天空萬象

星辰之間的距離太過遙遠，僅憑我們的肉眼很難對宇宙的大小有一個清晰的認識，即便腦洞大開、充分想象也估算不出我們距離這些天體究竟有多遠。如果我們能夠通過眼睛發現星辰之間的距離，能夠一眼看到恒星和行星表面的特征，那么宇宙的秘密早在人類開始對天空進行研究時就被發現了。只要稍加思考就會明白，如果我們站在距離地球足夠遠的地方，例如在地球直徑1萬倍的高空，我們將看不清地球的大小，在太陽的照耀下，只能看到一個一閃一閃的小點，與天上的其他星星一樣。古人應該想象不出這樣的距離概念，因此，他們一直認為所見的天體與地球截然不同。哪怕到了現代，我們仰望天空時，仍然不敢相信恒星比行星遙遠千百萬倍這個事實。看起來，所有星星似乎都分布在同一片天空。我們必須運用邏輯學和數學的原理，才可以真正了解天體真實的分布和距離的遠近。

就是因為這樣，我們才對天體之間距離的遙遠沒有認知，也就難以在心中形成與它們真實關系相符合的圖像。所以，讀到這里，我提醒你們一定要集中注意力和想象力，如此，我才能夠把這些復雜的關系盡可能用簡單的方法表達出來，這對大家理解星辰的真實情況大有助益。

假設我們能將地球從腳下移走，讓自己懸浮在半空中，就會看到太陽、月亮、行星和恒星環繞在我們周圍，上下左右、東西南北都有。除此之外再也看不到其他別的什么了，而且如同我們之前所講，這些天體看起來都與我們保持著相同的距離。從中心點以同樣距離向周圍分散在各個方向上的所有點，都一定位于同一個球面上，而所有天體就好似被安置在這個球面上一樣。

天文學研究的對象是天體相對于我們的方位，我們看到的球體就仿佛真實存在于天文學中，這就是所謂的“天球”（celestial sphere）。在這種假設的基礎上，地球不在我們腳下了，那么天球上的所有天體就都會停止運行，時間一天天過去，恒星停留在那里似乎絲毫不動。但只要認真對行星進行觀察，我們便會發現，它們在幾天或者幾周內（觀測的時間由各自情況而定）在悄悄地圍繞太陽運行。這種情況并不能被馬上發現。我們首先想到的，是這個天球由什么構成，那些天體又為什么可以固定在它的內部表面。古人應該也考慮過這個問題，他們將這個觀點修正得更符合實際情況，也由此想象出許多天球嵌套在一起，從而形成天體的不同距離。

好了，讓我們再把地球搬回來吧！接下來要考驗一下大家的想象力，地球與天空的大小相比，僅僅是一個小點；但如果我們將它放在適當的位置上，它的表面就會遮擋住我們眼中的一半宇宙。就好像我們把一個有蟲子的蘋果放在房間，在小蟲的眼中看到的就是被蘋果擋住一半的房間。地平線上一半的天球是可以看到的，我們稱它為“可見半球”（visible hemisphere）；而另一半在地平線下被地球擋住的天球，則被稱為“不可見半球”（invisible hemisphere）。當然，如果你想看到另一半球，通過環球旅行改變你在地球上的位置就可以了。

了解了前面這些情況，我要再次提醒大家集中注意力了。你們一定知道地球不是靜止的，而是圍繞著中心軸時刻轉動，這樣的旋轉會讓整個天球看起來似乎是在自東向西轉。地球的這種自轉和由此導致的星辰視覺轉動被稱為“周日運動”（diurnal motion），因為它們是一日一周的運動。

星辰的每日視轉動

接下來我們再來了解一下，地球自轉這一簡單概念與由此引起的天體周日視運動表現出的復雜現象之間的聯系。天體周日視運動因觀察者在地球上選擇的緯度不同而不同。

我們首先從北緯中部地區開始觀察。為了更好地得到答案，我們還是先想象出一個天球，一個內部空間足夠大的空球，大小與摩天輪類似，直徑約10米。如圖1–1所示，這個空球被固定在轉軸的兩點（P和Q）上，從而使空球可以傾斜轉動。O是中心點，上面放著一個平面盤子NS，我們就位于這個平面盤子上。星座則位于空球內部，并分布于整個內表面，空球的下面一半也有星座，只是被平面盤子遮住，我們無法看到。這個平面盤子表示地平線。

我們讓這個大空球圍繞軸點轉動起來，就會看到軸點P附近的星星也圍繞著P點旋轉。K點到N點這個圓周上的星星會隨著空球的旋轉擦到平面盤子的邊緣。而那些距離P點更遠的星星會掉落到平面盤子的下面，掉落的遠近程度與它們到P點的距離有關。靠近EF圈的星星則在P點和Q點中間，當空球開始旋轉，它們附近的星星一半在平面盤子的下面，一半在平面盤子的上面。而S點到T點這個圓周上的星星卻不能轉到平面盤子上面來，也就是說，我們永遠看不到它們。

天球在我們眼中就是這樣一個球體，只是無窮大而已。看起來它似乎一直在圍繞天空中的一點不停旋轉，太陽、月亮和星星都隨其轉動。星辰之間保持著它們的相對位置，如同固定在旋轉的天球上。如此也就意味著，如果我們想在夜間的任何時刻為星星拍攝一張照片，那么只要我們掌握了正確的方位，它們在其他時間還會處于照片中相同的位置。

繼續回到圖1–1，我們將轉軸上的P點稱為“天球北極”（north celestial pole）。對于居住在北緯中部的人們（我們大部分人都住在這里），“天球北極”是在北天上，幾乎接近頂點和北方地平線的中心。我們居住的地方越靠南，北極也就越靠近地平線，它離地平線的高度恰好與觀測者所在地的緯度一致。距離北極最近的一顆星就是我們常說的北極星（Polaris），關于如何尋找它，我們將在后面詳細介紹。如果是一般的觀測，北極星幾乎一直停在那里，并沒有怎么移動。它與北極的夾角也僅有1?多一點，但我們現在不用去討論這個差異。

正對著天球北極的是“天球南極”（south celestial pole），它位于地平線的下方，與北極到地平線的距離相同。

顯而易見，從我們所處的緯度看到的周日運動是傾斜的。當太陽從東方冉冉升起時，它看起來并不是從地平線上一直升起，而是沿著斜向南方與地平線呈一個銳角來運動。所以，當它落山時，運動的軌跡也是以同樣傾斜的角度向地平線靠近。

假設我們手中現在有一個很大的圓規，大到可以接近天空。我們把圓規其中一只腳固定在天球北極，另一只腳則放在天球北極下面的地平線上。固定在天球北極那只腳保持不動，用另一只腳在天球上畫出一個完整的大圓圈。這個圓圈的最低點正好與地平線相連，從我們居住的北緯地區看過去，它的最高點已經快要接近天頂了。這個圓圈上面的星星是永遠不會墜落的，看起來它們只是每天圍繞北極轉一圈，因此也被稱為“恒顯圈”（circle of perpetual apparition）。

在這個圓圈以外，靠近南面遠處的星星升起又落下，但是越靠南的星星，它們每天在地平線上走過的路程就越少，直到最南方的一點上，幾乎就看不到了，星星只會在地平線上一閃而過。

從我們所在的緯度看過去，更靠南的星星根本不會出現。這些星星都在一個“恒隱圈”（circle of perpetual occultation）內，這個圈以天球南極為圓心，與恒顯圈以天球北極為圓心一樣。

我們來看一下圖1–2，這是一個可以從北方觀察到的恒顯圈內北天上的主要星座。如果將適當的月份轉到對應的頂上，我們就能在當月晚上的八點左右看到北天中的星座。圖中還標出了尋找北極星的方法，就是利用大熊星座七顆星星（Ursa Major，俗稱北斗七星）中的“指極星”（Pointers）的延長線，可以在其所指的方向上找到北極星。

現在，讓我們改變角度看看會發生什么變化，如果我們是向赤道的方向旅行，那么地平線的方向會隨之改變。在途中，我們還將發現北極星漸漸下落。我們距離赤道越來越近，北極星也將越來越接近地平線，我們到達赤道時，北極星就到達地平線上了。我們之前講到的恒顯圈也自然會越來越小，在我們到達地球時，恒顯圈完全消失在赤道上，南北方向的地平線上是天球的兩極。這里的周日運動與我們講到的大不相同。太陽、月亮和星辰一同升起。如果有一顆星剛好從正東方升起，它一定會經過天頂；天上升起來的偏南的星星，一定將經過天頂南邊；而從偏北升起的星星自然會經過天頂北邊。

繼續向南，到達南半球。我們就會發現，雖然太陽是從東方升起，通常卻經過天頂的北面橫過中天。南北兩半球最主要的不同在于：既然太陽是經過天頂的北面橫過中天，那么太陽的視運動就與我們所處的地方不同，并不是和鐘表上的時針運動方向一樣，而是恰好相反。在南緯中部地區，看不到我們熟悉的北天星座，它永遠在地平線以下，天空中都是我們沒見過的新的南天星座。其中一些還以美麗壯觀著稱，例如南十字星座。事實上，人們通常認為南天上的星座比北天上的更美麗、更多。但這一觀點已被證實并不準確。經過對這些星辰的仔細研究和計算，我們發現南天和北天擁有的星星數量基本相同。之所以會產生這樣的錯覺，或許是因為南半球的天氣相對晴朗，南半球非洲大陸和美洲大陸的空氣中煙霧含量比北半球少，加之氣候干燥，因此南天上的星星看起來更為繁多。

我們在前面講過的北天星辰繞著天極的周日運動同樣適用于南天。不過，南天極沒有南極星，所以無法辨別天球南極的位置。盡管南天極周圍分布著一些小星星，但遠不如天空中其他位置的星星那樣密集。南半球當然也是有恒顯圈的，并且越向南圈越大。這進一步說明，南天極周圍也圍繞著一圈永遠不會墜落的星星，并一直圍繞南天極旋轉，旋轉的方向也和北天極的星星相反。相對來說，當然北半球也有其恒隱圈，北極附近的星星就在這個圈內，這些星星在我們所處的北緯上也是永不墜落的。我們只要越過南緯20?，就完全看不到小熊座（Ursa Minor）上的任何天體了，再向南，大熊星座也只在地平線上露出一小部分。

如果我們的旅行繼續向南，就將告別星辰的升落，因為那些星辰圍繞天空的運行軌跡是平行的，軌跡的中心——也就是南天極，與天頂重合。這種情況也同樣發生在北天極。