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及時章

天體的運行

及時節 我們的星辰系統

我們在講述內容之前，首先在生存的空間中游覽一番，以便對我們的世界有個簡單的認識。我們想象一下，自己是站在世界外的一點上看待這個世界的。當然，這一點肯定非常遙遠。為了讓大家比較清楚“遠”的概念，我們用光速進行表示。我們知道，光的速度大約是30萬千米/秒，一秒鐘能夠繞著地球運行七圈半。如果我們選擇的那一點是合適的，那么，它和我們之間的距離大約是100萬光年。在如此遙遠的一點上，我們幾乎被黑暗包圍了，毫無星光的漆黑天空圍繞在我們身邊。不過，有一個方向是特殊的，在那里我們能夠看見微弱的光線，猶如黎明來臨之前的暗淡曦光。盡管其他方向也有類似的光斑，但我們暫時不討論它們。上述所說的光線正是“我們的星系”，也是我們要研究的對象。于是，我們向著它飛馳而去。假如我們想要在一年之內到達那里，我們的速度至少要比光速快100萬倍(當然，這僅僅是一個思維游戲，因為任何東西的速度都不如光速快)，我們距離它越近，它在黑暗天空中的范圍就越大，慢慢占據了天的一半，只剩下我們背后的天空是漆黑的。

在此之前，我們會發現美麗的光霧中有許多小光點在閃爍。隨著我們向前的飛行，光點變得越來越多，從我們的身邊經過之后消失在身后的遠處，而新的光點不斷迎面而來，猶如車內的乘客看見車外的景物疾馳而過一樣。我們慢慢發現，這些光點就是晚上懸掛在天空中的星辰。假如我們用這樣的速度穿過整個大光云，只能看見各種顏色和各種形狀的光霧、光云散落地分布在黑暗的天空中。

不過，我們不會匆忙穿過那片美麗的光云，而是選擇一顆星星，然后放慢速度認真觀察這顆星星。雖然這顆星星不大，但我們距離它越近，便會發現它越明亮。經過一段時間之后，它變得猶如遠處的燭光一樣明亮；再經過一段時間，它便能夠照出影子了；再經過一段時間，它的光亮可以用來讀書；再經過一段時間，它的光芒四射，熱力無窮。現在，它好像太陽一樣，而它正好是我們的太陽。

我們還要選擇一個位置，對于我們剛才的旅程而言，這個地方位于太陽附近，但對于普通的計量單位來說卻有幾十億千米。現在，我們認真觀察一下周圍，便會發現有8個光點圍繞著太陽，但距離有所不同。假如我們長時間觀察它們，便會發現它們繞著太陽旋轉，但旋轉一周的時間有長有短，短的只有3個月，長的則是165年。它們到太陽之間的距離有著巨大差異，最遠的要比最近的遠大約80倍。

這些光點便是行星。我們認真研究一下，便會發現它們與恒星的區別：它們不會發光，它們的光線都來自于太陽。

我們研究一下其中的一顆行星。根據它們距離太陽由近到遠的順序，我們選擇第三顆行星。我們與它的距離越近(對于這個方向來說，可以稱之為由上而下，即垂直于它與太陽的連線)，便會發現它越大越亮。當我們與它的距離非常近時，便會發現它很像半明半暗的月亮，一半處于黑暗之中，另一半在太陽的照耀下非常明亮。我們繼續靠近，被照亮的那一半不斷擴大，并且逐漸出現許多斑點。再次接近，這些斑點變成了海洋和陸地，大約一半被云層遮住無法看清楚表面；而黑暗的那一半呈現出一些不規則的明亮斑點，好像鉆石閃爍出來的光芒，這就是城市中的各種燈光。我們關注的這個表面不斷擴大，慢慢遮住了更大的天空，成了全部世界。我們在上面降落，終于回到了地球上。

上述內容讓我們明白，我們在空中飛行時無法看見的一點，等到我們接近太陽時便是一顆行星，再接近一些便是不透光的球體，便是我們所熟悉的地球。

這次想象的飛行讓我了解了一個事實：夜晚天空中的大部分星星都是恒星。換句話說，太陽僅僅是眾多恒星中的一顆。與眾多的恒星相比，太陽算是比較小的，因為許多恒星發出的光和熱是太陽的幾千倍甚至幾萬倍。假如僅僅從恒星內在的固有價值來說，太陽確實沒有什么出色的地方。太陽對于我們的重要性是由我們與它之間的偶然關系決定的。

我們對這個偉大的星辰系統進行了論述。從地面上觀察到的現象類似于想象中后半部分的所見，天空中分布的正是我們在飛行中見到的星辰。我們從地球上觀察天空與從遙遠的群星中的某一點上觀察天空的較大區別是，太陽和行星的優越位置有所不同。從地球上觀察，太陽的光芒在白天遮住了天空中星辰的光芒。假如太陽的光芒能夠消失，我們便會發現星辰日日夜夜都在空中閃爍。這些物體分布在我們周圍的各個方向，猶如地球位于宇宙中一樣，而這正好符合我們祖先的猜測。

太陽系

我們生活的這個星系類似于其他許多星系，一個巨大的主星作為中心，周圍環繞著許多小星星。這個以太陽為中心的系統就是太陽系。太陽系的一個主要特征是：與許多令人驚訝的距離相比，它的范圍實在太小了。太陽系的周圍是無邊無際的空間。即使我們能夠從太陽系的一邊飛躍到另一邊，周圍星星與我們的距離依然不會縮短；在太陽系邊緣，我們見到的星座形狀與地面上所見一致。

在這里，我并不想為讀者列舉一大堆巨大的數字，而是希望讀者根據我的描述自行想象，以便讀者能夠認識到自己在宇宙中的位置。我們設想地球在宇宙模型中是一粒芥子，以此類推，月球便是一粒直徑是芥子直徑的1/4的微塵，與芥子之間的距離是2.5厘米。我們用一個大蘋果來表示太陽，它與地球的距離是12米。其他行星有大有小，小的猶如一粒看不見的微塵，大的猶如一粒豌豆，與太陽之間的距離是4.5米到360米。于是，我們想象這些小東西圍繞著太陽旋轉，旋轉一周所用的時間有長有短，短的僅僅是3個月，而長的則是165年。這粒芥子一年繞著太陽轉一周，而月球陪著它旋轉，一個月繞著它轉一周。

根據這個比例得知，整個太陽系的范圍不超過2.6平方千米。在這個范圍之外，除了邊界上分布的一些彗星之外，即使我們飛躍比全美洲更大的距離也無法發現任何東西。在距離美洲邊界很遠的地方有一顆鄰近的星星，這顆星星同樣可以用一個蘋果表示，就像我們的太陽。在更遠的地方，各個方向上都分布著一些星星，它們之間的距離類似于太陽與它最鄰近的星星的距離。根據我們的模型比例，在地球這樣大的地方僅僅能容納兩三顆星星。我們由此可知，在宇宙的空間飛行中(如上述的想象)，我們很容易忽視像地球這樣的小東西，即使我們仔細尋找也不一定能夠找到它。這就猶如在密西西比河(Mississippi)領域的上空飛行，卻想要看清楚下面的一粒芥子。而且，我們甚至會忽略表示太陽的大蘋果，除非我們與它的距離很近。

第二節 天界現象

由于星辰之間相距遙遠，我們憑借肉眼無法對宇宙大小有一個清晰的認識，而且難以想象我們距離這些天體究竟有多遠。如果我們能夠發現星辰之間的距離，如果我們能夠看見恒星和行星表面的特征，那么，宇宙的真實結構便會呈現在人們眼前。只要思考一下就會明白，如果我們能夠與地球的距離相當遠(如地球直徑的一萬倍)，那時我們無法看見地球的大小，只能看見一個小點，在太陽的照耀下，這個點一閃一閃的猶如天上的星星。古人沒有想象出這一點，他們認為天體就像看見的樣子，與地球截然不同。即使是現在，當我們仰望天空時，同樣難以想象恒星要比行星遙遠千百萬倍。在天空中，它們好像以相同的距離分布著。只有邏輯和數學才能讓我們了解它們真實的分布情況。

由于難以想象它們之間的遙遠距離，所以難以在心中形成一幅符合實際情況的圖畫。在這里，讀者們要集中注意力，以便我用簡單的方法表示出這些復雜的關系，將實際情況與我們見到的情況聯系在一起。

假如將地球從我們腳下移開，我們在半空中懸浮著。那時候，我們會發現周圍環繞著各種天體(太陽、月球、恒星、行星等)，遍布上下左右和東西南北。那時，我們不會看見其他東西。正如上述所說，這些東西在我們眼中的距離是相同的。

從中心點以相同的距離向周圍擴散的許多點都位于同一空洞球體內部表面。因此，在這種情況下，許多天體在我們看來同樣位于一個球面上，而我們正好處于球的中心。由于天文學的研究對象是我們看見的天體方位，所以我們看見的大球好像存在于天文學中。這就是“天球”(celestial sphere)。在我們的想象中，一旦失去了地球，天球上的所有天體都會停止運行。24小時天過去了，一月月過去了，那些恒星停在那兒一動也不動。如果我們認真地觀察那些行星，便會發現它們在幾天內或者幾個星期內(由各自的情況決定)繞著太陽運行，但這種情況不是一下子就能發現的。我們首先會考慮這個天球是由什么構成的，為什么那些天體可以固定在它的內部表面。古人曾經考慮過這個問題，他們將其修正得更加貼近實際情況，他們想象出許多球形嵌套起來，以此表示天體之間的不同距離。

接下來，我們將地球搬回來。現在，請讀者們想象一下：與天空的大小相比，地球僅僅是一個微點；但如果我們將地球放在合適的地方，它的表面便會擋住我們眼中的一半宇宙，猶如一個蘋果可以擋住趴在上面的一個小蟲眼中的半個房間一樣。地平線上能夠看見的一半天球叫作“可見半球”(visible hemisphere)，地平線下無法看見的另一半天球叫作“不可見半球”(invisible hemisphere)。當然，我們在地球上的位置改變之后，便可以看見另一半球。

了解了這種情況之后，請讀者們再次集中注意力。我們知道，地球不是靜止不動的，而是時時刻刻在繞著中心軸轉動，這樣使得整個天球看起來沿著相反的方向旋轉。由于地球自西向東轉動，所以天球好像是自東向西轉動。這種地球自轉和由此導致的星辰的視轉動就是“周日運動”(diurnal motion)，因為此種運動一日一周。

星辰的每日視轉動

接下來，我們分析一下地球自轉的簡單現象和由此引起的天體周日視轉動的復雜現象之間的聯系。如果觀察者在地球上所選擇的緯度不同，后者也會發生相應的變化。我們首先討論一下北緯中部觀察到的現象。

為了實現這個目的，我們先將天球想象成一個內部空心的大球。雖然這個大球可以無限大，但一個直徑10米的球已經足夠了。現在，下圖表示大球的內部，這個球被固定在P和Q兩個點上，使其能夠傾斜轉動。在中心點O上放著一個平面盤子NS，我們坐在盤子中。星座位于大球內部，分布在整個表面上，但盤子遮住了下面一部分，所以我們無法看見。顯然，這個盤子可以表示地平線。