太阳的视运动

在公元前两千年末之前（或许还要早一些），苏美尔人和埃及人就已经开始对太阳的运动作系统化的观察。出于这个目的，它们发明了原始的日晷，它包括一个丈量过的杆子作为指针，把它垂直地立在平滑的地面上。由于太阳的视位置、指针的尖端和其阴影的尖端在晴天中的每一时刻都成一直线，所以通过测量阴影的长度和方向完全可以确定太阳的方向。当阴影较短时，太阳在天空中的高处；当阴影指向东方时，太阳必处于西方。对指针阴影的重复观察，可以把每日和每年太阳位置变化的大量普通而模糊的知识系统化、定量化。在古代，这类观察利用太阳来作为计时器和日历，这种应用是延续并改善观察技术的一个重要动机。

指针阴影的长度和方向每一天都缓慢而连续地变化。日出和日落时阴影最长，此时它大致指向一个相反的方向。白天，阴影沿着一个对称的扇形渐渐地移动，在绝大多数古代的观察者可以达到的地方，这个图形都非常像图1所展示的样子。就像图中所表示的，在不同的日子里扇形的形状是不一样的，但是它有一个非常有意义的固定特征：在每天指针阴影最短的时刻，它总是指向同一个方向。这个简单的规律性为后来的所有进一步的天文测量提供了两个基本的参考系：这个由每日最短阴影所呈现的不变的方向被定义为正北方，所有的罗盘都指向这个方向；这个阴影变为最短的时刻定义了一个时间上的参照点，即地方正午；两个相继的地方正午之间的间隔定义了一个基本的时间单位，即视太阳日。在公元前的最后一个千年，巴比伦人、埃及人、希腊人和罗马人使用原始的地面计时器，特别是水钟，进一步将太阳日分为更小的间隔，从这里演化出了我们今天的时间单位：时、分和秒。[1]

图1　北半球中纬度地区不同季节中指针阴影的每日运动。日出和日落时阴影瞬间伸展到无限远处，在图中它的末端与虚线“会合”。在日出和日落中间的时段，阴影末端沿虚线缓慢移动；正午时阴影总是指向正北方。

由太阳的每日运动所规定的罗盘的指向和时间单位，为描述这种运动的逐日变化提供了基础。太阳总是东升西落，但是日出的位置、日晷指针阴影在正午时的长度以及白昼时间的长短随季节的变化而逐日变化（图2）。冬至日（现代历法中的12月22日）这天，太阳在离地平线上正东点和正西点最远的地方起落。这一天与其他任何一天相比，白天的时间最短，日晷指针正午时的阴影最长。冬至过后，日出和日落点一起逐渐沿地平线向北移动，并且正午的指针阴影变短。春分（3月21日）时，日出与日落点最接近于正东和正西，白天和黑夜长度相等。再过一段时间，日出和日落点继续向北移动，白天的时间增加，直到夏至日（6月22日），此时日出、日落点在正东和正西最北的地方。夏至日白昼持续时间最长，指针正午的阴影最短。夏至过后，日出点重新向南移动，黑夜变长。秋分（9月23日）时，日出与日落点再度处于正东和正西的位置，然后它继续向南，直到冬至再临。

图2　日出位置、太阳正午时的高度以及指针阴影季节性变化三者之间的关系。

正像夏至冬至和春分秋分的现代名称所表示的那样，日出点沿地平线的来回移动对应着季节的循环周期。所以大多数古代人相信太阳控制着季节。他们同时既把太阳作为神来崇拜，又把它作为历法的监护者来观察——太阳被看成一个季节推移的实际指示器，以指导他们的农业活动。像英格兰史前巨石阵中神秘的巨石结构这样一些史前遗迹，证实了对太阳的这种双重兴趣的古老和力量。史前巨石阵是由早期石器文明时代的人类用巨大的石头费力建造起来的重要神殿，有些石头差不多有30吨重。几乎可以肯定它也是一座原始的天文台。这些石头的排列方式，使得处在石阵中心的观察者在古代的仲夏日即夏至日看到太阳从一块特定位置的石头处升起，这块石头被称为“修道士的脚后跟”（Friar's Heel）。(https://www.daowen.com)

季节周期的长度——一个春分点与下一个春分点之间的间隔——规定了基本的历法单位年，就如同以太阳的每日运动来定义日一样。然而，年是比日更难以测量的单位，并且对于合用的长时段历法的需求将一些持续不断的难题摆在了天文学家的面前，16世纪期间，这些难题中最显著者在哥白尼革命中发挥了直接的作用。古代最早的太阳历是每年360天，这是一个简洁的约整数，正好与苏美尔人六十进制的数字系统相吻合。但是四季的周期不止360天，所以这些早期太阳历的“元旦日”逐渐地向前移，由冬到秋、由秋到夏、再由夏到春。这种日历从长时期来看几乎没有用处，因为一些重要的季节性事件，如埃及尼罗河的汛期，在接下来的年份中发生的日期越来越晚。为了保持太阳历与季节同步，埃及人在原先的年份中增加了额外的五天作为假日季节。

然而，四季的周期并不是一个整数日的时间。一年365天还是太短了，40年后，埃及历法比实际的季节差出了10天。所以，当儒略·凯撒在埃及天文学家的技术帮助下改革历法时，将每年的长度定为365¼天；3个365天的年后接一个366天的。这种历法，儒略历，从公元前45年被引入直到哥白尼死后，一直为整个欧洲所使用。但是，实际的一年四季要比365¼天少11分14秒，以至于到了哥白尼生活的年代春分点从3月21日退到3月11日。历法改革（见第四、五章）的需求，为天文学自身的改革提供了一个重要的动机，而且这场带给了西方世界现代历法的改革是在《天球运行论》发表仅39年后就开始了。新的历法由教皇格里高利十三世于1582年在欧洲广大的教区强制推行。新历法规定每四个百年中有三个不置闰。1600年和2000年是闰年，1700、1800、1900年在儒略历中是闰年而在格里高利历中只有365天，而且2100年也是一个只有365天的普通年份。

以上讨论的所有观察资料差不多就是中北纬度地区的天文学家所观察到的太阳的情况。这一地区包括希腊、美索不达米亚和北埃及，几乎所有的古代的观测都是在这一区域做出的。但是在这个区域之内，太阳行为的某些方面存在着可观的量上的变化，而且在埃及最南部还有性质上的变化。有关这些变化的知识在古代天文学理论的建构中也发挥了部分作用。观察者向东或向西移动观察不到什么变化。但是向南方移动会发现日晷指针的正午阴影变短并且太阳正午时在天空的高度会高于同一天在北方时观测到的高度。同样地，虽然全天的时间长度保持不变，但在中北纬度的南部地区，昼夜长度的差别要更小一些。而且，在这个区域中，太阳在一年中不会沿地平线大幅度摇摆于南北方之间。这些变动并不会改变上面结论中定性的描述。但是，如果一个观察者在夏季移到了埃及的最南面，他会看到日晷指针的正午阴影一天天变短直至最后完全消失，然后再度出现并指向南方。在埃及的最南部，日晷指针阴影每年的行为如图3所示。如果继续向更南或更北方行进，在观察太阳的运动方面还会发现其他一些反常。但这些在古代并没有被观察到。我们先不讨论它们，等到我们考虑有可能甚至在未被观测到之前就能预言这些现象的天文学理论的时候再说（第33页[2]以后）。

图3　热带北部不同季节中日晷指针阴影的每日运动。