第二节 天空万象

我们和天体之间的巨大距离使我们无法对宇宙的大小有一个清晰的概念，也很难想象天体与我们之间的真实关系。如果我们一望便知天体星辰离我们有多远，如果我们的眼睛能够对恒星和行星的表面明察秋毫，宇宙的真实结构早在人类研究天空之初就昭然若揭了。略加思考就能明白，如果我们远离地球，比方说在地球直径1万倍的高空，便无法看出地球的大小了，在阳光中地球看起来就像天空中的一颗星。古人没有这样的距离概念，所以他们认为天体所呈现的结构与地球截然不同。就是我们自己在瞭望天空的时候，也很难想象恒星比行星遥远数百万倍。所有的星星看起来都好似分布在同样高度的一片天空中。我们必须理性地认识星辰的实际分布和距离。

地球上的物体和天空中的物体之间距离上的巨大差异是很难想象的，因此思考二者之间的实际关系也非常困难。我请读者用心尝试用最简单的方式呈现这些关系，以便将实际情形和我们所见到的关联在一起。

我们来做一个假设，将地球从我们脚下移走，我们悬浮在半空中，这时便会看到各种天体——太阳、月亮，以及其他恒星、行星——都围绕着我们，上下、东西、南北各个方向都有。眼前除了天体看不到别的什么。正如我们刚才所讲的，所有这些天体看起来都与我们保持着相同的距离。

从一个中心点以同样距离分散在各个方向上的众多的点，一定都在一个中空球体的内表面上。由此可见，在这个假设中，呈现在我们面前的众天体分布在以我们为中心的球面上。既然天文学的终极目的之一是研究天体相对于我们的方位，那么这个在天文学中谈论的视觉上的球体就仿佛是真实存在的。这便是所谓的天球（celestial sphere）。在我们的假设中，由于地球不在原来的位置上，那么天球上的所有天体在任何时刻似乎都是静止的。几天过去了，甚至几周过去了，恒星貌似纹丝不动。而通过对行星进行数天甚至数周（观测的时间视具体情况而定）的观测，我们看到的实际情况是，行星在围绕着太阳缓慢移动。但这并不是一眼就可以察觉到的。最初我们认为，天球由固态的晶体构成，天体都固定在天球的内表面。古人将这一观点发展得更加接近事实，为此他们幻想有许多这样的天球层层嵌套在一起，从而形成天体的不同距离。

带着这个观点，我们将地球搬回脚下。现在我请读者们想象下面的情形：地球在无垠的天空中只是一个点而已，然而，当我们把地球搬回脚下时，地球的表面遮挡了我们的视线，宇宙的一半我们都看不到了；就像对于苹果上的爬虫，苹果将爬虫视线中一半的空间遮蔽了。地平线之上的一半天球是仍然能看见的，称为可见半球（visible hemisphere）；地平线之下的一半天球，因地球遮挡而看不见，称为不可见半球（invisible hemisphere）。当然，我们可以通过环球旅行看到后者。

知晓了上述事实，我再次请读者集中注意力。我们知道地球不是静止的，而是围绕地球中心轴不停旋转。这种旋转的直接后果便是天球看起来向反方向旋转，即地球自西向东自转，而天球似乎自东向西旋转。这种真实存在的地球转动称为周日运动（diurnal motion），因为地球的这种转动是一天旋转一周。地球的周日运动产生了星辰的视转动。

星辰的日常视转动

下一个问题是，地球自转这一简单概念同由此产生的天体周日视运动所呈现出的复杂表象之间的关系。后者因观测者在地球表面所处的纬度不同而发生变化。我们从北纬中部地区开始。

为此我们可以想象一个中空的球体代表天球。我们可以把它想象得同摩天轮一样大，不过直径30或40英尺足以满足我们的要求了。图1是这个球体的内部，P和Q是固定大球的两个轴点，从而大球可以围绕这两个点在斜对角方向上旋转。在球体中心点O有一个过O点的水平面NS，我们就位于这个平面上。星座标记在球体的内表面上，整个内表面全部都是星座，但是下面半球上的星座由于平面的遮挡而看不见。显然，这个平面代表地平线。

图1 我们眼中的天球

现在大球开始围绕轴点转动，会有什么现象发生呢？轴点P附近的星星在大球转动时围绕P点旋转。圆周KN上的星星在经过P点下方时会擦到水平面的边缘。而那些距离P点较远的星星会掉落到水平面以下，掉落的程度取决于它们与P点的距离。圆周EF在P和Q的中点，其附近的星星则半程在水平面以上，半程在水平面以下。最后，圆周ST上面的星星永远不会转到水平面以上，因而我们永远看不见。

在我们看来，天球就是这样一个球体，而且无穷大。它看上去似乎一直围绕着天空中的一点不停旋转，这个点就是它的中心点。天球旋转一周的时间大约是一天，同时带着太阳、月亮和星星随之一起转动。星星保持着它们的相对位置，就好像固定在了不停旋转的天球上。这意味着，如果我们在晚上的任意时刻给星星拍一张照片，那么在其他时间星星呈现出的依然是照片中的情形，只要我们在正确的位置上拿着这张照片。

P所标注的轴点叫作北天极（north celestial pole）。对于北方中纬度地区（我们中的大多数人生活在此）的居民，北天极在北方天空，接近顶点和北方地平线的中点。我们生活的地方越往南，北天极越接近地平线，其高出地平线的高度与观测者所处的纬度相等。北极星离北极很近，我们会在后面介绍如何寻找北极星。在平常看来，北极星似乎一直都在那里，从未移动过。现在北极星距北极1°多一点，不过此刻我们无须关注这个数字。

与北天极相对的是南天极（south celestial pole），二者在地平线两边是对称的。

显然，在我们所处的纬度看到的周日运动是倾斜的。当太阳冉冉升起的时候，似乎并非垂直于地平线，而是向着南方与地平线多少形成一个锐角。所以，当太阳落山的时候，它的运动轨迹相对于地平线仍然是倾斜的。

现在，想象我们拿着一副很长的圆规，足以触到天空。将圆规的一个尖放在天空中的北天极，另一个尖点在北天极下面的地平线上。保持在北天极的那个尖不动，用另一个尖在天球上画一个完整的圆。这个圆的最低点恰好在地平线上，最高点在我们所处的北纬度区域来看，接近天顶。这个圆上的星星从来不会坠落，看起来只是每日围绕北天极转一圈，因而得名恒显圈（circle of perpetual apparition）。

在这个圈南面较远的星星升起又落下，但是越往南它们每天在地平线之上的轨迹就越短，最南端的星星在地平线上几乎看不到。

在我们所处的纬度，最南端的星星从来不会出现。这些星星在恒隐圈（circle of perpetual occultation）上，恒隐圈以南天极为圆心，就像恒显圈以北天极为圆心一样。

图2是北方能够看到的北天恒显圈上的主要星座。图中某月份在顶部时，我们看到的就是该月份晚上8点左右星座的情形。图中还画出了利用北斗七星，也就是大熊座（Ursa Major），在中心寻找北极星的方法，即根据星座中最外边的两颗星指示的方向，这两颗星亦被称为指极星（Pointers）。

图2 北天与北极星

现在，改变一下我们的纬度看看会发生什么。如果我们向赤道方向运动，地平线的方向就改变了。途中我们将看到北极星越落越低，随着我们逐渐接近赤道，北极星也逐渐接近地平线，当我们到达赤道时，北极星也落到了地平线上。很显然，恒显圈也越变越小，直至消失在赤道上，天球的两极落在地平线上。此时，周日运动也与我们这里有很大不同。太阳、月亮和星星都垂直升起。如果有一颗星在正东方升起，它将会经过天顶；如果从东方偏南升起，则会经过天顶南边；如果从东方偏北升起，则会经过天顶北边。

继续我们的行程，进入南半球，太阳依然从东方升起，通常经过子午线升至天顶北边。南北两个半球的主要差别是，当太阳在天顶北侧升至最高点时，太阳的视运动不是顺时针方向，而是逆时针方向。在南纬中部地区，我们熟悉的北天星座永远在地平线以下，但是能看到我们没见过的南天星座。其中有一些以美丽著称，如南十字星座。诚然，通常认为南天的星座更美丽，数量也比北天的多。但是，现在发现这一观点并不准确。经过仔细研究以及对星星的数量进行统计，发现两个半球的星星数量一样多。人们之所以会产生之前的印象可能是由于南半球的天空更加晴朗。也许因为气候干燥，南半球非洲大陆和美洲大陆空气中的烟雾比北半球的少。

我们之前已经讲过北天星辰围绕极点的周日视运动，南天的星辰亦是如此。然而，因为没有南极星，所以无法辨别南天极的位置。南天极周围有一群小星星，但是这群小星星并不比天空中其他位置的星星更密集。当然，南半球也有恒显圈，而且越往南恒显圈越大。也就是说，围绕南天极的一圈星星永远不会坠落，始终围绕南天极旋转，而且旋转方向明显与北天极相反。南半球当然也有恒隐圈，那些环绕北天极而在北纬地区永远不会坠落的星星都在恒隐圈上。当我们越过南纬20°继续向南，便一点也看不到小熊星座（Ursa Minor）了；继续向南，大熊星座也只是或多或少地偶尔露出地平线。

如果我们继续此次旅程到达南极点，会发现星星既不上升也不坠落。其围绕天空的运行轨迹是水平的，轨迹的圆心即南天极，与天顶重合。当然，这一现象在北天极亦是如此。