這次我想問:地球壹年繞太陽壹周嗎？
相信大家這次都會小心，生怕壹不小心掉進我挖的坑裏。但估計很多人會說:地球繞太陽壹圈不是壹年嗎？
那麽，我們先來搞清楚這裏的“壹年”是什麽概念。
當然，這裏說的年不應該是公歷年，因為有平年和閏年，平年365天，閏年366天。
事實上，就像“天”有太陽日和恒星日壹樣，“年”也有恒星年和太陽年。
壹個恒星年是地球以恒星為參照物，在公轉軌道上繞太陽公轉壹周的時間。所以，壹個恒星年後，地球確實繞著太陽轉。目前壹個恒星年等於365.25636個太陽日或365上6: 09的10秒。
太陽年又稱回歸年，以太陽為參照物，是太陽兩次經過黃道上某壹點的時間間隔，通常是兩個春分點(春分點和秋分點)之壹或兩個極值點(夏季至日和冬季至日)之壹。之所以稱之為回歸年，是因為這些特定的點與太陽的回歸特性有關。其中以春分為基準的回歸線年份，也叫春分回歸線年份，應用最為廣泛。
我們已經說過，黃道是我們在地球上觀測太陽時，太陽在天球上運行壹年的路徑。或者用現代的術語來說，黃道就是地球繞太陽運行的軌道平面在天球上的投影。春分是天球上黃道面和赤道面相交的兩個交點之壹。如下圖所示:
說到這裏，妳可能會想，在這種情況下，太陽連續兩次經過春分點等某壹點的時間間隔，也就是壹個回歸年，不應該和恒星年壹樣長嗎？然而事實是，回歸年的長短每年略有不同，也與選取的具體點有關(如春分或其他點)。壹個回歸年(熱帶年)平均只有365.38+09個太陽日，即365天5小時48分45秒。兩者相比，平陽年(北回歸線年)比恒星年短20分24秒！
那麽，為什麽會出現這樣的偏差呢？原因是壹個回歸年被定義為太陽兩次通過黃道上某壹點如春分點的時間間隔。妳可能想不到的是，當太陽離開黃道上的春分點，逆時針向東移動時，春分點正悄悄地向相反的方向移動，也就是順時針向西。當太陽在黃道(回歸年)上再次經過春分點時，春分點已經向西移動了約50.266秒。此時太陽在黃道上的運動實際上不到壹周，距離壹周(360)約50.266秒。如果選定的特定點是其他點(秋分、夏季至日和冬季至日)，情況也是如此。(註:從太陽在黃道上的位置與春分的關系來看，在壹個回歸年，太陽離開春分仍然是壹周，360度，但這壹周部分是由春分自己的運動完成的。所以也可以定義太陽在黃道上360度離開春分點為回歸年。只是要註意，這裏的“離開春分360°並不代表太陽在黃道上走了360°。)
因為太陽在黃道上的運動實際上是地球繞太陽公轉的結果，所以我們說地球壹個回歸年繞太陽公轉不到壹周，這與壹周(360)相差50.266秒。地球完成壹周需要20分24秒。
對了，國內某科普網站在介紹回歸年的時候說“地球從春分到春分逆時針旋轉360”。這顯然是不正確的。
春分點和其他春分點、至日點的西移，在中文裏叫歲差。春分點的西移也可稱為春分歲差。歲差導致地球在回歸年不到壹周的時間內繞地球壹周，所以回歸年比恒星年短。
有人可能會問，既然春分總是在動，為什麽還要用回歸線的年份呢？因為回歸年對人類活動太重要了。事實上，北回歸線是人類最早了解的年份。
人類對時間的認識是從對壹些自然現象的觀察開始的。例如，日出日落周期是壹天，新月(滿月)周期是壹個月，春夏秋冬周期是壹年，以此類推。這些與時間有關的自然現象可以稱為自然時鐘。回歸年是以自然時鐘為刻度的年份。在古代中國，冬季至日是壹年的開始，因為這壹天是最短的壹天。在西方古代文明中，春天是壹年的開始，那壹天和白天黑夜壹樣長。自然時鐘定義的年份與人類的生活相壹致，尤其是農業生產活動。中國二十四節氣的壹個周期是壹個回歸年。所以，回歸年，也就是太陽年，是制定各種陽歷(包括現在的陽歷)、陰陽歷的基礎，也就是我們常說的年。恒星年只用於天文學。
在這壹點上，我們可以說地球壹年繞太陽壹周最多對了壹半。對於我們的日常生活來說，地球壹年繞太陽轉不到壹周(回歸年)！
我們在介紹黃道的時候說過，春分是黃道坐標系經度的零點。春分西移意味著黃道坐標系的零子午線西移，因此黃道坐標系所代表的恒星位置會隨時間緩慢變化。這就是歲差被發現的原因。
人類對日月星辰的觀測由來已久，春分或黃道坐標系的位移在古代文明中就有記載。目前公認最早有記錄的發現是公元前二世紀古希臘天文學家、數學家希帕克。希帕查斯在編制包含1022顆恒星的星表時，將他測得的恒星位置與150多年前的進行了比較，發現恒星的經度發生了顯著變化，但黃緯並不明顯。其中，角口(處女座最亮的星)相對於秋分點移動了2度。他還比較了回歸年和恒星年的長度，發現回歸年比恒星年略短。希帕查斯認為這是春分沿黃道後退造成的，並計算出春分每100年西移不少於1。
於是中國最早提出東晉歲差的天文學家。他研究了歷史上冬季至日的觀測結果，並對比了自己的野外觀測，發現冬季至日每50年向西移動壹次。對此，於大膽提出了“歲即歲，天即天”(也稱星宿東行，節氣西退)的結論。註意到在冬季至日測得的回歸年在中國傳統歷法中稱為“壹年”，所以於的結論是對回歸年和恒星年區別的認識。漢語中的“歲差”來源於宋《夏》中記載的“冬在何處，年與年略有不同”，意思是每年冬季的位置略有不同。
寫到這裏，筆者不禁被古代科學家的能力和精神所折服。試想，在他們那個時代，觀察和記錄時間的儀器非常有限和簡單，怎麽可能用肉眼檢測出壹兩度的差異？那需要多麽細致入微啊！同時，我也為Hipachas感到難過。如果他能從150算出每75年運動壹次，那就很接近現在的結果了(71.6年)！不幸的是，希帕查斯的所有文獻，包括他在歲差方面的工作，都已經丟失了，所以無從查考。幾百年後托勒密(地心說的提出者)繼續他的歲差計算時提到了他的貢獻。
人們很自然的會問，春分為什麽會西移？如前所述，春分的存在是因為地球自轉軸與黃道極軸有23.4°的傾角。這個傾角決定了黃道面與赤道面的夾角，黃赤面交線在天球上的兩個投影(交點)之壹就是春分點。
因為旋轉體的陀螺原理，地球在空間的自轉軸方向在公轉軌道上基本不變。但是，如果地球在空間的自轉軸方向在公轉軌道上是絕對不變的，黃道面和赤道面也是不變的，那麽春分就不會有位移。實際上，地球的自轉軸除了與黃道極軸成23.4°的傾角外，還圍繞黃道極緩慢順時針旋轉，如下圖所示。
地球自轉軸的這種緩慢轉動，叫做地軸進動。歲差時，地軸與黃道的夾角基本不變，但地軸在黃道坐標系中的經度向西移動。於是，天球赤道面與黃道面的交點在黃道面上向西旋轉，春分作為這個交點在天球上的投影也向西移動。如下圖所示。
圖中黑色虛線開頭是地軸，紅點開頭是春分。地球繞地軸逆時針(自西向東)旋轉，地軸繞黃極順時針(自東向西)旋轉(歲差)。壹個回歸年後，地軸進動到紫色直線的位置，黃道面和赤道面的交點旋轉到紫色直線的位置，春分點相應移動到紫色點的位置(註意:圖中兩點的距離被誇大，實際只有50秒)。
所以，歲差在英語裏就是歲差。春分歲差也叫春分歲差。地軸歲差很好地解釋了希帕查斯發現黃道坐標位移時“恒星黃道變化顯著，黃緯變化不明顯”。
需要指出的是，這裏的“歲差”壹詞是天文學從物理學中借用來的，指的是地軸繞黃極緩慢旋轉，與陀螺旋轉時的歲差非常相似。但陀螺的進動方向與自轉方向相同，而地軸的進動方向與自轉方向相反。因此，不能簡單地用陀螺的歲差理論來解釋地軸的歲差。現在認為，地軸進動的主要原因是太陽和月球的引力(潮汐)作用在質量分布不均勻的地球上。言下之意，如果沒有太陽和月亮的引力(潮汐)作用，或者地球是壹個質量均勻的完美球體，就不會有地軸的進動。
我們可以看到，地軸的歲差導致了春分點(以及其他春分點)的歲差。整個二十四節氣也歲差，有歲差，這就是所謂的節氣西退。歲差的大小就是地軸的歲差率，即每年50.266弧秒。照此計算，每71.6年就是1，25783年(往往是26000年左右)就是壹個整圈(360)！
為了理解歲差的影響，讓我們看看地球軌道上的兩個春分點和兩個至日點的位置:
我們可以看到，地球到達北半球冬季至日(藍圈)的位置與地球到達近日點(紅圈)的位置相距十三天，相當於從近日點向西約13。由此可以推算出，900多年前北半球的冬季至日接近近日點。還可以預測，如果地球自轉軸的歲差率不變，那麽12000多年後，北半球的冬季至日將移動到地球的遠日點(綠圈位置)附近。當然，這壹天離我們還很遙遠。想象壹下，我們人類有文字記載的歷史不到壹萬年。
地球自轉是不均勻的，所以要用壹個平太陽日來描述，地球公轉也是不均勻的，所以要用壹個平回歸年來描述。同樣，地球的自轉軸也不是固定的，它有歲差和輕微章動(後面會講到)。地軸的歲差造成了二十四節氣的歲差，包括春分至秋分，也造成了回歸年比恒星年短。地球和整個宇宙總是在變化的。變是永恒的，不變是暫時的、相對的。無論何時、何地、何種情況下，都要以積極的心態去承認和接受變化，盡快理解和適應新的變化。