòng)的速度是非常緩慢的，大約26000年才會(huì)搖動(dòng)一圈。這就使得群星圍繞其旋轉(zhuǎn)的北極點(diǎn)在短時(shí)間（幾百年）看起來(lái)是不變的，但長(zhǎng)時(shí)間（上千年）上來(lái)看就有變化了。

圖2

例如，歷史上某時(shí)期地球的自轉(zhuǎn)軸指向當(dāng)時(shí)的北極點(diǎn)（如圖3），人們就在北極點(diǎn)附近找了一顆比較亮的星星作為那時(shí)候的“北極星”啦。

圖3

過(guò)了一段時(shí)期（幾百年到一千年）以后，人們發(fā)現(xiàn)群星旋轉(zhuǎn)的中心已經(jīng)不在原來(lái)那顆“北極星”附近了，而是移到了天空的另一個(gè)位置（新北極點(diǎn)）。于是，人們就在這個(gè)新北極點(diǎn)附近找了另一顆星星作為“新北極星”來(lái)指示新北極的方向（如圖4）。

圖4

比較兩個(gè)時(shí)期的天空背景，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)天空中的星星和星座的形狀都沒(méi)有變（曾經(jīng)做過(guò)北極星的那些星星都還在，星星之間的位置關(guān)系也沒(méi)變），變化的只是地球極軸的指向和配合新指向的“新北極星”了。

圖5

所以古人會(huì)隔幾百年（或上千年）換一顆星作為指示北極點(diǎn)的“北極星”。圖5 就表示古今和未來(lái)，哪些星星曾經(jīng)做過(guò)北極星和即將作為北極星。例如在公元前2800 年左右，天龍座α（中國(guó)古代星名叫右樞）是當(dāng)時(shí)的“北極星”；在公元前1100 年左右，小熊座β 星（即北極二，別名紫微星、帝星）是當(dāng)時(shí)的“北極星”；現(xiàn)在我們的“北極星”是小熊座α（勾陳一），它將在公元2100 左右非常接近真實(shí)北極，然后開(kāi)始慢慢遠(yuǎn)離北極；那以后我們就該再換一顆星作為將來(lái)的“北極星”啦。

由此可見(jiàn)，中國(guó)觀星歷史的悠久和知識(shí)的積累傳承多么重要，如果沒(méi)有歷代人們的觀測(cè)和記錄，光靠一代人甚至幾代人都不可能發(fā)現(xiàn)天上星星的運(yùn)動(dòng)有這么長(zhǎng)周期的變化。這個(gè)變化雖然緩慢，但也可以通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)和比較天空中北極點(diǎn)的變化，以及黃道附近群星位置記錄的系統(tǒng)變化，通過(guò)數(shù)據(jù)的比較和推算，得出每年的變化量，這就是歲差。中國(guó)晉代天文學(xué)家虞喜，就是在自己觀測(cè)和與前人觀測(cè)記錄的比較中發(fā)現(xiàn)了歲差，后由南北朝天文學(xué)家祖沖之首先引入到歷法推算中，以后直到現(xiàn)在，我們的天文歷法、天文星表等數(shù)據(jù)都必須定期對(duì)歲差進(jìn)行修正。

根據(jù)文獻(xiàn)記載，生于公元前二世紀(jì)左右的古希臘科學(xué)家喜帕恰斯也是在對(duì)比前人記錄和自己觀測(cè)結(jié)果的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了歲差，他是西方最早發(fā)現(xiàn)歲差的人。但是產(chǎn)生歲差的機(jī)制和原理，還是到了近代，由科學(xué)家牛頓用物理學(xué)原理給予了正確的解釋，即由地球自轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動(dòng)引起。知道了原理，我們現(xiàn)在可以用已知的規(guī)律編制軟件。利用觀星軟件（例如Stellarium）可以實(shí)時(shí)觀看古代、現(xiàn)代和未來(lái)的星空，也可以反過(guò)來(lái)，用軟件演示的古代星空與流傳下來(lái)的真實(shí)天文記錄相對(duì)照，核對(duì)古人記錄的天文事件發(fā)生的年代和觀測(cè)者的地理位置等信息，非常有利于現(xiàn)代人對(duì)古天文的研究和傳承。

問(wèn)題1：你能說(shuō)說(shuō)古人看到的星空與我們現(xiàn)在看到的星空，有哪些是一樣的，有哪些是不一樣的？

問(wèn)題2：你能在現(xiàn)代星圖上找出古代各個(gè)時(shí)期的北極星嗎？

問(wèn)題請(qǐng)發(fā)郵件到郵箱chinahou@bao.ac.cn，記得要寫(xiě)清你的聯(lián)系信息（姓名、學(xué)校、電話等）哦，我們會(huì)按照你的要求，及時(shí)回復(fù)的。

2023年第2期《中國(guó)古人對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)（2）一文作者為中國(guó)科學(xué)院天文臺(tái)郭紅鋒，特此更正。