第二章
周日视运动

星辰间的距离是那么遥远，若想对宇宙的大小有更宏观的认识，只凭肉眼的观测是绝不可能实现的，而我们与这些星辰的实际距离更是无法推断出来。若是我们与星辰之间的距离以及恒星和行星表面的状貌都能在一眼之间全被我们掌控，那人类早在开始研究宇宙时便可对其真实面貌了如指掌。不难想象，如果我们有能力到地球直径的 100 万倍以外的地方去的话，那它在我们眼中也如同其他群星一般，不过是一个小点，在太阳的照射下闪烁。遗憾的是我们的先辈未曾有这样的认识，所以他们才认为地球是完全不同于其他群星的天体。就算是在今天，我们仰望星空的时候，对于有的恒星竟在某些行星千百万倍远之外的远方也是难以置信的。在我们看来，它们仿佛悬挂在同一片天空，各自到我们的距离是相等的。唯有透过逻辑和数学的理性光辉，我们才能准确掌握它们的分布位置和距离。

若想在脑海里构思出一幅关于群星之间的真实画面会显得十分困难，因为实际与想象之间存在巨大差异。因此，亲爱的读者，你们得全神贯注地看我如何用最简单的方法来理清这些纷繁复杂的关系，成功地将实际情形与所见情形相结合。

现在我们来想象以下情景：我们脚下的地球已被撤离，而我们正悬于天空。此时，我们眼前除了这些来自上下左右各个方向的将我们环绕的天体外，没有其他事物，当然，太阳、月球、行星、恒星皆在眼前。一如前面所解释的那般，所有这些天体在我们看来到我们的距离是相等的。

以一个点为中心，那么从该点向各个方向引出的相同距离的许多的点，必定是在同一球面上的。依照我们刚才想象的情景，众天体也必定是位于同一球面的，而我们正好处于球心的位置。研究天体的方位是天文学最终的目的之一，那呈现在我们眼前的大球在天文学看来似乎确有其事，这就是“天球”。依照我们所想象的情形，脚下的地球一旦被抽离，那么天球上的所有天体便会立刻静止不动。一天又一天，一星期又一星期，那些恒星依然丝毫未动。然而，假如我们对那些行星观察够仔细的话，就会发现在几天或几星期（视各自情况而定）之中，它们是绕着太阳慢慢运行的，但这并非那么轻易就能发现的。猜想这个天球是由何种坚固的水晶体构成的，其他天体则被牢牢钉在它的内部表面上，这也许是我们看到它时的第一反应。我们的先辈也曾这样假想过，并将其完善得更接近真实情形。在他们的假想中，用许多相互嵌套在一起的球形来代表天体间的不同距离。

记住这一假想后，我们将地球再次放回到我们脚下。又到了考验读者想象力的时候了：地球与天空比起来，不过是一粒微尘；但假如我们把它放于恰当的位置，那我们眼中的宇宙将被它遮住一半，就像一只爬在苹果上面的小虫眼中的房间会被苹果遮住一半。这样一来，一半天球在地平线上，另一半在地平线下，在地平线上的能被看见的叫做“可见半球”，另一半不能被看见的叫做 “不可见半球”。不过，我们可以环游地球去看它的另一半。

清楚以上情形后，还劳烦读者集中注意力继续跟随我们前进。地球并非静止的这一点我们都清楚，它时刻都在以通过地心的一根轴为中心旋转。这样一来，整个天球看起来就像是在朝与地球相反的方向旋转。地球自西向东旋转，因而天球看起来便像是自东向西旋转。这种因地球自转而引起的一日一周的星辰的视运动称为“周日视运动”。

解释地球自转这一简单概念和星辰的周日视运动所表现的较复杂的现象之间的关系，是我们接下来要做的事情。星辰的周日视运动依据地球上的观察者所处的纬度位置不同而有所变化。我们先来谈谈在北纬中部看到的现象。

我们可以想象用一个中空的大球来表示天球。想象不花钱，我们想让它多大都行，但直径大约 10 米就够了。如图 1-1 所示，假设它表示的是大球的内部， P 和 Q 是转轴的两点，而大球正是被钉于这两点之上才能倾斜地旋转。以 O 为中心形成了一个 NS 平面，而我们正好处于这个平面之上。星辰布满整个大球的内表面，但因大球的下半部分被平面遮挡了而无法看见。这个平面代表的正是我们的地平线。

现在我们让大球沿转轴旋转，那接下来会发生什么呢？我们可以看到转轴 P 点周围的星辰也随着大球的旋转而绕 P 点旋转。 KN 圈上的星辰在转到 N 点时会与平面的边发生摩擦。依据离 P 点的远近， KN 和 EF 两圈之间的某些星辰会旋转到平面的下方。 EF 圈上的星辰正好位于 PQ 的中间，因此，它们一半在平面上方，一半在下方。然而， ST 圈内的星辰永远旋转不到平面上方，所以我们永远也无法见到它们。

我们看到的天球除了比这个球大无数倍外，和它无异。在我们眼中，天球也是以空中的某一点为中心不停旋转的，大约一天转一周，太阳、月球、星辰也陪同它旋转。星辰似乎都是钉牢在天球上的，所以它们的位置看起来是固定不变的。换言之，我们在夜晚任何时刻拍的一张星空图，若我们能将它放在准确的方位上，那它肯定和其他时刻的星空图是完全一样的。

转轴的 P 点被称作“天球北极”。在这些北纬中部的居民看来，它正好位于北天顶和北地平线的中央。越往南走，北极便离地平线越近，它到地平线的高度正巧是观察者所在的纬度。在北极近旁有一颗星，我们称为北极星，在后面我们会讲寻找它的相关方法。我们平常观测时会发现北极星的位置几乎不曾变过，实际上它与北极的距离只有 1 °多一点，我们暂且不去理会这细微的差别。

与天球北极相对的是“天球南极”，它位于地平线之下，到地平线的距离和北极相同。

显而易见，我们在自己的纬度上看到的周日视运动是倾斜的。当太阳从东方升起时，它看上去是向南倾斜，以与地平线呈锐角的方向升起的，而不是沿地平线垂直升起。因而当它西沉的时候，也同样是以倾斜于地平线的方向落下。

现在我们想象出一个大得能与天界相接的圆规。我们将圆规的一只脚固定在天球北极，而另一只脚与北极下方的地平线相接，并用这只脚在天球上画一个大圆圈。这个大圆圈的下半部分刚好与地平相切，而它的上半部分以我们北纬地区的角度看来，最高点几乎与天顶相接。这个大圆圈里的星辰永远也不会降落，看起来就像是每天绕着北极转一周。所以，这个大圆圈叫做“恒显圈”。

大圆圈以南的星辰则是有升有落，越向南的星辰每天在地平线上的时间就越少，而最南方的一点上的星辰，则刚一露出地平线便又沉没了下去。

一如恒显圈以天球北极为中心一样，在天球的另一端，也有一个以南极为中心的“恒隐圈”，而最南端的星辰都在这个恒隐圈内，所以在我们的纬度上看来，它们根本就没有升起过。

如图 1-2 所示，这是在北方看见的恒显圈内的主要星座。若想看到某月夜晚 8 时左右的星座，我们只需将那月转到顶上来。寻找北极星的方法在图 1-2 中也有所标注，即大熊星座 7 颗星中的 2 颗“指极星”延长线所指的方向便是北极。

现在我们调整一下我们的纬度，试试将有什么不同。若我们朝着赤道进发，那我们的地平线也就不再是原来的方向，并且随着我们的前进，北极星也逐渐下沉。我们越接近赤道，它也越接近地平线，当我们到达赤道时，它也沉到了地平线上。变化的还有恒显圈，它越来越小，而我们到达赤道时，它也消失不见了，南北方向地平线上只剩下两极。周日视运动在那里是完全不同的呈现。太阳、月球、星辰在升起时是一直向上的。从正东方升起的星辰必定经过天顶，从偏南方升起的星辰一定经过南边的天顶，而从偏北方升起的星辰也肯定经过北边的天顶。

我们一路向南到达南半球，虽然看到太阳依旧从东方升起，但几乎是经天顶的北边横过中天。南半球较之北半球的最大区别在于，由于太阳在天顶的北面过中天，所以视运动方向与钟表时针的方向相反。在南纬中部，我们会发现南方出现了新的星座，而一向为我们所熟悉的北天星座却永远隐没在地平线下。有的南天星座相当美观，南十字座就是其中的代表。我们时常有种感觉，南天的星辰比北天多，且更加美丽，其实经证实，这是一种错觉。经过一系列仔细的研究和计算，我们得出了“南天和北天的星辰数是相当的”这一结论。我们之所以会产生以上错觉，有可能是因为南天更加晴朗所致。南非洲和南美洲气候比较干燥，也许这是造成那里空气中的烟雾比我们北半球少的原因。

我们之前提到的北天星辰的周日视运动对南天也同样适用。由于南天没有南极星，所以我们无法找到天球南极。南极周围有一些小星辰，但并不见得比天空其他地方更密集。南半球当然也有恒显圈，我们离南极越近，圈也越大。也就是说，在南极附近有一个圆圈内的星辰以与北天相反的方向一直绕着南极旋转，永不下落。那么自然还有个恒隐圈，里面包含的是在我们的纬度上看来永不下落的北极附近的星辰。

我们一越过南纬 20 °，小熊星座便在我们眼前消失得无影无踪。再向南走，也就只能看见大熊星座还露在地平线上的一部分。假如我们继续朝南极走去，便看不到星辰升落了。这里的星辰犹如北极的一般，都平行地绕着天上的一点旋转，当然，天顶便是中心南极。 eIUQNfsn82iEEAauiq1iiiQJOsv47Cq91fUa5H+e/U01Dru4SUPXzYyoGH4wNFJd