通俗天文学-通俗天文学

《通俗天文学》　　宇宙原是个有限的无穷。　　人类恰好是现实的虚空。　　只有那无端的数学法则，　　才统治了自己又统治了一切。　　——金克木　　出版说明　　出版《通俗天文学》是因为它是一本非常“传奇”的书。　　说它传奇，是因为它的作者西蒙·纽康（ＳｉｍｏｎＮｅｗｃｏｍｂ）教授是个传奇人物。美国总统林肯于１８６１年委任他为美国海军的数学教授。《大英百科全书》说：“纽康肯定是那个时代最显赫的天文学家之一。”而且，这位大名鼎鼎的纽康教授一生著作颇丰，涉猎广泛，绝对不是个把学问做死了的学究，而是深入浅出地把学问做活了的明白人。　　说它传奇，是因为它的译者金克木先生是个传奇人物。金克木先生是靠勤奋自学成杂家的奇才，学贯东西、融通古今、博通文理、精通多国语言，而且健谈、多闻、敏锐。他对知识掌握深刻，见地独特。从本书的译文中我们可以发现，金克木先生的翻译让浩瀚的宇宙、神秘的星辰更加清晰明了地展现在我们眼前。　　本书第三个传奇之处在于它的引进、翻译过程。当年金克木先生对天文学发生兴趣，遂选定此书着手翻译，并痴迷其间。为此诗人戴望舒特意到杭州西湖孤山俞楼去看望他，力劝金克木先生放下对星空的兴趣，转回语言研究。于是，世界上少了一位天文学家，多了一位语言大师。　　除了这些传奇之处以外，这本《通俗天文学》能长销不衰的原因还有它文字的流畅、描述的形象、内容的及时更新。我们请了北京大学天文学系的吴飞先生和热诚的天文爱好者朱睿竑先生、段建新先生对此书进行了仔细的修订、更新，大量现代知识的补充能适应现代读者的需求，使这本《通俗天文学》在今日的夜空中仍能放射出耀目的光彩。在此，特意向他们致谢，也向那些默默致力于天文学研究、为我们提供广博知识的科技工作者致谢。读者看到的书中黑色的字，即是纽康教授著、金克木先生翻译的原文，而蓝色的字则是后来者做的工作。　　最后，引录金克木老先生在１９９６年１１月１日写的《闲话天文》（收在东方出版社１９９８年１０月出版的金克木先生个人专集《庄谐新集》里）作为结尾：　　清初顾炎武的《日知录》大概是从前研究学问的人必读的。记得开篇第一条便是“三代以上人人皆知天文”，举了《诗经》的例证。现在人还需要提倡“人人皆知天文”吗？　　不过我仍然认为，至少是读书人，现在也是有点天文常识、看点通俗天文书为好。从我的微薄经验说，看天象、知宇宙，有助于开拓心胸。这对于观察历史和人生直到读文学作品、想哲学问题，都有帮助。心中无宇宙，谈人生很难出个人经历的圈子。有一点现代天文常识才容易更明白：为什么有些大国掌权者不惜花重金去研究不知多少万万年以前发生而现在光才传到地球的极其遥远的银河外星系、超新星、黑洞等等。这些枯燥的观察、计算、思考只要有一点前进结果，从天上理论转到地上实际，就会对原子爆炸、能源危机产生不可预计的影响。最宏观的宇宙和最微观的粒子多么相似啊！宇宙的细胞不就是粒子吗？怎么看宇宙和怎么看人生也是互相关联的。有一点宇宙知识和没有是不一样的。哪怕是只懂小学生课本里的那一点点也好。古时读书人讲究上知天文下知地理，我看今天也应当是这样。不必多，但不可无。出版说明：一本非常“传奇”的书(2)　　我还想提一点是近代和现代天文学发展历史的通俗化。这会有助于破除流行的不准确认识。例如日心说和地心说是早就有的，困难在于科学论证。哥白尼神父有了第一次大成功，但完成还在开普勒的算出行星轨道。尽管人已能飞出地球，行走在太空，但太阳系里还有不少难题。牛顿对神学是有兴趣的，科学和宗教是两回事。科学可以研究宗教，但不能消灭人的信仰。要用科学实验破除迷信也不容易，还需要破除迷信中的心理因素和社会因素，如此等等。要知道历史事实，知道科学进步非常困难，科学家是会有牺牲的。　　我想现在一定出了不少讲新天文学成就的通俗易懂的好书，可惜我不知道。希望读书人不妨翻阅一下，可能比有些小说还要有趣。译者序——金克木　　译这本书的动机很简单：国内近年来天文学方面的书籍虽然比从前较多，却大都是谈谈星座以及一些新的发现，要不就往往过于专门，似乎还缺少一本较有系统而又不是课本的通俗天文学。这本书恰好够这条件，也正可以弥补我们的不足，因此译者不揣谫陋做了这件工作。　　译本的体例也很简单：只是把原文一句句改写成中文而已。专门名词则一律遵照教育部公布的《天文学名词》和《物理学名词》。　　关于原书著者已有专篇介绍，兹不赘述。　　至于译者所犯的不自知的错误就只有敬候高明的指教了。关于原著者(1)　　《通俗天文学》（ＡｓｔｒｏｎｏｍｙｆｏｒＥｖｅｒｙｂｏｄｙ）自出版以来便成为最受欢迎的科普读物之一，仅初版在美国就已销售了５万册以上，此外还有英国版以及多种外文译本。　　本书著者西蒙?纽康（ＳｉｍｏｎＮｅｗｃｏｍｂ）教授于１８３５年３月１０日生于加拿大的新斯科舍省（ＮｏｖａＳｃｏｔｉａ），１９０９年７月１１日卒于华盛顿哥伦比亚特区（ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＤ．Ｃ．）。其祖先为马萨诸塞（Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）和马里兰（Ｍａｒｙｌａｎｄ）一带殖民地的早期移民。作为一个乡村教师的长子，他自幼便自谋生计。在美国定居并教了几年书之后，经过刻苦自修，他成为哈佛大学劳伦斯理学院（ＬａｗｒｅｎｃｅＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＳｃｈｏｏｌｏｆＨａｒｖａｒｄ）的计算员和学生。１８５８年毕业并获得理科学士学位。２４岁时，作为一名年轻的大学毕业生，他已因小行星轨道的计算而声名大噪。该项工作的结果证明：当时天文学家提出的关于小行星来历的解释是错误的。　　美国总统林肯（ＰｒｅｓｉｄｅｎｔＬｉｎｃｏｌｎ）于１８６１年委任他为美国海军（Ｕ．Ｓ．Ｎａｖｙ）的数学教授。他担任此职直至去世，级别相当于海军后方司令。他一直住在华盛顿，在海军天文台（ＮａｖａｌＯｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ）进行了１６年的天文观测，并从事数学研究。１８７７年他的观测工作结束，遂担任美国星历表（ＡｍｅｒｉｃａｎＥｐｈｅｍｅｒｉｓ）及航海历书编纂部门的总监督。该部门每年出版一些主要星表、日月食的材料，以及其他对天文学家有价值而航海家必需的资料。当时另有四个国家的政府也出版同类东西，但在天文学的基本要素及常数方面，彼此间还存在着有害的差异，因此纽康教授便担任起全部校订及计算天体运动新表的工作。　　关于这件在标准化方面前所未有的巨大工作，《大英百科全书》中曾说“楷莱（Ｃａｙｌｅｙ当时英国最大的数学家）把完成一颗行星的各种表格说成‘天文学的最高成就’，然而纽康计划并且进行了二十余年之久的巨大任务，却是在绝对同一的基础上建立起全部行星系统的理论与表格。”这件工作所建立的标准被各国天文学家采纳，并成为当今航海与航空的精确基础。　　“纽康教授的最大成就之一是他关于月球运动的理论方面的探究”，从１８６８年直到晚年，他用了最大努力进行这项工作。《大英百科全书》还说：“‘甚至’他关于这一难题的最早期工作……已经由于其勇敢的思想而值得注意，而且已成为对天体力学的重要的补充了。” 为建立这件工作的基础，他曾收集欧洲各天文台和图书馆中关于月球的观测记录，“所集年代有上下两千六百年之多”。　　“考虑到他的工作范围之广泛，研究性质之重要，论及问题之丰富，以及他对目标秉持到底始终不懈的追求，纽康肯定是那个时代最显赫的天文学家之一。”　　纽康教授从不慌忙，从未放弃每天长时间的散步，然而凭着他始终如一的努力，他竟有充分的时间去思考，去写作。以致他的著作（书籍与论文）题目竟能包括５４１种之多，所论及的范围又异常的复杂，其中包括财政学（这也是他精通的），甚至还有小说。他经常旅行，一则为了休息娱乐，一则也为了天文学上的目的，例如观测日食和行星凌日，视察海军天文台和加利福尼亚的里克天文台的望远镜的建立，甚至于俄国天文台的望远镜玻璃的制造。关于原著者(2)　　在约翰?霍普金斯大学（ＪｏｈｎｓＨｏｐｋｉｎｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）的早期９年中，他还是那儿的数学和天文学教授，每星期去巴尔的摩（Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ）上两次课。　　他去世后，人们出版了一本记录他一生获得的科学荣誉的清单，其中有１７个欧美著名大学的名誉学位，许多外国政府的高级勋章，以及全世界所有主要科学团体纪念章和名誉会员资格。　　著名天文学家康贝尔（Ｗ．Ｗ．Ｃｏｍｐｂｅｌｌ）教授在一篇简短的纽康教授传中曾称其为“智慧方面的巨人”，还说：“纽康教授所得到的天文学中的极高位置可以由他所得到的荣誉清单恰当表示出来。他的工作，为孜孜不倦的精力所推动，为哲学的明智所导引，历时半世纪多，使他得以置身于美国同行之首，而且列身于横亘世界、纵越古今成就最多的一小群天文学家之中”。　　自本书第一版出版以来，天文学界中又有了许多重要的发现。此次新版已完整校补一遍，以求包罗新知而跟上时代。校补者为伊利诺伊大学天文台（ＩｌｌｉｎｏｉｓＵｎｉ－ｖｅｒｓｉｔｙＯｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ）的贝克（ＲｏｂｅｒｔＨ．Ｂａｋｅｒ）教授。他曾是纽康博士的弟子，自己也是一位卓越的天文学家，所以是完成这项工作的最合适的承担者。《通俗天文学》在新装之下也就成为加在这具有普遍吸引魔力的标题上的最新且最有力的一笔了。关于译者　　金克木，字止默，笔名辛竹，１９１２年８月１４日生于江西，祖籍安徽寿县。中学一年级就失学。１９３５年到北京大学图书馆做图书管理员，自学多国语言，开始翻译和写作。１９３８年任香港《立报》国际新闻编辑。１９３９年任湖南桃源女子中学英文教师，同时兼任湖南大学法文讲师。１９４１年先生经缅甸到印度，在加尔各答游学，兼任《印度日报》及一家中文报纸编辑，同时学习印度语和梵语。１９４３年到印度佛教圣地鹿野苑钻研佛学，同时学习梵文和巴利文，走上梵学研究之路。１９４６年回国，应聘武汉大学哲学系。１９４８年后任北京大学东语系教授。２０００年８月５日，因病在北京逝世，临终遗言：“我是哭着来，笑着走。”　　金克木是举世罕见的奇才。凡是和金克木先生有过接触的人无不对他的健谈、博学、多闻、敏锐留下深刻的印象。他精通梵语、巴利语、印地语、乌尔都语、世界语、英语、法语、德语等多种外国语言文字。他曾仅靠一部词典，一本凯撒的《高卢战纪》，就学会了非常复杂的拉丁文。他的日语也很不错。金克木学贯东西，知兼古今，学术研究涉及诸多领域，自己在生前也自称是“杂家”。他除了在梵语文学和印度文化研究上取得了卓越成就外，在中外文化交流史、佛学、美学、比较文学、翻译等方面也建树极高，为中国学术事业的发展作出了突出贡献。　　金克木自然科学的素养亦不低。他对天文学有特别的兴趣，不仅翻译过天文学的著作，还发表过天文学的专业文章。３０年代，戴望舒非常欣赏金克木的作品，硬是将当时痴迷天文学的先生从天文学拉回文学。对此，金克木还颇有遗憾，曾在一篇随笔中怅然道：“离地下越来越近，离天上越来越远。”数学也一直为他所好，他曾津津有味地钻研过费尔马大定理，临终前写的一篇文章中还涉及高等数学的问题。先生早年即同数学大家华罗庚很谈得来，华先生也是文理兼通。他还曾和著名数学家江泽涵教授在未名湖畔边散步，边讨论拓扑学的问题。他还曾就具体的数学问题请教过丁石孙先生，并能从丁先生的解释中判断出他所擅长的数学研究领域。　　知识带给我们光明，但启发我们自己睁眼看世界的，是先生积极、开放、热诚的生命态度，对世界和人生的探究与思考，以及他深峻的智慧。　　金先生有一颗童心，对一切新鲜的东西都抱以开放的态度，８５岁学习使用电脑写作和传稿即是一例。“文革”前他去北大图书馆借书都是拖着小车去拉的，“文革”后体力大不如前，但却始终关心国际学术的最新发展。在国内还少有人提及诠释学和符号学的时候，他已经在撰文介绍，并将它们用于研究中国文化。先生晚年虽出行不便，但他对新思想、新事物，对社会和时代的变革，无不具有深入了解与思考，对许多社会现象都有深刻绝妙的认识、议论。　　现在，我们可以在他的著书里看到这些。金克木先生留下学术专著三十余种，主要有：《梵语文学史》、《印度文化论集》、《比较文化论集》等等。他的诗、文，文笔清秀，寓意深刻，发人深省。有诗集《蝙蝠集》、《雨雪集》，小说《旧巢痕》、《难忘的影子》，散文随笔集《天竺旧事》、《燕口拾泥》、《燕啄春泥》、《文化猎疑》、《书城独白》、《无文探隐》、《文化的解说》、《艺术科学旧谈》、《旧学新知集》、《圭笔辑》、《长短集》等。翻译作品《伐致呵利三百咏》、《云使》、《通俗天文学》、《甘地论》、《我的童年》、《印度古诗选》、《莎维德丽》等。目录　　第一编天体的运行　　第一章　我们的星辰系统　　第二章　天界现象　　第三章　时间与经度的关系　　第四章　怎样确定一个天体的位置　　第五章　地球的周年运动及其结果　　第二编望远镜　　第一章　折射望远镜　　第二章　反射望远镜　　第三章　折反射望远镜　　第四章　望远镜摄影术　　第五章　大型光学望远镜　　第六章　射电望远镜　　第七章　太空望远镜　　第三编太阳，地球，月亮　　第一章　太阳系的最初一瞥　　第二章　太阳　　第三章　地球　　第四章　月亮　　第五章　月食　　第六章　日食　　第四编行星及其卫星　　第一章　行星的轨道及其各种情形　　第二章　水星　　第三章　金星　　第四章　火星　　第五章　小行星群　　第六章　木星及其卫星　　第七章　土星及其系统　　第八章　天王星及其卫星　　第九章　海王星及其卫星　　第十章　曾经的大行星冥王星　　第十一章　太阳系的比例尺　　第十二章　引力与行星的称量　　第五编彗星与流星　　第一章　彗星　　第二章　流星　　第六编恒星　　第一章　星座　　第二章　恒星的本性　　第三章　恒星的距离　　第四章　恒星系统　　第五章　星云　　第七编星系与宇宙　　第一章　银河系　　第二章　河外星系　　第三章　膨胀的宇宙　　第四章　大爆炸宇宙学　　第五章　微波背景辐射　　第六章　宇宙的组成　　第七章　宇宙的结构　　第八章　宇宙的演化　　第八编探索地外生命　　第一章　ＵＦＯ　　第二章　地球生命之源　　第三章　寻觅太阳系　　第四章　寻觅银河系我们的星辰系统(1)　　进入主题之前，我们不妨先在我们生存的这个空间中很快地旅游观光一下，这样就会对我们这个世界有一个大致的了解。幻想一下我们是从它们边界之外的一点上来看它们。当然我们要把这一点定得异常遥远。为了很清楚地得到这个“远”的概念，我们用光的运行来测量一下。于是我们非常幸运地雇佣了一个免费的飞毛腿佣人——光——每秒钟差不多能急行３０万千米，在钟表的两声滴嗒之间要环绕地球７圈半。我们所选定的那一点如果很适当的话，那么它和我们之间的距离就需要光行走１００万年了。我们在那么遥远的一点上几乎被完完全全地包围在黑暗之中了，只有一片漆黑无星的天空从各方向环绕着我们。可是，有一特殊的方向却不然：在那里，我们可以看到一大块微弱的光占据着天空的一部分，正像一片微云或者黎明之前的暗淡的曦光一样。在别的方向也有同样的光斑可以看见，但我们此刻先不管它。上面所说的这一片光，也就是所谓“我们的星系”——才是我们要观测的对象。于是我们向它飞行过去——要飞得怎样快是可想而知的。如果我们要在一年之内达到，就非得比光的速度更快１００万倍不可——当然，这只是个思维游戏而已，事实上，没有任何东西是可以快过光的——我们愈接近它，它就愈渐渐地在黑暗的天上展开来，直到后来把全天的一半都遮盖住了，只有我们背后的一半天空还是照旧漆黑。　　在到达这一阶段之前，我们已经能看见这一大团美丽的光雾中开始幻化出一些珍珠般的小光点在各处闪烁了。我们一面继续我们的飞行，一面便看到这些光点愈来愈多，并且从我们身边经过、在我们身后的远处消失，而许多新的光点又不断地迎上前来，正好像是火车中的乘客看到风景、房屋从旁奔驰过去一样。当我们深入其中的时候，就看出这些光点正是我们在夜间所看到的那些散布全天的星辰。我们若用这样幻想的高速穿过整个大光云，会发现熙熙攘攘的光云之外还是什么别的也没有——除了各种色彩和形状的光雾、光云零零落落挂在黑天鹅绒般的空中。　　但我们并不急于穿过那片美丽的光云，而是先选定一颗星，再减小我们的速度来更仔细地观察它。这颗星倒是并不大，可是我们愈接近它，它便在我们眼中愈加明亮起来。过了一段时间，它已亮得如同远处的烛光一样了。再过一段时间，它可以照出影子来了；再过一段时间，我们可以用它的光读书了；再过一段时间，它的光芒夺目，热力四射。现在看起来它像个小太阳——它可不正是我们的太阳么！　　我们再选定一个位置：这地方按我们刚才的旅程来说仅仅是在太阳附近，但按照我们普通的量度来说却已在几十亿千米以外了。现在我们再仔细看一看周围，便可看到９颗星状的光点围绕着太阳，但各有不同的距离。如果我们用相当长久的时间守望着它们，便会看出它们都在绕着太阳运行，但环绕一周的时间又各不相同，有的只用３个月，有的却需要２５０年。它们之间的距离远近也大不相同，最远的一颗离太阳比最近的一颗要远上１００倍。　　这些星状的东西都是行星。我们更小心地考察一下，便会知道它们与恒星不同之处是：它们都是黑暗物体，它们的光统统都是向太阳借来的。我们的星辰系统(2)　　我们再访问一下其中的一颗星。按照离太阳由近到远的次序，我们选第三颗。我们愈向它行近（这方向我们可以说是由上而下，就是说与从它到太阳的直线成直角。）便看见它愈大愈亮。当我们离它非常近的时候，它的形状便好像半明半暗的月亮了——其中一半在黑暗中，另一半被太阳的光辉照亮。我们再接近些，被照亮了的一部分，在我们眼中不断扩大着，并渐渐有了许多的斑点。再扩大一些，这些斑点便化成了海洋和大陆，其中大约有一半被云遮住而看不到表面；而暗的那一部分，却呈现出一些不规则分布的明亮的斑点，似乎是钻石上闪耀的光芒一样——这些是我们人类的杰作：城市通宵不眠发出的各色灯光。我们所注目的这一块表面在我们面前不断地扩大，渐渐地遮蔽了更大的天空，到后来我们看出它成了全部世界。我们落在上面，于是现在我们又回到地球上了。　　就像这样，我们在天空中飞行时肉眼绝对看不见的一点，在我们接近了太阳时就成为一颗星，再接近一些就成为一个不透光的球体，现在则是我们生存的地球了。　　这一次幻想的飞行使我们知道了一个重要的事实：在夜间天空上散布着的大群星辰都是太阳。换句话来说，太阳只是众星之一。跟这些同伴比起来，太阳倒是较小的一个，因为我们知道还有许多星要发出比太阳多出几千倍甚至上万倍的光和热。如果只从它们内在的固有的价值来评定群星，我们的太阳实在没有什么杰出的地方足以超过它的亿万同胞。它对于我们的重要性以及它在我们眼中的伟大都只是由于我们与它的一种偶然的关系而已。　　刚才我们描述了这一伟大的星辰系统。我们从地面上看来正和我们刚才在幻想飞行中后半程所见的一样，在我们现在的天空中散布着的正是我们在飞行中所见的那些星辰。我们从现在的位置来瞭望天空，跟我们从远处群星间某一点来观察天空，其间的最大不同只是太阳和行星的优越地位。太阳的光芒竟使它在白昼遮掩了天上的全部星辰。假如我们能够截去太阳的光芒，便一定会看到星辰昼夜都在空中运行。这些物体散布在我们周围各个方向，简直好像地球巍然居于宇宙的中心一样——这也正是我们祖先所臆测的一种情形。太阳系　　我们所居住的这个星系同其他绝大多数星系一样，有一颗巨大的主星为中心，四周环绕着它的一群从仆。这以太阳为中心组成的一个小小群体——我们称为太阳系。我想先让读者们记住这一系统的一个特色：比起众星之间令人咋舌的距离，它的范围简直是太渺小了。太阳系周围被空洞而辽远的巨大空间包裹着。即使我们能从太阳系的这一边横渡到那一边去，我们也不会把眼前的星星看得更近些；在太阳系边缘，我们看到的星座形状与地面所见没有什么不同。　　我在这里并不打算用一大堆巨大到已经让我们失去概念的数字来打扰我亲爱的读者。更实际一点的是请大家跟着我的描述来想象，以便读者们能理解我们在宇宙中的真实地位。先想象在宇宙模型中，我们所居住的地球用一粒芥子来代表。照这比例推下去，月亮便是只有芥子直径１／４大的一粒微尘，放在离地球２．５厘米远的地方。太阳则可以用一个大苹果来代表，放在离地球１２米的地方。其他行星的大小各不相同，约从一粒不可见的微尘到一粒豌豆那么大，离太阳的平均距离也差不多是４．５～５４０米之间。于是我们又要想象着这些小东西都慢慢地各自围绕太阳兜着不同的圈子，每圈所用的时间也大不相同，约从３个月到２５０年不等。既然这粒芥子是一年之间兜一个圈子，我们也必须想象月亮是陪着它走，而且每一个月也绕着它兜一个圈子。　　照这比例，整个太阳系便可以在不到２．６平方千米的范围内摆下了。在这范围以外，即使我们跑出比全美洲还要大的地面去看也看不到什么东西，除了也许有些彗星散布在它的边界上。出了美洲界限很远我们才碰到了一颗最邻近的星，这颗星也像我们的太阳一样可以用一个苹果来代表。再远许多，便会在各方向都有一些星星，可是大致都互相距离像太阳跟它最邻近的星相距的那么远。在整个地球这么大的地方，依我们的模型比例说来，也只能容下两三颗星罢了。　　我们由此便可以看出，在一次宇宙的空间飞行中（例如我们刚才所想象的），我们一定会忽视一个像地球这样不值得注意的小东西——即使我们很细心地寻找也不能发现它。我们简直像在密西西比河（Ｍｉｓｓｉｓｓｉｐｐｉ）流域的空中飞行，想看到下面的一粒芥子一样。甚至那代表太阳的明亮的苹果也会被忽略过去的，除非我们碰巧飞得离它很近。天界现象(1)　　由于星辰间的距离太过漫长，单凭肉眼观测，我们绝不可能对宇宙的大小形成一个明晰的概念，并且很难想象出我们与这些天体的实际距离。假若我们能一望而知星辰的远近，假若我们的眼睛又锐利得足以看出恒星和行星表面上的微小的形貌，那么，宇宙的真实构造便会在人类开始研究星空的那一天就真相大白了。只要略微思索就容易明白，假如我们能离开地球相当远的距离（比如它的直径的一万倍吧），那时我们便不能看出它的大小而只看到一个点，在太阳的光下，它也就会像一颗天上的星星一样向我们闪烁。古人却不曾想到这一点，因此他们便认为那些天体都如他们所看到的那样，和地球是绝不相似的东西。即使到了现代，我们自己瞭望天空的时候，也很难想象这些恒星比那些行星要远出千百万倍。它们都好像是在一个天空上以同等远近分布着。只有逻辑和数学所折射出的理性的光辉才能帮助我们得知它们真实的分布与远近来。　　正因为难以想象出这种巨大的尺度差异，所以要在心里形成一幅符合它们之间真实关系的图画便非常困难。在这里，读者们得用上十二分小心的注意力，以便我把这些毫无头绪的关系用最简单的方法表示出来，从而把实际情形与我们所见的情形联结起来。　　让我们假定把地球从我们脚下拿开了，剩下我们在空中悬挂着。那时我们便会看见各种天体——太阳、月亮、行星、恒星——在各方向围绕着我们，上下东西南北都有。那时眼睛所看见的就没有别的东西。正如我们方才所解释了的，所有这些东西在我们看来也都是同样远近的。　　从中心点向各方向以同等距离散开来的大量的点一定是都在一个空洞球体的内部表面上的。因此在我们所假定的这种情形下，诸天体在我们看来一定也像是安置在一个球面上，而我们自己恰在球的中心。既然天文学的最终目的之一是研究我们看到的天体的方位，所以我们看到的大球在天文学中谈起来也就仿佛是真有这回事了。这便是所谓“天球”（ｃｅｌｅｓｔｉａｌｓｐｈｅｒｅ）。在我们所想象的这种情形中，脚下的地球一旦失去，所有在这天球上的天体就会在任何时刻都静止不动了。一天一天，一星期一星期过去了，那些恒星还在那儿丝毫不动。不错，我们如果静静守候着那些行星，就会看出在几天或几星期（这是依它们各自的情形而定）之内它们慢慢绕着太阳转，但这不是一下子便可看出的。我们的第一个印象大概是这个球是由什么坚固的水晶体做成，而那些天体便都钉牢在它的内部表面上。古人曾有过这种概念，他们还把它修正得更近乎实际，他们幻想着有许多的球形互相嵌套在一起，以代表各天体的不同距离。　　心中记住了这种概念，我们再把地球搬回脚下来。现在我们又要测试一下读者的想象力了：地球在与天空的大小比较的时候只是一粒微点；可是我们若把它放在适当的地方，它的表面便从我们眼中截去了一半宇宙，正好像一个苹果会从爬在上面的小虫的眼中遮去房间的一半一样。在地平线上的一半天球还可以看见，便叫做“可见半球”（ｖｉｓｉｂｌｅｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ）；另一半在地平线下，被地球遮掩了看不见的，便叫做“不可见半球”（ｉｎｖｉｓｉｂｌｅｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ）。当然我们可以周游地球去看那一半球的。天界现象(2)　　记清楚这种情形后，我们要再请读者集中一下注意力。我们知道地球不是静止的，它不停地绕着通过它中心的一根转轴旋转，这件事的当然结果便是整个天球看起来都向相反的方向旋转了。地球从西往东转，因此天球便好像是从东往西转。这实际的地球自转和因之而起的星辰的视转动便叫做“周日运动”（ｄｉｕｒｎａｌｍｏｔｉｏｎ），因为这种运动是一日一周。星辰的每日视转动(1)　　我们第二步便要表示出在地球自转的极简单的概念与因之而起的天体的周日视转动所表现的较复杂的现象之间的联系。后者是随地球上观察者所在的纬度不同而不同的。我们先从在北纬中部所看见的现象说起。　　为了这个目的，我们可以先想象造出一个内空的大球来代表天球。我们可以随意把它造多么大，但一个直径１０米左右的已足够用了。现在用图１表示这个大球的内部，它是钉在转轴的两点上（Ｐ和Ｑ），使它能够倾斜地旋转。在中心点Ｏ上，我们有一个平的盘子——ＮＳ，我们在这盘上坐着。星座都在球的内部，全表面上都有，可是下面一半被盘子遮住了，我们看不见。这个盘子很显然地代表了我们的地平线。　　现在我们便使这大球在转轴上旋转起来。这时发生了什么事？我们会看到在转轴的Ｐ点附近的星在大球旋转时也都绕着Ｐ点转。在ＫＮ圈上的星绕到Ｐ点下面的时候会擦到圆盘的边。离Ｐ点更远的星就会沉落到盘底下去，或远或近，依它们离Ｐ点的远近而定。靠近ＥＦ圈上的星正在ＰＱ之间，它们的旋转路程一半在盘上一半在盘下。最后，在ＳＴ圈内的星就永不能升到盘上面来，因此也永不能为我们所见。　　我们眼中的天球就正是这样一个球，不过加上无限大的广袤而已。在我们看起来，它也是把天上的一点当成转轴不停地绕着旋转，差不多一日一周，太阳、月亮、星辰也都随着它旋转。星辰都保留着它们自己相互间的位置，就好像是钉扎在旋转的天球中一样。这便是说，如果我们在夜间任何一小时内给它们拍摄一张照片，那么在其他任何小时内它们也还是照片中的状况，只要我们能把它放在准确的方位上。　　转轴的Ｐ点叫做“天球北极”（ｎｏｒｔｈｃｅｌｅｓｔｉａｌｐｏｌｅ）。在北纬中部的居民（我们中的大部分都是）眼中，它便在北天上，差不多正当天顶与北方地平线的正中。我们住的地方愈向南去，北极便愈靠近地平线，它离地平线的高度正相当于观察者所在地的纬度。离北极很近的一颗星便是北极星，我们以后要讲怎样去寻找它。在平常的观测中，北极星似乎从来不移动。其实它离北极只有一度多一点，这差别我们现在可以不管它。　　正对着天球北极的是“天球南极”（ｓｏｕｔｈｃｅｌｅｓｔｉａｌｐｏｌｅ），它在地平线下，与北极离地平线的距离一样远。　　很明显的，在我们的纬度上所看见的周日运动是倾斜的。当太阳从东方出来的时候，它看起来并不是从地平线上一直升起来的，它的路线是倾向着南方与地平线成一个或大或小的锐角。因此在它沉没的时候，它对于地平线也还是取着倾斜的路线。　　现在我们再想象一只极大的圆规来，它要大得足以接着天界。我们把它的一只脚定在天球北极，再把另一只脚接上北极下面的地平线。让指定北极的那只脚不动，而用另一只脚在天球上画出一个大圆圈来。这大圆圈的下面正好和地平相连，而它的上面，在我们的北纬地区看起来，最高点已差不多接近天顶了。这大圆圈里的星是永远不落的，它们看来只是每日环绕北极转动一周。因此，这圆圈便叫做“恒显圈”（ｃｉｒｃｌｅｏｆｐｅｒｐｅｔｕａｌａｐｐａｒｉｔｉｏｎ）。星辰的每日视转动(2)　　在这圈外更向南的星都有升有落，可是越往南去的星每天在地平线上的路程就越少，直到最南方的一点上，星星只在地平线上略微一露面就隐退了。　　更往南去的星，在我们的纬度上看起来，就根本不出现了。那些星都在一个“恒隐圈”（ｃｉｒｃｌｅｏｆｐｅｒｐｅｔｕａｌｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ）中。恒隐圈以天球南极为中心，正像恒显圈以天球北极为中心一样。　　图２是北方所见的恒显圈内的北天主要星座。把适当的月份转到顶上来，我们便可看到当月每日下午八时前后的北天星座了。图中也标出了找北极星的方法，就是利用大熊座中７颗星（即北斗七星）中的两颗“指极星”（Ｐｏｉｎｔｅｒｓ）的延长线，那便是对着北极的方向。　　现在我们来变换一下我们的纬度看看会有什么变化。如果我们是向赤道方向旅行，我们的地平方向也改变了，而且在我们的途中可以看到北极星渐渐地往下沉落得越来越低。我们接近了赤道，它也接近了地平，我们到了赤道，它也到了地平线上。当然，恒显圈也随之越来越小，我们到了赤道时，恒显圈也就完全消失了，南北方向地平线上各有天的一极。那里的周日运动就跟我们此地所见的完全不同了。太阳、月亮、星辰，升起来时就一直向上。如果有颗星恰好在正东方升起，它必定会正好经过天顶；从偏南些的天上升起的星一定从天顶南边过去；而偏北的星也自然从天顶北边过去了。　　我们再继续往南走，到了南半球上，我们又看到太阳虽然从东方出来，却大致是从天顶的北面横过中天了。南北两半球上的最大不同点便是：太阳既然在天顶的北边过中天，它的视运动就不像我们这儿一样跟钟表上时针方向一致，却恰好与之相反了。在南纬中部，我们所熟悉的北天星座都永远在地平线下，而南方却出现了新的星座。有些南天星座是颇以美观著名的，例如南十字座。其实说来，大家常以为南天比北天更加美丽而且包含更多的星。可是这种见解现在已证明是不正确的了。很仔细地研究计算这些星辰后，我们知道南天和北天的星数差不多是相等的。大概我们刚才说的这种印象是由于南天相对晴朗些也未可知。南非洲以及南美洲的空气中确实比我们北方较少烟雾，这也许是因为那儿气候比较干燥的缘故。　　我们刚才说的北天星辰绕天极的周日运动也同样可以适用于南天。但是南天并没有南极星，因此也没有方法找出天球南极来。南极附近有一些小星，可是也并不比天上别处更密。当然南半球上也有它的恒显圈，而且我们越往南去，圈也越来越大。这便是说在南极周围有一圆圈中的星辰永远不落，却绕着南极转，看起来的方向也正和北天上的相反。因此，也还有一个恒隐圈，里面包括了北极附近的星座，而这些星座却是在我们的纬度上永远不落的。一旦我们过了南纬２０度，就绝看不见小熊座的任何部分。再往南去，大熊座也只在地平线上或多或少的露出一部分了。　　如果我们再继续向南极旅行，我们便再也看不到星辰的升落了。那些星都平行地绕着天上一点转动，中心南极便在天顶。当然这种情形在北极也是一样的。时间与经度的关系　　我们都知道，一条由北而南通过某地的线叫做该地的子午圈。更确切些说，地球表面上的子午圈便是由北极至南极之间所作的半圆。这种半圆从北极向各方散开，因此我们可以把这线画到任何地方去。格林威治皇家天文台（ＲｏｙａｌＯｂｓｅｒ－ｖａｔｏｒｙａｔＧｒｅｅｎｗｉｃｈ）的子午圈是当今国际公认的经度计算的起点，而欧美大部分的钟表时间也是依此标准而定的。　　相对于某地地上子午圈的还有天上的子午圈（即地上的子午圈在天球上的投影），从天的北极起始通过天顶，在最南一点与地平相交，再往南直达南极。既然地球绕着轴旋转，它也就把地上的跟天上的子午圈一起连带着旋转，因此，天上的子午圈在一日之内经过整个天球。在我们看来的现象却是天球上的每一点在一日之内都要经过子午圈。　　中午便是太阳通过子午圈的时刻。在现代计时工具出现以前，大家都依照太阳定钟表。可是因为黄道的倾斜角与地球绕日轨道的偏心率，太阳每次经过同一条子午圈前后所间隔的时间是不完全相等的。结果，假如钟的时间准确，太阳便有时在正午１２点钟以前，有时又在以后通过子午圈。如果明白了这个道理，便不难区分视时（ａｐｐａｒｅｎｔｔｉｍｅ）与平时（ｍｅａｎｔｉｍｅ）了。视时是依太阳而定的每日长短不等的时间；平时是依钟表定的每日之内完全不差的时间。两者之间的差别便叫做时差（ｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｔｉｍｅ）。它们相差最多的时候约发生在每年１１月初和２月中。１１月初，太阳在１２点前１６分钟经过子午圈；在２月中，却又在１２点以后１４分钟经过子午圈。　　为了定出平时，天文学家想象出一个平太阳（ｍｅａｎｓｕｎ）的概念。平太阳是永远顺着天球赤道运行，因此每次经过同一子午圈间隔的时间完全一致，也因此有时在真太阳之前，有时又落后了。这个想象出的平太阳就可以确定每天的时间。如果不管真实情形，只按照眼见的景象说起来也许更为明了，那么我们先想象地球是静止不动的，平太阳绕着地球转，陆续经过各地的子午圈。这样我们便要想象着“中午”永远环绕世界周游了。在我们的纬度上，它的速度只不过是每秒３００米左右；这就是说，假如我们所在的地方正是中午，１秒钟后，向西３００米的地方便是中午，再过１秒钟又西移３００米，依此类推下去，过了２４小时后中午又回到我们这儿来了。这种情形的最显著的结果便是：任何两个在不同子午圈上的人不可能处在相同的时间。我们向西方旅行，便要不停地觉得我们的表比当地的表走得快，反之，向东方旅行，我们的表又太慢了。这种不同的时间便叫做“地方时”（ｌｏｃａｌｔｉｍｅ）。标准时　　从前这种地方时的应用曾引起旅行者的很大的不便。每条铁路都有自己的子午圈，依照自己的时间开车，而旅客因为不知道自己的钟表与铁路时间的关系，便常常容易误了火车。直到１８８３年，我们现在的标准时制度才成立。在这种制度下，每１５度（就是说太阳在每一小时内经过的地方）有一标准子午圈。中午经过标准子午圈的时候，两旁７．５度之内也都算是正午。这便叫做“标准时”（ｓｔａｎ－ｄａｒｄｔｉｍｅ）。指示这些地带的经度也都以通过格林威治（天文台）的子午圈为起点计算。费城（Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ）约在格林威治西７５度或者说西五区，更确切些说是约５时１分。于是美国东部诸州的标准子午圈便在这地方（费城）东面一点。平正午（ｍｅａｎｎｏｏｎ）经过这子午圈时，西面一直到俄亥俄（Ｏｈｉｏ）都要算是正午１２点的。１小时后，１２点便在密西西比河流域。再过１小时，１２点又在落基山脉（ＲｏｃｋｙＭｏｕｎｔａｉｎｓ）一带。再过１小时，１２点在太平洋沿岸了。于是美国便有四种时间：东部时间、中部时间、山区时间、太平洋时间，依次相差一个钟头。用这种标准时，在太平洋、大西洋之间穿梭的旅行者只要每次把钟表拨快或拨慢１小时，便与在单一时区中毫无差别了。　　１９４９年之前，中国分别设置了５个时区，即：中原时区、陇蜀时区、新疆时区、长白时区、昆仑时区。时区不同，所在地的时间也不一样。新中国采用以首都北京所在的东八时区的时间作为全国的标准时间，通称为“北京时间”。　　一个地方经度的确定也就是利用这种时间的差别。试想有一观察者在纽约（ＮｅｗＹｏｒｋ），当某一颗星准确经过子午圈的时候发一下电报，这时间便在芝加哥（Ｃｈｉｃａｇｏ）和纽约两处记录了下来。等到这颗星经过芝加哥的子午圈的时候，另一观察者又发一下电报报告时间。这两次电报之间所隔的时间表示了这两城市相差的经度。　　另一种定经度的方法便是两观察者互相报告本地的地方时，这样也可以得到与前面同一的结果。两地时间之差也就是经度之差。　　可是在这方面有一点必须记得：天体的升落出没是依照地方时而不依标准时的。因此日历中列的太阳出没的时刻不能确定我们钟表的标准时，除非我们恰好住在标准子午圈上。这两种时间的差异之一便是：当我们向东或西旅行时，地方时不断的改变，而标准时却只在我们经过某一时区的边界时，一跳跳过去１小时。日期在什么地方改变　　“午夜”也像“中午”一样不断地绕着地球旅行，陆续经过子午圈。每过一处便表示那一子午圈上又开始新的日期了。假使它经过一处的日期正是星期一，那么它再来时便是星期二了。因此一定有一道子午圈是星期一与星期二的交界处，或者说是两天之间交替的地方。这一划分日期的子午圈叫做“国际日期变更线”（ｄａｔｅｌｉｎｅ），人们只是由习惯和方便来划定这条线的。当移民向东西方发展的时候，人人都把日期带了去。但直到向东去的跟向西去的在一处碰了头时，他们的日期已相差了一整天。向西去的还是星期一而向东来的却已是星期二了。这便是美国人到阿拉斯加（Ａｌａｓｋａ）时所发生的事。俄国人向东走到了这地方，美国人向西走也到了这地方，可是美国人还在过星期六而俄国人已经度星期日了。于是发生了一个问题：当地居民要到希腊教堂做礼拜的时候，到底应该遵照新的还是旧的日期计算法呢？这问题一直闹到圣彼得堡（Ｓｔ．Ｐｅｔｅｒｓｂｕｒｇ）大教堂的主教面前，最后还是请俄国国立普尔科沃天文台（ＰｕｌｋｏｖａＯｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ）台长斯特鲁维（Ｓｔｒｕｖｅ）来解决。斯特鲁维做了一个报告，认为美国人算法较为正确，日期才算更改一致了。　　现在习惯所规定的国际日期变更线是正对着格林威治的子午线。这条界线恰好在太平洋中间，经过很少的陆地——只是亚洲的东北角也许还有斐济群岛（ＦｉｊｉＩｓｌａｎｄｓ）的一部分。这是一种很有利的情形，日期变更线经过一个国家内部所发生的种种不便就由此可以避免了。因为假如是那样，这一城市的日期就会和界线外的邻城日期相差一天的。甚至也许一条街的两旁的居民都会过着不同的星期日的。可是既然日期变更线在海洋中，就不会有这种麻烦了。国际日期变更线并不是严格的地上的子午圈，它可以曲折拐弯以回避上述的不便的。因此，查塔姆群岛（ＣｈａｔｈａｍＩｓｌａｎｄ）上的日期跟邻近的新西兰（ＮｅｗＺｅａｌａｎｄ）的日期一致，虽然离格林威治１８０度的子午圈正从它们中间经过。怎样确定一个天体的位置(1)　　本章中我不得不引用并且解释一些专门的名词了。如果我们想完全明白天体的运行，以及在任何时候观测星星的位置的话，这些专门名词的意义都是很重要的。对于一位只想大致知道天界现象的读者，这一章并不是必要的。但我一定要请那想更深一点了解天象的人来一同作更深的研究，研究我们在第二章里所描写过的天球。我们现在回到图１上去，便可看出我们正在研究的两个球之间的关系。一个是真实的地球，我们住在它上面，它每天带着我们不停地旋转。另一个是天上看来仿佛存在的天球，它在极其辽远的距离之外从各方向围绕地球，它虽然不是实在的，我们却一定要想象着它，为的是知道到什么地方去寻找天体。要注意我们是在天球的中心，因此天球上的东西都好像是在球的内部表面上，而我们是在地球的外部表面上。　　这两球上的许多圈点都有类似的关系。我们已经说过地球的转轴指出我们的南北极，又从两个方向直横过长空，指出天球上的南北极来。我们知道地球的赤道环绕地球，离两极同样远。同样的，在天球上也有一条赤道环绕天球，与两天极各成９０度。假使能把它画在天上，那我们就日夜都能看见它永远在不变的位置上。我们可以准确地想象出它的形状来。它在正东正西两点上与地平线相交，实际上也便是当春分、秋分（３月、９月）时，太阳在地平线上的１２小时内，由周日运动在天上移动的那一条路线。在美国北部诸州看来，它正好横过天顶与南方地平线之间的正中间，越往南来，它也越近天顶——在中国的大部分地区看来，也是如此。　　正像我们有平行于赤道而环绕地球赤道南北的纬度圈一样，天球上也有与天球赤道平行以两天极为中心的圈子。正像地球上的纬度圈越接近两极越小一样，天球上的纬度圈也越接近天极越小。　　我们知道地上的经度是根据通过该地的从北极到南极的子午圈而定的。这子午圈与格林威治子午圈所成的角度便是当地的经度。　　在天球上，我们也有同样的东西。也想象出一些线介于北天极到南天极之间在各方向散开，但都与天球赤道成直角正交，如图３所示。这便叫做“时圈”（ｈｏｕｒｃｉｒｃｌｅｓ）。其中之一叫做“二分圈”（ｅｑｕｉｎｏｃｔｉａｌｃｏｌｕｒｅ），图中也标示着。这条线正好通过春分点（这一点我们下一章就要讲到）。它在天上的作用与格林威治子午圈在地上的作用相同。　　天球上一颗星的位置与地球上一座城的位置是用同样的方法来定的：由它的经纬度来表示。可是用的名词却不大一样。天文学中，等于地上经度的叫做“赤经”（ｒｉｇｈｔａｓｃｅｎｓｉｏｎ）等于地上纬度的叫做“赤纬”（ｄｅｃｌｉｎａｔｉｏｎ）。于是我们便有了下面这些定义，我要请读者把它们好好的记下来。　　一颗星的赤纬便是它距离天球赤道在南北方向上的视距。图３中的星正在赤纬北２５度。　　一颗星的赤经便是经过这颗星的时圈与经过春分点的二分圈所成的角度。图３中的星正在赤经３时上。　　在天文学中，一颗星的赤经是用时分秒来表示的，正如图３中所示。可是它也可以用度数来表示，正像我们说地上的经度一样。用时表示的赤经化成度数只须乘以１５便可得。这是因为地球在每小时中旋转１５度角。从图３中还可看出，纬度的相差体现在直线距离上，全地球上都一样长短，而经度相差却不然了，它的直线距离从赤道到两极越来越小。在地球赤道上，一经度的相差约相距１１１．８千米，可是在南北纬４５度上，它只有６７．６千米了。在南北纬６０度上它已不到５６千米。在两极它便等于零了，因为在那儿各子午圈都相遇于一点了。怎样确定一个天体的位置(2)　　我们还可看到地球自转的线速度也依这一规律而减小。在赤道上经度相差为１５度则直线距离约为１６００千米，地球旋转线速度约为每秒钟４６０米。但在南北纬４５度上，线速度已减小到每秒３００米多一点了。在南北纬６０度上已只等于赤道的一半；到了两极上则减小为零了。　　应用这种经纬到天上去，唯一的困难只是地球的自转。只要我们不旅行，我们便永在地球的某一经度上不动。可是因为地球的自转，天上任何一点的赤经（在我们看来是固定的）却不断的移动了。天球子午圈与时圈的差别仅仅在于前者随着地球旋转而后者却固定在天球上不动。　　几乎在地球与天球的每一点上都有一种严格的相似。地球在它的轴上从西往东旋转，天球便好像从东往西旋转。如果我们想象地球正在天球中央，有一根公共转轴穿过它们（如图３所示），我们就可以对它们的关系得到一个明晰的概念了。　　假如太阳也像星辰一样几乎年年岁岁都固定在天球上不动，那么要找一颗我们已知赤经和赤纬的星星肯定会比较容易一些。因为地球有每年一次的环绕太阳的公转，所以在每晚相同时刻，天球上的太阳视位置便永不相同。我们下面就要指出这种公转所产生的影响。