古今北斗星的變遷（上）

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(quán)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(diǎn)轉(zhuǎn)圈，因其離北極很近，所以還沒轉(zhuǎn)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(yuǎn)古的人們還把北斗七星當(dāng)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(zhuǎn)一周，于是就利用北斗斗柄的指向來估計(jì)時(shí)間（如圖3）。斗柄每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，代表過去了多少時(shí)辰，有經(jīng)驗(yàn)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(shí)辰（斗柄一晝夜轉(zhuǎn)一周，只要把一周的角度均分，就可以從斗柄轉(zhuǎn)過的角度估計(jì)出逝去的時(shí)間了）。

圖3

圖4

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

同學(xué)們發(fā)現(xiàn)問題了嗎？北斗的指向在不同季節(jié)的同一時(shí)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(jié)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(gè)諺語說的是天黑以后幾小時(shí)內(nèi)觀看到的北斗的指向（因?yàn)楸倍吩诓煌５剞D(zhuǎn)動(dòng)，過一段時(shí)間，例如在午夜，其指向就不是諺語說的方向了）。

關(guān)于這個(gè)諺語，有兩個(gè)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(gè)恒星時(shí)間與太陽時(shí)間的問題（見圖5）。

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

圖5

有天文背景的同學(xué)都知道，我們平日里使用的時(shí)間是根據(jù)太陽的出沒周期，即一個(gè)太陽日（24 小時(shí)），但恒星出沒周期是一個(gè)恒星日（約23 小時(shí)56 分鐘）。也就是說，因?yàn)橛涗浭褂锰枙r(shí)，而恒星視運(yùn)動(dòng)遵循恒星時(shí)，所以全天的恒星（包括北斗星），其旋轉(zhuǎn)周期都比我們使用的太陽時(shí)間每天約快4 分鐘，或者說恒星在一個(gè)太陽日里實(shí)際上轉(zhuǎn)了一周多一點(diǎn)（大約每天多1 度），積累一個(gè)季度就多轉(zhuǎn)了大約90 度。這就是北斗斗柄指向季節(jié)性變化的原因。