星辰之间的距离太过遥远，仅凭我们的肉眼很难对宇宙的大小有一个清晰的认识，即便脑洞大开、充分想象也估算不出我们距离这些天体究竟有多远。如果我们能够通过眼睛发现星辰之间的距离，能够一眼看到恒星和行星表面的特征，那么宇宙的秘密早在人类开始对天空进行研究时就被发现了。只要稍加思考就会明白，如果我们站在距离地球足够远的地方，例如在地球直径1万倍的高空，我们将看不清地球的大小，在太阳的照耀下，只能看到一个一闪一闪的小点，与天上的其他星星一样。古人应该想象不出这样的距离概念，因此，他们一直认为所见的天体与地球截然不同。哪怕到了现代，我们仰望天空时，仍然不敢相信恒星比行星遥远千百万倍这个事实。看起来，所有星星似乎都分布在同一片天空。我们必须运用逻辑学和数学的原理，才可以真正了解天体真实的分布和距离的远近。

就是因为这样，我们才对天体之间距离的遥远没有认知，也就难以在心中形成与它们真实关系相符合的图像。所以，读到这里，我提醒你们一定要集中注意力和想象力，如此，我才能够把这些复杂的关系尽可能用简单的方法表达出来，这对大家理解星辰的真实情况大有助益。

假设我们能将地球从脚下移走，让自己悬浮在半空中，就会看到太阳、月亮、行星和恒星环绕在我们周围，上下左右、东西南北都有。除此之外再也看不到其他别的什么了，而且如同我们之前所讲，这些天体看起来都与我们保持着相同的距离。从中心点以同样距离向周围分散在各个方向上的所有点，都一定位于同一个球面上，而所有天体就好似被安置在这个球面上一样。

天文学研究的对象是天体相对于我们的方位，我们看到的球体就仿佛真实存在于天文学中，这就是所谓的“天球”（celestial sphere）。在这种假设的基础上，地球不在我们脚下了，那么天球上的所有天体就都会停止运行，时间一天天过去，恒星停留在那里似乎丝毫不动。但只要认真对行星进行观察，我们便会发现，它们在几天或者几周内（观测的时间由各自情况而定）在悄悄地围绕太阳运行。这种情况并不能被马上发现。我们首先想到的，是这个天球由什么构成，那些天体又为什么可以固定在它的内部表面。古人应该也考虑过这个问题，他们将这个观点修正得更符合实际情况，也由此想象出许多天球嵌套在一起，从而形成天体的不同距离。

好了，让我们再把地球搬回来吧！接下来要考验一下大家的想象力，地球与天空的大小相比，仅仅是一个小点；但如果我们将它放在适当的位置上，它的表面就会遮挡住我们眼中的一半宇宙。就好像我们把一个有虫子的苹果放在房间，在小虫的眼中看到的就是被苹果挡住一半的房间。地平线上一半的天球是可以看到的，我们称它为“可见半球”（visible hemisphere）；而另一半在地平线下被地球挡住的天球，则被称为“不可见半球”（invisible hemisphere）。当然，如果你想看到另一半球，通过环球旅行改变你在地球上的位置就可以了。

了解了前面这些情况，我要再次提醒大家集中注意力了。你们一定知道地球不是静止的，而是围绕着中心轴时刻转动，这样的旋转会让整个天球看起来似乎是在自东向西转。地球的这种自转和由此导致的星辰视觉转动被称为“周日运动”（diurnal motion），因为它们是一日一周的运动。

星辰的每日视转动

接下来我们再来了解一下，地球自转这一简单概念与由此引起的天体周日视运动表现出的复杂现象之间的联系。天体周日视运动因观察者在地球上选择的纬度不同而不同。

我们首先从北纬中部地区开始观察。为了更好地得到答案，我们还是先想象出一个天球，一个内部空间足够大的空球，大小与摩天轮类似，直径约10米。如图1–1所示，这个空球被固定在转轴的两点（P和Q）上，从而使空球可以倾斜转动。O是中心点，上面放着一个平面盘子NS，我们就位于这个平面盘子上。星座则位于空球内部，并分布于整个内表面，空球的下面一半也有星座，只是被平面盘子遮住，我们无法看到。这个平面盘子表示地平线。

我们让这个大空球围绕轴点转动起来，就会看到轴点P附近的星星也围绕着P点旋转。K点到N点这个圆周上的星星会随着空球的旋转擦到平面盘子的边缘。而那些距离P点更远的星星会掉落到平面盘子的下面，掉落的远近程度与它们到P点的距离有关。靠近EF圈的星星则在P点和Q点中间，当空球开始旋转，它们附近的星星一半在平面盘子的下面，一半在平面盘子的上面。而S点到T点这个圆周上的星星却不能转到平面盘子上面来，也就是说，我们永远看不到它们。

天球在我们眼中就是这样一个球体，只是无穷大而已。看起来它似乎一直在围绕天空中的一点不停旋转，太阳、月亮和星星都随其转动。星辰之间保持着它们的相对位置，如同固定在旋转的天球上。如此也就意味着，如果我们想在夜间的任何时刻为星星拍摄一张照片，那么只要我们掌握了正确的方位，它们在其他时间还会处于照片中相同的位置。

继续回到图1–1，我们将转轴上的P点称为“天球北极”（north celestial pole）。对于居住在北纬中部的人们（我们大部分人都住在这里），“天球北极”是在北天上，几乎接近顶点和北方地平线的中心。我们居住的地方越靠南，北极也就越靠近地平线，它离地平线的高度恰好与观测者所在地的纬度一致。距离北极最近的一颗星就是我们常说的北极星（Polaris），关于如何寻找它，我们将在后面详细介绍。如果是一般的观测，北极星几乎一直停在那里，并没有怎么移动。它与北极的夹角也仅有1˚多一点，但我们现在不用去讨论这个差异。

正对着天球北极的是“天球南极”（south celestial pole），它位于地平线的下方，与北极到地平线的距离相同。

显而易见，从我们所处的纬度看到的周日运动是倾斜的。当太阳从东方冉冉升起时，它看起来并不是从地平线上一直升起，而是沿着斜向南方与地平线呈一个锐角来运动。所以，当它落山时，运动的轨迹也是以同样倾斜的角度向地平线靠近。

假设我们手中现在有一个很大的圆规，大到可以接近天空。我们把圆规其中一只脚固定在天球北极，另一只脚则放在天球北极下面的地平线上。固定在天球北极那只脚保持不动，用另一只脚在天球上画出一个完整的大圆圈。这个圆圈的最低点正好与地平线相连，从我们居住的北纬地区看过去，它的最高点已经快要接近天顶了。这个圆圈上面的星星是永远不会坠落的，看起来它们只是每天围绕北极转一圈，因此也被称为“恒显圈”（circle of perpetual apparition）。

在这个圆圈以外，靠近南面远处的星星升起又落下，但是越靠南的星星，它们每天在地平线上走过的路程就越少，直到最南方的一点上，几乎就看不到了，星星只会在地平线上一闪而过。

从我们所在的纬度看过去，更靠南的星星根本不会出现。这些星星都在一个“恒隐圈”（circle of perpetual occultation）内，这个圈以天球南极为圆心，与恒显圈以天球北极为圆心一样。

我们来看一下图1–2，这是一个可以从北方观察到的恒显圈内北天上的主要星座。如果将适当的月份转到对应的顶上，我们就能在当月晚上的八点左右看到北天中的星座。图中还标出了寻找北极星的方法，就是利用大熊星座七颗星星（Ursa Major，俗称北斗七星）中的“指极星”（Pointers）的延长线，可以在其所指的方向上找到北极星。

现在，让我们改变角度看看会发生什么变化，如果我们是向赤道的方向旅行，那么地平线的方向会随之改变。在途中，我们还将发现北极星渐渐下落。我们距离赤道越来越近，北极星也将越来越接近地平线，我们到达赤道时，北极星就到达地平线上了。我们之前讲到的恒显圈也自然会越来越小，在我们到达地球时，恒显圈完全消失在赤道上，南北方向的地平线上是天球的两极。这里的周日运动与我们讲到的大不相同。太阳、月亮和星辰一同升起。如果有一颗星刚好从正东方升起，它一定会经过天顶；天上升起来的偏南的星星，一定将经过天顶南边；而从偏北升起的星星自然会经过天顶北边。

继续向南，到达南半球。我们就会发现，虽然太阳是从东方升起，通常却经过天顶的北面横过中天。南北两半球最主要的不同在于：既然太阳是经过天顶的北面横过中天，那么太阳的视运动就与我们所处的地方不同，并不是和钟表上的时针运动方向一样，而是恰好相反。在南纬中部地区，看不到我们熟悉的北天星座，它永远在地平线以下，天空中都是我们没见过的新的南天星座。其中一些还以美丽壮观著称，例如南十字星座。事实上，人们通常认为南天上的星座比北天上的更美丽、更多。但这一观点已被证实并不准确。经过对这些星辰的仔细研究和计算，我们发现南天和北天拥有的星星数量基本相同。之所以会产生这样的错觉，或许是因为南半球的天气相对晴朗，南半球非洲大陆和美洲大陆的空气中烟雾含量比北半球少，加之气候干燥，因此南天上的星星看起来更为繁多。

我们在前面讲过的北天星辰绕着天极的周日运动同样适用于南天。不过，南天极没有南极星，所以无法辨别天球南极的位置。尽管南天极周围分布着一些小星星，但远不如天空中其他位置的星星那样密集。南半球当然也是有恒显圈的，并且越向南圈越大。这进一步说明，南天极周围也围绕着一圈永远不会坠落的星星，并一直围绕南天极旋转，旋转的方向也和北天极的星星相反。相对来说，当然北半球也有其恒隐圈，北极附近的星星就在这个圈内，这些星星在我们所处的北纬上也是永不坠落的。我们只要越过南纬20˚，就完全看不到小熊座（Ursa Minor）上的任何天体了，再向南，大熊星座也只在地平线上露出一小部分。

如果我们的旅行继续向南，就将告别星辰的升落，因为那些星辰围绕天空的运行轨迹是平行的，轨迹的中心——也就是南天极，与天顶重合。这种情况也同样发生在北天极。 zXU2C2qr6HzzxZZmE6HYZmBUFc67CkrhoxuLZQRlfcXscWjBA24Abt7V0fn37U+2