第二章 地球怎样围绕着地轴和太阳转动

我们要详细研究一下地球的主要运动。

说来真是奇怪,地球的运动不但影响了我们的物质生活,而且也影响了我们的精神生活。这些运动给我们以测量时间的规律,我们整个的生活便被这种规律所影响。譬如,我们生存的时间、岁月的划分、工作的变换以及历法的制定,都和地球的运动发生了密切的联系。

各种星球上时间的种类是非常繁多的。例如,在月亮上,一年只有12个白昼和12个黑夜,而那里一年之长和我们这里是相同的(我们以365日为一年) 。可是木星(它不是整体地自转,而且自转速度随纬度而变化)的一年比地球上的一年约长12倍,但是那里的一日却比地球上的半天还要短,因此,木星的一年至少有1. 05万日! 土星也不是整体在旋转,那里的岁月更是奇特,它的一年比我们的一年长29倍,共有2. 5万日之多! 而海王星上的一年,超过我们的一个半世纪,实际等于我们的165年,至于冥王星的一年,则等于我们的249年,将近两个半世纪了!

◀ 昼 夜 ▶

昼夜循环现象给了我们测量时间的第一种尺度,这是我们最先感觉到的事实。至于季节循环、每季和一年的长短,是以后才觉察到的。月相的变化更为迅速,比起四季的变化更易使人觉察,所以时间的观念最初是按照“日”和“月”两个单位而划分的,过了很久,才有“年”这个单位的概念。印度古诗还为我们保留着原始人对于黑夜的恐惧:

“太阳啊,美好的太阳完全消逝在西方了。真的,明天早上我们还可以在东方再看见它吗? 假使它不再来呢? 没有光,没有热,冰冷漆黑的夜笼罩了整个世界! 怎样再找到这失去的火呢? 拿什么去代替那施恩的太阳和天上的光辉呢? 星星只在无边的天穹上射出忧郁的荧光,月亮在茫茫的大气里倾泻出银色的露珠,给酣睡的大自然以无限的妩媚;可是它们都代替不了太阳,代替不了白昼……噢! 黎明缓缓地出现了,那是光,那是昼。太阳啊! 天上的君王,为我们祝福吧! 啊! 您不要忘记再回来呀!”

昼是什么? 夜是什么? 它们是地球的自转和太阳的照耀所形成的两个相反的结果。如果地球不旋转,太阳便固定在天空,那么地球的一半永远是昼,另外的一半永远是夜。

每个人都注意过,太阳早上从东方升起,缓缓地升高,到了南方达到最大的高度,又缓缓地沿着斜挂的圆周落下去,晚间在西方落至地面下。如果我们站立的位置是使东方在左、西方在右,则我们面向南而背向北,这时,我们望着南方,北极就在我们的背后〔这只是人在北半球的情况。如果在南半球,我们只能看见南极,我们应当背着南极去看中午的太阳,于是太阳从我们右手升起,向左手落下,正和我们在北半球观测到的情况相反〕。我们叫作子午圈的是天球上的这样一个大圈:从天球北极起,经过正在我们头上的一点,一直延展到南极,再回到北极来。太阳在中午经过这个子午圈。太阳连续两次经过子午圈的时间是24小时。时间的起算点随时代而不同,或从中午,或从日落,或从半夜,或从日出,这24小时也不经常被人分为相等的部分。

大家都看过日晷,它可算是普及天文知识的一种工具。它利用在阳光下的一根杆的影子,大概地指出太阳时来。常见的一种日晷是建在可被日光照到的垂直的墙壁上,在其上描绘出代表时刻的线条,一根针影和这些线条重合的时候,便表示出时刻来(图10) 。日晷的种类很多,可以建在任何垂直的、水平的或者倾斜的平面上,也可以绘在曲面上,其形式和位置都可以随便处理。只是应当满足一个条件:在白天,日晷的表面应该能接受到日光。如果在某一瞬间,人们可以同时读出全球的日晷所表达的时刻,就会立刻发现这些时刻是不相同的。有些农民常说的“太阳时”是随我们所在的位置不同而不同的。只要思考一下便会明白其中的缘故。因为地球的自转运动,地上的各处依次地落在光明或黑影里,即在白昼或黑夜里。在任何一个时候,一个地方是昼,总有另一个地方是夜。对整个地球来说,所有人从来没有在同一时刻睡眠;这半球在休息,那半球则在工作。当年英王查理五世曾夸耀他的领土宽广,号称自己的国家是“日不落帝国” 。

地球是悬在空中的,宇宙间并没有什么叫作上或叫作下的地方。可以设想,某一个时候,譬如我们正在中午,这就是说,我们处在太阳照着的半球正当中的地方。地球在背着日光的一面拖着一个影子(图8) ,和我们相反的半球便浸沉在地影或黑夜中。所谓黑夜,不过是没有被阳光照着的那部分的情况。地球是在转动的,12小时以后,也就轮到我们进入这黑影的正中,或者说到了半夜。把图8倒过去看,你便把太阳放在你的脚下,黑夜在你的头上了。但是地球所拖的这个影子并不伸长到整个宇宙里去,凡在这影子以外的地方仍被阳光照耀着(月亮和行星便是这样)。因为太阳比地球大,而且大得很多,所以地影的形状是锥形的,这锥的顶点距离地面平均大约有120万千米。月亮和地球的平均距离只有38. 4万千米。有时月亮可以正好走在地球的影子里,那时候便发生了月食的现象。月面被食的分界处是圆形的(图4) ,这便是亚里士多德认为地是球形的而且无依无靠地漂浮在空中的证据。

假设用一个被一根针贯穿的球(图11)来代表地球,再假设我们用手指使这根针转动,这根针就代表地球的旋转轴,球面和针相交的两点,就代表地球的两极。这两个基本观点,想来读者是容易记住的。现在我们就明白了所谓地轴就是穿过地心的理想的直线,自转就是绕着它在进行;我们也明白了什么是两极。把这个球的北极对着我们,并使这个球按照地球旋转的方向那样旋转(使它按逆时针方向转动),你就可以知道,地球的自转是带着我们由西向东转动。

◀ 时 间 ▶

图12表示地球上各处如何依次地经过白天和黑夜。在这个图上,巴黎正在太阳的照耀下,时间正是正午;而在法国左边的地方,对它(巴黎)来说是在东面的地方,比它先天亮,比它先过正午。在同一时圈线上的地方都有相同的时刻。这些时圈便是各地方的子午圈,它们之间的差就表示了它们之间的经度差。这些子午圈都是从极点出发的大圆。如果用一个垂直于轴的平面,在和两极等距离的地方,将地球截为两半,这平面与地球相截的截线叫作地赤道,这便是图12的大圆。为了测量极和赤道之间的距离,我们在地面上围绕着极点,平行于赤道,作许多圆圈,这些圆圈叫作纬度圈。

当巴黎是正午时,从北极到南极和巴黎在同一子午圈上的地方,如布尔日( Bourges) 、卡尔卡松( Carcassonne) 、巴塞罗那( Barce-lona) 、阿尔及尔( Alger ) 、冈巴( Gamba,在南非)等地都同是正午。时间的差数被经度的相差所规定。根据太阳所算得的真太阳时,当巴黎是正午时,以下各地的时间是:

罗马(圣彼得教堂) ………………… 12时40分

维也纳(圣泰田教堂) ……………… 12时56分

彼得格勒(天文台)………………… 13时52分

伊斯坦布尔(圣苏菲教堂) ………… 13时57分

孟买(堡寨)………………………… 16时42分

北京(观象台)……………………… 19时36分

东京(天文台)……………………… 21时09分

惠灵顿〔皮皮塔(Pipitea)角〕 ……… 23时30分

伦敦(圣保罗教堂) ………………… 11时50分

里斯本(天文台) …………………… 11时14分

里约热内卢(天文台) ……………… 8时58分

纽约(市政厅) ……………………… 6时55分

利马(大教堂) ……………………… 6时42分

墨西哥(天文台) …………………… 5时14分

旧金山〔阿尔卡特拉斯(Alcatraz)岛〕 3时41分…

塔希提(灯塔)…………………… 1时53分

如果按照太阳来校准时钟,当巴黎是真正午时,上面便是这16个城市应有的时间。即使在法国一个国家里,各地的时间也有显著的差异。譬如从敦刻尔克( Dunkerque)到卡尔卡松以及经过巴黎的经圈上的各地,所有的日晷所指的时间都是相同的,可是离开这个经圈向东或向西,时间便要发生差别。斯特拉斯堡( Strasbourg)的日晷所指的时间,便比巴黎的要快21分40秒,可是在布雷斯特( Brest)〔法国大西洋岸的海港。——译者注〕又会慢27分19秒。在巴黎那个纬圈上,向东走1 000米,时间就要快秒;向西走1 000米,时间就要慢秒。因此,在巴黎圣母院的一个人观看太阳上升的时间,要比在废兵院广场上的另一个人早10多秒钟。

假使有一位飞行家沿着巴黎的纬圈以每小时1 100 千米或每秒305米的速度向西飞行。如果他从真正午时起飞,他将会看见太阳总是在他左边的上空。在他围绕地球飞行一周的过程中,他总是在中午的太阳照耀之下,可是飞机场上的时钟已经走了24小时,即整整一昼夜了(图13) 。当他降落在他的出发点时,仍然是真正午时,可是地面上的同伴已经比他多活了一天,这是因为飞机的速度使他不受地球自转的影响,他好像把太阳的视运动拉住了一样。他真的少活了一天吗? 当然不是,因为人没有能力去阻止时间的前进。

向西航行周游世界的旅行家在船上看太阳的起落,并记下经过的日子,则当他回到出发的港口时,就会发现他的记载比日历少了一天。例如麦哲伦( Magellan)的伙伴们在航行大西洋、太平洋、印度洋,再绕非洲返回到佛得角( Cap Vert)时,很惊异地发现他们到达的日子是星期四,因为按照他们船上的记录,那天应该是星期三。如果他们沿相反的方面航行在同样的路线上,那么他们会多出一天,即星期五到达佛得角。

根据同样的道理,如果上述那位飞行家向东方飞去,他首先是迅速地离开了太阳,在经过第一个黑夜,飞过地球半周以后,他看见太阳又出现在他的头上,于是再继续飞行,经过第二个夜晚,降落在出发点时,又发现太阳在他的头上。这样,虽然他只飞行了24小时,但却经过了两个而不是一个昼夜。

在日常的生活里,日期上发生这样的混淆是不方便的,因此我们就要设法避免它。于是在航行的规则上规定,凡是从东向西行,经过一条名叫日界线〔这是从两极经过太平洋,在东经180°附近的一条线〕时,就应加上一天(图17) 。如果是从西向东航行,那么便应减去一天。换句话说,在第一种情形下,我们越这一天;在第二种情形下,我们重复一天。在儒勒·凡尔纳( Jules Verne)写《八十天环游地球》时,这个规则已经流行了。书中的旅客们在航程里尽量小心不发生事故,以免超过预定80天的限期。那些“环游地球”的英雄们很难说不知道有日界线这一回事,所以书中的结局未免是作者有些故意在开玩笑的。

让我们再来谈谈日晷上所表示的地方真太阳时。我们曾经说过,在同一个时候的两个地方,如果它们不是在相同的一个经圈上,它们的太阳时便不是相同的。两个地方时间的差别就是它们经度的差数,或者说就是两地的经圈所成的角度。旅行家、航海家和航空家要想在每一个时候把他们所在的位置表示在地图上,不得不根据天文观测来决定他们的经度。自然,他们不能使用日晷,他们用的是计时表。这种表的校准须使用各种精密的仪器,如经纬仪、航海六分仪(图14) ,对太阳或者恒星进行观测。而天文学家更多使用高度精确的天文钟和各种各样的星盘(图15)或者等高仪(图16)进行观测〔“星盘”( Astrolabe)这个词,从前是表示旅行家或航海家所用的一种仪器,和现在航海六分仪的功用是一样的。根据测得的太阳或者恒星的高度,不需计算,便能在星盘上面的一个算尺上读出当时的时刻来。星盘是阿拉伯人发明的,上面所刻绘的花纹线条有时很精细,简直成了艺术品。今天,我们把星盘叫作等高仪,因为可以用等高的方法用它去确切测定地方的经纬度和时刻。这个高度精确的仪器与阿拉伯人的简陋星盘并无关系。图16表示巴黎天文台所使用的超人差棱镜等高仪〕,但是这些只是技术上的差别,所用方法的原则却是相同的。自1910年以来,在经度的测量上,无线电通信成了最重要的技术。如果一个人借助观测天象可求得他的地方时,同时还可以收到某处无线电台发出的一种清脆的时号的声响,并且这个声响所代表的本初子午圈的时刻是已知的,那么便很容易计算出这个人所在地的经度了。

由此可见,地方时经常为天文学家、测量家、探险家、航海家以及飞行员在陆地、海洋和空中所使用,可是地方时仅有这样特殊的用途,而不能使用在日常生活上,因为即使在一个国家里,它随地区的变化而改变也是很大的。 19世纪中叶,近代快速的交通工具和通信工具的发明,使人们觉得在一个国家里有采用统一时刻的必要。譬如,有一个电报从巴黎10时0分拍出,到了布雷斯特才9时33分,这封电报怎么会在时间上倒退呢? 反过来说,一封电报在11时0分由布雷斯特拍出,虽然电报传播得与光的速度一样快,可是到巴黎却是在11时27分。像这样各地使用自己地方时的情形下,怎样去安排铁道或者航空线上的行程表呢? 因为“需要为法令之母” ,1891年法国政府才颁布了一个法令,规定法国全国都使用巴黎经度圈上的时刻,于是所有火车站上的大钟就都使用巴黎时了。

可是还有更进一步的事要做,那便是统一全地球的时刻。这是一个困难的问题,所谓时区制度,也不是理想的办法(图17) 。在详细解说时区制度以前,让我们先说明标准时并不是太阳时。我们还需要再回过来谈谈地球的自转,自转时间的长短是对太阳来说的,可是地球围绕着太阳在运行,因此太阳便成了一个移动的标志,方向便难于确定。但是对恒星来说,因它的距离遥远,才成为一个差不多不变的标志。同一颗星连续两次经过某地的子午圈(每个天文台每夜观测几十颗这样的星),其间所经过的时刻非常有规律,不是24小时(86 400 秒) ,而是 86 164 秒,即比24小时少了3分56秒。所以地球自转一周所需的时间是23小时56分4秒。

只要我们想到地球不但绕着自己的轴转动,而且绕着太阳在运行,那么地球自转的周期和太阳日的长短两者之间的差异就很容易解释了。设想在某一定时间地球在某一个位置上,它沿着一个轨道由左至右(图18)在一年内绕太阳转一周,同时,它又绕着自身沿箭头所指的方向一天转一周。设想在正午地A(左球)正面对着太阳,第二天当地球恰好转了一周,它却到了右边那个位置,过A点的子午圈又来到恰在前一天的那个位置。但是地球的公转使它向右移,在地面上看去太阳似乎向左退后了,因此要使A点再来到太阳面前,使A点再处在正午,就需要使地球绕着自身再转3分56秒,这在一年内每天都是这样的。因此太阳日(或称民用日)比地球自转的周期(又叫作恒星日)要长一些。一年内有个太阳日,但事实上地球却转了周,恰恰多了一天。

将恒星连续两次过子午圈与太阳连续两次过子午圈作比较,这两种时间的差别是3分56秒,但是这只是一个平均值,因为太阳的视运动比地球的自转更不规则。事实上,太阳每天的延迟在3 月末只有3分38秒,9月中是3分35秒,6月20日是4分9秒,而在12月23日却是4分26秒。太阳过子午圈,即日晷上所表示的真正午,在任何连续两个真正午之间的时间并不是相等的。在9月16日、17日两天的两个真正午之间只有23时59分39秒,而在12月23日、24日两天的两个真正午之间却有24时0分30秒。

这些差异,一天一天地累积起来,就形成了我们上述的那些显著的效果。它们的原因有两个:一方面,就像我们以后要说明的,当地球和太阳愈接近时,地球围绕太阳运动的速度就愈快。在1月初地球和太阳最接近,7月初离得最远。另一方面,因为地球的自转轴和黄道是斜交的,连续两个中午的延迟,在两至日(冬至、夏至)比两分日(春分、秋分)更要大些。在两个效果中,第二个效果更要大些。一个构造精确的表,自然不会随真太阳时那样随意改变的。如果我们要把表校准来适合太阳时,则在一年内每天都必须使表上的指针前进或者后退,有时拨快21秒,有时拨慢30秒。从前在巴黎王宫里用炮声给市民报告真正午时,时钟便是这样校准的。大家便借午炮声来校准钟表,这样要求当时制造钟表的名厂布雷盖增加一种不必要的装置。自1815年以后,大家便放弃了复杂的太阳时而采用了民用时∙∙∙。这是一种均匀前进的时间,在一年内,真时比民用时快的总和和真时比民用时慢的总和恰恰相互抵消。一个精确的表不应该和太阳时相符,而应该和民用时相符〔在18世纪,精巧的钟表制造工人曾用自动控制时钟指针的办法,得到与太阳相符所需的快慢分数。这种校差钟今天已成了博物馆的陈列品〕。在路易十四时代,巴黎的钟表制造业工会已经在展览柜里挂着一架钟,钟面用拉丁文写着这样一句话:“它说明太阳时不准确。”

到了今天,日晷已不用来作为建筑物上的装饰品,是不是因为它们已经完全无用了呢? 当然不是,问题是怎样使用它们,怎样使它们所表示的太阳时改为地方民用时。这种改换的办法必须借助于所谓名叫时差的一种改正数(下表中示例了一年内各时期的时差值),然后再在这个地方民用时上加入所在地的经度和所在地时区的经度差,便得到大家使用的标准时。

日晷上中午的地方民用时

由上述可知,4月16日、6月15日、9月2日、12月25日四天内,地方民用时和日晷上的时刻是相同的;在2月11日,日晷比地方民用时慢14分,5月15日差不多快4分,7月27日又慢6分多。每天的时差数值都刊登在天文年历上。

在有些日晷上附有一种装置,可借此直接读出民用时来。常用的一种装置是在固定的日晷上给出一根曲线,可从这根曲线上读出每天中午的民用时。这根曲线叫作平时的子午线,形状像一个拉长的8字,每天一到民用的中午(即时钟上是12点) ,指针的末端便投影在这根曲线上。因此,观看针影经过这根曲线而得民用时的中午,正和观看针影经过子午线而得真正中午一样容易。

日晷的形状很多,有些很是奇特。有一种名叫人影晷,观测者站在相应的日子点上,他自身的影子便指出当时的时刻。法国安省( Ain)某教堂内以及第戎( Dijon)和阿维尼翁( Avignon)两城各有这样人影晷一具(图9) 。

1911年3月9日法国颁布法令,废除使用以巴黎子午圈为准的时刻。经过多年的考虑之后,法国终于采用了以格林尼治的子午圈所决定的时刻为法国的标准时。这条子午圈是在1884年于华盛顿举行的国际外交会议上所决定采用来作为本初子午圈的。从1911年至1916年,格林尼治的民用时曾用于法国和阿尔及利亚( Algérie) 。但在第一次世界大战期间,因为经济上和社会上的种种原因,仅在夏季采用一种夏季时,即在格林尼治民用时上加上1小时。从1916年至1940年,冬季时和夏季时交互使用,改变期常在4月初和10月初。从1940年至1945年,冬季时钟拨早1小时,夏季拨早2小时。从1945年开始,全年采用夏季时,到本书出版的这一年(1955) ,还没有再使用冬季时。

事实上,自1911年3月9日的法令颁布以后,法国加入了全球的时区制。设想在地面上24个等距的子午圈上,将全球分为24个部分。这些子午圈中的任何一个和其他一个的经度之差,是一个整的时刻。由这些时区向东计算,从0时区到23时区,而所谓国际本初子午圈,即在伦敦附近格林尼治天文台的子午圈恰好平分0时区。在这个时区内,从北极到南极都使用格林尼治的民用时,又叫作世界时〔人们时常把世界时和格林尼治平时混淆。平时是从中午起算,因为平时制的一日24小时不是从半夜而是从中午计算。我们(法国)所用的所谓民用时,是在平时上拨快12个小时。除了天文台,平时从来没有在实际生活中使用过,所以国际天文学联合会在1928年和1948年曾两度建议使用GMT(格林尼治平时)代表世界时,这是唯一应该普遍使用的时刻,故以UT(世界时)的符号表示,但一般人不明白这个符号的意义,以致弄得非常混乱〕,它的一日24小时是从格林尼治的平子夜(夜半)起算〔民用时和平时的差别即平时是从正午开始计算,而民用时因实际生活的需要,是从正子时(夜半)起算〕。1时区主要包括中欧各地,那里是使用世界时加上1小时的时刻,以此类推,以至23时区,那里使用世界时加上23小时的时刻,换句话说,那里钟表上指针的位置,恰好比0时区慢1小时。

时区制经全球普遍使用以后,全球所有的钟表在每一瞬间都有相同的分数和秒数,任何两时区内各地时刻之差,仅是整整的一个或者几个小时罢了。

在海上航行的船只,向东行时,每经过一时区,船上的钟就要拨快1小时;向西行时,每经过一时区,就要拨慢1小时,这也没有什么不便〔可是这个规则一般只用于军舰,而不用于商船上〕。在陆上疆域不大的国家里,如法国、意大利、西班牙、德国等,它们的国土大部分处在某一时区,但也没有硬性规定它必须属于某一时区。例如上面说过的,法国从1911年属于0时区,可是从1940年以来改属于1时区。经度宽广的国家,如美国、加拿大和俄罗斯,它们便把自己的领土分为若干个时区〔我国在中华人民共和国成立以前也把全境分为长白、中原、陇蜀、回藏、昆仑五个时区。中华人民共和国成立后全国一律用中原时(即8区时,比格林尼治快8小时),大家把它叫作“北京时间”。——译者注〕。

天空是一座天然的时钟,观测者用精确细致的仪器(图25、图27),就可以读出时刻来。但是这个时刻只确切地表示在观测时的那一瞬间, 需要把它保留下来,天文学家别致地把这叫作守时。工业和技术的发展,最明显地表现在时钟改进的历史上。公元前16世纪已有漏钟,这是一个盛水的器皿,下面钻有小孔,让水缓缓滴出,一根立在它浮标上的针用来表示时刻。阿拔斯王朝哈里发拉西德( Harounal-Rachid)献给法皇查理大帝的漏钟,可称为中世纪的奇迹〔我国很早就用漏壶来计时,现存于中国国家博物馆中的一套完整漏壶制造于1316年。——校者注〕。

用重锤的机械钟出现于13世纪,但是它的行动没有规律,一直到1657年才被惠更斯( C. Huygens)发明的摆钟所代替。从那时起,时钟在天文台占有重要的地位。现今,天文台主要的摆钟守时的精确度很高,一日仅差千分之一秒或千分之二秒。但是,电钟有代替摆钟的趋势。石英钟的主要部分是一片在交流电场内振荡的棒状或者环状的晶体。一架好的石英钟,守时的误差值在一日内还不到万分之一秒。天文观测要达到这样高的精确度,还需要作更多的努力。

可是在平常的生活中,一般人并不需要这么高的精确度,巴黎天文台装置的说话钟(图29) ,便可以满足他们的需要。这座钟上有一根特殊的电话线和巴黎市民通话。广播电台每天也转播几次。这座钟的主要部分有二:其一是高度精确的摆钟,因摆动使电接触,发出极短暂清脆的时号;其二是像电影一样,在每一时号发出之前先报告时、分、秒。这座钟每天经人校准数次,时号发出的精准度达百分之一秒或百分之二秒。

石英钟自然不是工业上登峰造极的成就。物理学家现已不用摆或石英的振荡,而用发射或吸收比较低频辐射的分子或原子的振荡来制造时钟。根据这个原理,利用气体状态的氨分子或铯原子的特性,已经造出分子钟或原子钟, 此外, 还有更精致的实验在进行中。现今,精确度达每日万分之一秒的石英钟,在不久的将来一定会被原子钟所超过。有人或许会问:为什么要这么狂热地去追求天文观测绝对不能达到的精确度呢?

自开普勒( Kepler)以来,有些大胆的聪明人,时常觉得没有一种高度精确的标准去核校地球的自转运动。地球自转的绝对均匀性这一概念,像是亚里士多德学说的残余,一直到最近几年以前为止,它一向是被人盲目地信服着。 1687年,牛顿曾说:“可能没有绝对均匀的运动可以作为时间量度的标准。”过了一个世纪,拉朗德( Lalande)断言:假使有足够完善的时钟,我们便有方法找出地球自转的微小的不均匀性来。这个预言久已被人遗忘,直到最近才得到了明确的证实。今天,已经没有人相信地球像一个理想的刚体那样,均匀地绕着自己的轴旋转,我们已经知道怎样测定它运动的不均匀性。首先,由于日月的吸引而引起的潮汐,对地球起了一种抑制的作用。它自转的周期,我们大约定为86 164秒,在每年里,增长0. 001 64秒。你们或许说,这种变化真是太渺小了。不错,可是这样积累的效果是随时间的平方〔这是因为地球自转周期的增长率与时间成正比。——译者注〕而增加的。自从古希腊有名的天文学家喜帕恰斯〔Hipparque,旧译伊巴谷。——译者注〕以来,地球的自转已经慢了3个小时之多。换句话说,假想有一架钟,为喜帕恰斯测定的太阳日的长短所校准,那么,今天这架钟在我们中午的时候,就要指着15时(午后3时)了。自然,人类用手所做的钟不可能经过20个世纪而不损坏,但是有一架绝不受时期影响的天然钟,那便是在其轨道上运行的月亮。如果从古代的月食所观测的时刻出发,计算现在月食发生的时刻,比起实际的时刻要早几个小时。这便是地球的自转变慢所产生的效果。

不仅如此,除了因潮汐引起的这种长期的缓慢的变化以外,还有一些经现代天文学家证明确实存在的奇怪的变化,只是原因还不明白。我们转动的地球好像一架质量不好的时钟,它的轮机是由一个拙劣的钟表匠制造拼合成的,它无故地有时快来有时慢。在1680 年,它快了20 余秒;一个世纪以后,它却慢了 30 余秒。一个半世纪以来,地球有转快的趋势,可是相当不规则。从1920 年至1950年,它平均每年快半秒,但是在1873年1月1日和12月31日之间,它快了将近2秒。这些变化,天文学家因为不知道原因,所以不能预测。这些变化也许是与深层的地质现象有关。另外,还有一些相当有规则的季节变化,好像是受了地面气象的影响。地球的自转在3 月里要比在9月里稍微缓慢一点。地球自转的周期,全年的总变化是千分之二秒。这些季节的变化是将天文的时刻和极好的时钟的时刻加以比较而发现的。由此可见,我们今天已有比地球自转还更均匀的时钟——拉朗德的希望终于实现了。

但是有人会说,这些不能解释的变化,是不是破坏了规定天象不变的天体力学定律呢? 只要举一个简单的例子,便可以消除这个疑团。假设地面的温度增高,使两极地带的巨大冰雪完全融化,这些融化了的冰流入海洋,使水面增高,甚至汹涌在赤道区域。力学告诉我们,在这种情形下,地球的自转将会变慢,一日的周期将会变长一点,可是地球绕着太阳的公转却没有改变,因此,一年的周期没有变化。由此可见,用年的周期作为时间的标准,比用日的周期更为准确些。

◀ 年 和 历 ▶

地球绕地轴周日旋转和绕太阳的周年公转是两种绝对独立的运动,两者之间并无共同之处。一年并不刚好有若干个整日。地球绕着中央的星(太阳)旋转一周所需的时间不恰好是365日,也不是366日,而是日。所以每四年内应有一年是闰年,该年366日,其余三年都是365日。 1/4这个数字也还是近似值,在365上所加的不应该是1/4。如果连续在若干世纪中每四年均置一闰, 结果便会矫枉过正,不久我们的时间便将比自然慢了。实际上也的确发生了这样的事。教皇格列高利十三世因历法和天象不合,才于1582年改订了历法。在那一年里规定,把自儒略·恺撒以来积累的10日减掉,因为儒略历于公元前1世纪制定时,将先前365日的一年加上1/4日,换句话说,即在四年内置一个366日的闰年。 16世纪的天文学家解决了这迟慢的问题,将1582年10月4日星期四以后的一天叫作10月15日星期五,而且为了避免再发生这样的差异,规定每逢百的四年之中三年不置闰。因此,1700年、1800年、1900年在儒略历是闰年,在格列高利历不是闰年,但2000年又将是闰年。只有能被400除尽的年,如1600年、2000年、2400年,才有闰年。格列高利历起初仅流行于信奉天主教的国家,别的国家因宗教和政治的缘故不采用,直到最近才采用这个改革过的历法。他们宁可与自然不合,不愿与教皇相合,将1700年、1800年和1900年仍然列为闰年,因此他们的历法竟又慢了13日。幸而今天格列高利历已经被普遍采用了。

一年的长短更确切的值是365日5时48分46秒,或者365. 24220日。这一周期叫作回归年,即季节循环的周期,也是太阳在天空中视行来回的周期。表现在自然现象的变化上面,在我们看来,这才真算是一年,是规定气象、农业、民事的一年。可是回归年却不正好是地球围绕太阳运行的周期。因为我们在前章已经说过,以后还要详细解释的二分点的进动(岁差)的缘故,一年以后,太阳再回到春分点时,地球还须走20. 5分的时间,才达到它完全环绕太阳一周所出发的那一点。

地球的天文周期,或者叫作恒星年,是365日6时9分11秒或365. 25636日。

在查理大帝时,在法国和法国管辖的地方,岁首规定在基督诞生日。这一天同时庆祝元旦和圣诞。更合理和更好的办法是把岁首放在冬季结束而太阳北返的时候,换句话说,就是把岁首放在春分日,即现在的3月21日,或者像2 000 年前那样,把岁首放在3月1日。从前的人在最适宜的季节里过新年(至少在北半球是这样的),可是现在却在寒风刺骨、雨雪交加、风景萧条的日子里祝贺新年! 自查理九世于1563年命令以圣诞节后一星期为岁首,法国沿用至今已有300多年的历史了。 1752年英国采用这个日子时曾发生了一场骚乱,因为那年的岁首由3月25日移至1月1日,妇女们感觉她们一下子就老了三个月。改革历法的人虽殷勤解释,也不能获得她们的原谅。工人们也以为在一年里丢掉了三个月,在没有明白这只是一个表面现象以前,也产生了骚动。市民们在伦敦街道上向吉斯斐耳德爵士呼叫:“还给我们三个月来!”那时英国的历书上保证新历并不违背自然,甚至说:“即使是猫,它在旧历岁首怎样扑地,在新历岁首也还是一样。”这些幼稚的故事和罗马人把每四年加在2月里的闰日叫作“双六日”一样的可笑。由于这种“偷天换日”的办法,2月总是28天,借此以免亵渎神灵而给群众带来的灾祸。这一个附加的日子就这样隐藏在另外两个日子里,神灵便看不见了。

岁首放在1月1日既不合理又不妥当,而且将原来的月序也弄乱了,更增加历法上的紊乱。罗马人的岁首是3月1日,12个月的分布如下:

第一月是纪念罗马人的最高守护神战神,最后一月是纪念死者。五六两个月因尊重儒略·恺撒和奥古斯都两位皇帝,已改名叫作Julius和Augustus了。后来的罗马皇帝,如提比略( Tibère) 、尼禄( Néron)和康茂德( Commode)都想把自己的名字改作以后的几个月的名称,然而没有成功。

到了今天,原来的7月变成了我们的9月,8月变成10月,9月变成11月,10月变成12月,即最后的一月了。你想还有比这样安排月份的方法更荒唐的吗? 这一切的混乱,都是因为把岁首从春光明媚的3月移到一般说来是萧索愁苦的1月去的缘故。由此可见,现行的月的名称起源于罗马,既不是基督教国家的历法,也不合它原有的意义,因为它经过了颠倒错置,而且不与气候的变化相合。只有1789年法国大革命时代所颁布的共和历,才弥补了气候变化这一点。每一季度的三个月都有同样的语尾,都和气象或农业发生联系,真正做到音义均佳的程度。酒月是在收获葡萄的时候,霜月下霜,雨月多雨,萌月、花月、草月是代表在春季欢乐的太阳下跳舞的女神。下表记载共和历12个月和格列高利历相当的时期:

共和历各月的日期随春分日而有改变。每月规定为30日,平年加例外日5日,闰年加例外日6日。这样已经是复杂的了,而且还把这些例外日命名为“共和党人日”。不幸的是以气候命名的这些月份既不能适用于南半球,也不能适用于北半球的一切地方,因此共和历不具有世界性。所以除法国以外,共和历从未被人使用,而且从1806年以后就废止了〔现行历法既不合理又不完善。如果保存月的名称,每年应该从3月1日开始。如果以1月1日为岁首,便该更改月的名称。 28日的一月安插在两个31日的月中间,像什么样呢? 这种历法里每月的日序和星期的周序不合,每月的任何一天可以是星期里的任何一天,一件历史的或个人的事件发生在星期日的,可以在以后每年的任何周日来纪念它。我们可以避免这个混乱,可以建立一种均匀的永远是一样的年的历法。只需将1月1日当作是节日,不列入月序和周序里(闰年则有这样两个节日)〕。