第五章 地球的摄动和太阳在空间的运行

在前面几章里,我们叙述了地球的几种运动:绕轴的自转、绕日的公转、绕地与月的重心的运动,还有因日月两者的作用而形成地轴的一种迟缓运动(岁差),以及月亮的作用所引起的另一种运动(章动)。这一章内将要叙述地球的另外几种运动,它们是由于别的行星对于太阳和地球所施加的吸引作用而发生的,这些运动一概叫作摄动。这些运动是牛顿在1687年发现的,记载在他不朽的巨著《自然哲学之数学原理》之中。他认为这是万有引力定律的必然结果,该定律用数学的语言来说是这样的:万物互相吸引,其引力的大小和它们的质量成正比,而和它们之间的距离平方成反比。行星的质量比起太阳的质量来说是极微小的,因此,它们彼此间的引力比起太阳给它们的引力即维持它们各自在轨道上运行的引力来说是极微弱的,但却是不可以完全被忽略的,而且在长时间里它们的效果便显现出来,使它们的轨道发生缓慢的变化。

地球既然是一个行星,当然也难免受到这种摄动的影响,我们在下面举出几个例子,首先说明被我们排列为第六种的运动。

1950年,地球的自转轴和它绕太阳公转的黄道平面的垂直线相交成23°26′45″的角度。可见,地球是斜着旋转,可是这个倾斜的角度在千百年中常常变化着。根据托勒密〔Ptolemy,旧译多禄某。——译者注〕、埃拉托斯特尼( Eratosthènes)在公元前3世纪求得的,这个角是23°50′; 9 世纪,阿拉伯人求得它只有 23°35′;第谷( Tycho )在 1587 年定它为23°30′30″;它现在减少的速度每世纪为47″,或每128年1′。假使这个角度继续减少以至于到零,那么季节的变化也将随着逐渐减小,以至于停顿。那时,地球上便出现了四季皆春的景象。

根据传说,古代有一个黄金时代,人类在自己的摇篮里过着快活的日子。那时,大地不需耕种而自然丰产,禽兽驯服,树常结果,花常开放,空气是芬芳的,阳光是明媚的,既无风暴,也无霜雪,极尽自然之和谐与美妙之能事。可是,弥尔顿( Milton)在他的《失乐园》第十节的奇妙诗篇里,却叙述了因亚当或夏娃的过错所得到的不幸的结果。其中有一段说:永恒的神派来了强壮的天使,“把地轴拨动成倾斜的” ,于是使这一对幸福夫妻的倒霉后裔遭遇到极不适意的寒冬和炎夏了! ……

可是天体力学证明这是一段梦话。赤道对于黄道只有细微的摆动,其摆幅很难超过两分。像这样的减少,地球还要运行一万年,以后才会开始增长。地球的这种第六种运动叫作黄赤交角的变化。下面记载了各年1月1日交角的数值:

1900年………23°27′8″. 26

1910年………23°27′3″. 58

1920年………23°26′58″. 89

1930年………23°26′54″. 21

1940年………23°26′49″. 52

1950年………23°26′44″. 84

1960年………23°26′40″. 15

1970年………23°26′35″. 47

1980年………23°26′30″. 78

1990年………23°26′26″. 10

2000年………23°26′21″. 41

因为有了这种变化,我们所表示北天极长期移动的圆周,其半径发生交替的胀缩运动,这样便形成一种螺旋的形态。它现时在收缩,以后又膨胀。这种交替开合的螺旋运动,有点像手表的螺旋运动那样(图61) 。这是地球运动的又一种表现形式。在我们看来,地球像是很沉重的,可是它对外围微小的影响都有感觉,地球真是非常的敏感而又非常的活跃。它的行动初看起来好像又严肃又稳重,可是不然,它却具有各种各样的摇摆,正如我们上面说过的,它像是飘荡在空气里的肥皂泡那样,在轻盈地摇摆着。假使我们不知道它不得不这样行动的原因,我们会把它当作是并不全心全意地接受太阳的牵引,而总想设法逃脱这种引力去改变它自己的旅程。

我们曾经说过,地球绕太阳的轨道不是正圆,而是椭圆(图44) 。可是,这个轨道的形态也不是不改变的,这个椭圆的偏心率有时大有时小。现在的偏心率是0. 016 8,在10万年之后,它却要比现在大3倍;2. 4万年以后,偏心率要减至极小,那时地球的轨道差不多是正圆;随后,偏心率又将增加起来。这种偏心率的变化可以当作地球的第七种运动,影响了地球长期运动的形态。 2. 4万年以后,地球距离太阳将经常是一样的远,它的轨道上便无所谓近日点和远日点了。地球绕着发射着光和热的轨道焦点而运行,轨道形态的这种变化,显然在季节和气候上会产生一种长期的影响。

地球的第八种运动,也是由行星的一般影响而来的,它使地球轨道的长轴又叫作拱线发生旋动,使近日点和远日点沿着轨道而运行。因此在连续两年里,长轴并不保持一个绝对相同的方向。公元前4000年,地球在9月23日,即秋分日过近日点。公元1250年,于12月21日,即冬至日过近日点。那时,就北半球来说,冬季发生在椭圆轨道上最接近太阳的一部分,可能比较温暖;夏季发生在椭圆轨道上最远离太阳的一部分,可能比较凉爽。因近日点比远日点距离太阳约近500万千米,接收太阳的热量也可差至1/15,所以这一种变化对于季节的寒暖,实在是有影响的。现在,地球于1月2日过近日点;公元6400年,近日点将和春分点相重合;公元11500年,近日点将和夏至点相重合,那时北半球夏季将最热,而冬季最冷;公元16000年,近日点将重返公元前4000年的情况,即它与秋分点相重合。所以这一变化的周期是两万年。

行星吸引地球而产生的摄动还有许多种。木星距离地球虽有6. 3亿千米之远,可是它却影响地球,使地球越出轨道! 两星最接近时,地球可越出轨道几千千米去向木星致敬。总之,地球随着它同木星、金星、土星、火星以及其他更远更小的行星的距离的变化,而受着时常变化的影响,因而扰乱了它的运行。

第九种的运动包括许多周期的变化,天文学家有方法计算出来。这些变化一概叫作地球轨道上的周期摄动。

但是,地球的运动还不止于此。太阳的位置恰在所有行星的轨道的焦点上,如果我们把这一点当作是绝对不动的点,那便大错特错了。

首先,这一点围绕太阳系的公共重心而转动。如果太阳系里可以找到一个相对不变动的标点,那一点便是这个重心,而不是太阳的中心。这两点之间的距离,并不如我们想象的那样接近。当所有的行星都在太阳的一边的时候,太阳便在重心的另一边,以便和这些行星取得平衡(图74) 。那时,这个重心和太阳中心的距离可达到甚至超过太阳直径或者日地间距离的百分之一,这是它所能达到的最大的数值。太阳的中心本是地球轨道的焦点,于是这个中心带着地球围绕公共重心描出一种奇特的曲线。地球参加了这种芭蕾舞式的运动,我们在这里把它叫作地球的第十种运动。

以上所述的无疑是过于专业了一些,正如诗人缪塞( Alfred de Musset)所说的,像“一位院士的讲演”那样不加修饰,但是如果我们要了解宇宙的真相,从地球在空间的位置着手研究是很必要的。可是,我们还没有说完地球的运动,我们应当在这里解释它的第十一种运动,这一种比以前的十种加在一起还更出色,因为它把整个太阳系、太阳和它的从属的行星、卫星与彗星一并带着,经过星际的空间。我们因为研究恒星的自行,而后才发现这种普遍的运动。我们试图用一个熟悉的比喻来说明我们是怎样得到这个结论的。当我们坐火车旅行时,经过田野、树林、山川、村庄,看见一切景物沿着和我们运动相反的方向奔驰。如果我们仔细观测恒星,我们在这些天体上会发现和上述相同的现象。天上的繁星好像都向着天空中的一个区域奔驰,即向着和我们运动相反的方向奔驰。我们两旁的星都在后退,我们前面的星都好像在散开,好像在为我们开辟一条道路似的。计算说明,这种透视的现象是太阳带领着地球和别的行星向天空某一区域的移动而引起的,这一区域在天琴和武仙两星座之间。用天文家的术语来说,这一区域是在赤经270°,赤纬30°附近,离武仙座ξ星不远的地方。天球上这一点叫作太阳的向点(图75) 。我们向这一点飞去,速度每秒20千米,每日要走173万千米,每年要走6. 3亿千米。我们沿着天狼星闪烁的区域,朝着天琴和武仙的明星飞去。太阳带领着地球的这一种运动是在1783年被威廉·赫歇尔〔William Herschel,旧译侯失勒。——译者注〕所发现的。

在夏季的晴夜里,静寂的天穹上闪烁着美丽的星星时,请你在银河边际的星座里去寻找天琴座里的一颗名叫织女星的1等明星。在离这个灰白区域不远的地方,天鹅座像一个大十字那样舒展着它的双翼。以织女星居中,和天鹅座正对着的是北冕座,其中主要的明星排成王冠的形式,很易辨识。

在织女星和北冕座之间(图75) ,你可以认出一些3等和4等的星,它们都属于武仙座,这便是在天空中我们长途旅行所奔赴的区域了。

我们设想一下,我们在无限空间里的这一种运动。宇宙中自然无所谓上和下,为了更好地表现我们在星际间的这一运动,可以取黄道平面为准,因为所有的行星带着它们的卫星围绕太阳运行的轨道都和黄道平面相离不远。假想把太阳系比作一个圆轮,把它抛掷在空间,这圆轮是垂直还是倾斜于自身的运动的方向而飞去呢?

如果把黄道比拟做地平面,黄道的极线比拟为垂直线,我们便可以把我们在空间运行的路径描绘出来。这条路径和黄道极线的方向相交约成37°(图76) 。地球以高速度向着不可达到的深渊奔驰,这条路线是一条伟大的螺旋曲线,同时太阳(更确切地说便是太阳系的重心)便在箭头所表示的那条直线上飞奔。

这便是太阳和地球对于近星的相对运动。这些星自己都在运动,方向是很多的,但速度的大小则和太阳差不多。包括太阳在内的这一群恒星,好像一群内部纷乱的昆虫在作集体的飞行。

可是这一群星有一种集体的运动,正如风吹着一团聚集不散的昆虫在移动一样。事实上,太阳同自己近邻的恒星参与银河系的一般自转的运动,这一点我们以后还要谈到。银河自转的中心是宇宙深处的一点,位置在人马座的星云后面,它在我们所处的纬度的地方,夏夜可在南方的天上被看见。现在,太阳正带领着它整个行星系,朝向天鹅座的几颗恒星的方向,以每秒268千米的高速运转着,需2. 3 亿年才能运转一周。自地球存在大约30多亿年以来,它跟着太阳在银河系里已绕了15圈以上了。

我们将谈论到银河星系的惊人范围,但它是不是宇宙里的一点灰尘,像我们太阳系一样,是不是还有别的数以亿万计的河外星系呢? 在这样超过我们所能想象的星空里,我们是不是终于找到了尽头呢?不,因为所有的星系都像在互相逃逸,这些星系距离我们愈远,逃逸得愈快,最远的几个星系的逃逸速度竟达到每秒几万千米! 我们到现在也还不知道每一个星系里究竟有着怎样的运动呢! 三个世纪以前,近代天文学已得出了太阳系的真实范围,我们的祖先已经对于那样的无限感觉眩晕。在现今天文学所表示的宇宙面前,我们又会有怎样的感觉呢?