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地球自转轴的移动方式

2016-12-13 20:37| 发布者: 一只虫子 |原作者: 郭晓强

摘要:   1.岁差在东西方天文学中的不同含义。在开始本节内容之前,有必要给读者介绍一下什么是“岁差”。中国东晋天文学家虞喜,采用与西方黄道坐标系不同的赤道坐标系,于公元300年独立发现了冬至点移动现象,并将此现 ...

  1.岁差在东西方天文学中的不同含义。在开始本节内容之前,有必要给读者介绍一下什么是“岁差”。中国东晋天文学家虞喜,采用与西方黄道坐标系不同的赤道坐标系,于公元300年独立发现了冬至点移动现象,并将此现象命名为“岁差”。①

  虞喜冬至点移动示意图(图1)
  (说明:本示意图是借用星像解码中28宿星图所作。除虞喜及作者对冬至点移动角度外,均不代表作者观点。图中黄色线条构成夹角为虞喜原计算,绿色线条构成夹角为作者修正计算)。虞喜当时求得冬至点退行(移动)速度为约“50年退一度”(50年/度),即72角秒/年。从上面示意图中可以看出:由于赤北极移动原因,虞喜时代(公元300年)和唐尧时代(公元前2400年)峁宿与壁宿构成的夹角是不同的。虞喜时代夹角明显大于唐尧时代夹角,唐尧时代应为40度左右。因此作者认为准确的计算式应为 :2700/40=67.5年/度。即53.33角秒/年。古希腊天文学家喜恰帕斯于公元前二世纪,采用黄道坐标系最先发现了春分点沿黄道向西移动现象。喜帕恰斯当时发现春分点黄经变化值为36角秒/年,即100年/度,现代天文学通过最近200年的观测资料,测定春分点黄经变化值为50.27角秒/年。即71.613年/度。国际天文学界将古希腊天文学家喜恰帕斯发现的这个天文学现象命名为equinoxes,precession of,它的准确含义是 “昼夜平分点(春分点或者秋分点)进动”。
  并被直接翻译为“岁差”。

  现代天文学关于春分点,恒星年和回归年三者关系示意图(图2)
  在这个示意图中,最近200年测定的春分点平均移动值50.27角秒/年虽然被规定为常数。但它并不符合喜恰帕斯测定记录36角秒/年。因此计算出的所谓25780年“岁差周期”,只是一个假设的周期。
  人们最先关注岁差现象是因为它涉及到历法的准确性。因此在相关辞条解释中往往都有这样的论述:恒星年主要应用于天文学。迄今为止,这个基本认识还是占据主导地位。在这个基本认识影响下,一谈到岁差,一般人(包括不少天文学家)就会下意识反应:现代科技高度发达,历法的准确性已经解决。学习岁差完全没有什么实际意意义..但从地球科学角度考察,天文和地理存在密切联系。弄清楚地球的第三种运动方式,对了解地球演变历史肯定有着非常重要的意义。
  2.哥白尼和牛顿对岁差原因解释的异同。
  无论是古代中国天文学家还是古希腊天文学家,之所以关注岁差,是因为这个现象直接关系到历法的准确性。两分两至点(春分点和秋分点,冬至点和夏至点)是地球围绕太阳公转轨道上的4个特殊位置点。如果对它们的位置测定发生偏差,将会使得历法混乱,失去指导人们进行农耕活动的意义。因此从古至今,东西方天文学界都对岁差现象进行着不断的观测学习,但对引起岁差现象的原因的学习,却长期处于沉寂状态。最早探索岁差原因的是伟大的波兰天文学家哥白尼。他不但发现了地球围绕太阳公转的秘密,提出了划时代的“日心说”,揭示了地球的公转和自转运动,并且还根据前人对两分点移动变化的天文观测资料,最先提出地球赤道平面移动(其实质是地球自转轴移动),是造成岁差现象原因的假说。以下是哥白尼天体运行论第三章相关内容。
  “…让我们在一个球面上画出黄道ABCD。令它的北极为E,魔羯宫第一点为A,巨蟹座第一点为C,白羊宫第一点为B,而天枰宫第一点为D………。首先令地球北极位于F。…….两种运动同时作用并使极点得到平衡位置I,视赤道与均匀或平均赤道完全吻合。…….并最后扫出我之称为扭曲线的FKILGMINF。因此明显可知,在黄赤交角变化一周中,地极向前进两次到达端点,并两次朝退后到达端点。”②
  为了帮助读者更好理解哥白尼的观点,本人将天体运行论中图3.2进行了相应的色彩区分和标注。③

  哥白尼关于两分点及黄赤交角移动示意图(图3)
  从上面的引文和书籍照片中我们可以清楚地发现:
  1. 哥白尼是在黄道坐标系中讨论和推导由于春分点移动可能产生的地轴移动形式的。
  2. ABCD圆圈示的是黄道平面,E表示黄极。
  3. OQP和BHD圆圈分别表示由于春分点移动产生的两个赤道平面。B,O,P,D分别表示赤道平面移动产生的的黄道平面的4个交点。Q,H则表示赤道平面移动产生的与黄经某度的两个交点。
  4. FKIMGLINF曲线,即哥白尼所言的“扭曲的小王冠相似的线条”。表示地轴移动在天球上面的投影轨迹,I是其平衡位置。即赤北极的中心位置。.I至E的角距为黄赤交角的平均角度。
  哥白尼提出的地球自转轴移动“FKIMGLINF”形式与牛顿提出的“陀螺”假说(地球自转轴以23.46度固定角度围绕黄极旋转)有着明显的差异。牛顿“陀螺”假说认为地球自转轴是围绕黄极作圆周运动,而哥白尼认为地球自转轴是按照“小王冠相似的“扭曲曲线围绕赤北极平衡位置运动。从某种意义上说,哥白尼在黄道坐标系中提出的地轴“FKIMGLINF”移动方式,已经接近事实真相。如果他当年对东方的赤道坐标系和中国古代天文学历史观测资料有基本理解,也许他是能够发现地球自转轴沿赤经14H方向的真实移动方式的。
  英国科学家牛顿及西方其他天文学家后来对哥白尼的假说进行了修正,改变了哥白尼关于地球自转轴环绕赤北极移动轨迹,提出了解释岁差现象原因的“陀螺”假说。牛顿的解释是这样:引起岁差现象的主要原因是太阳和月亮对地球赤道隆起局部的合力对地球自转轴的影响。由此产生了所谓的“陀螺”效应,使得地球的自转轴产生了“进动”,即围绕黄北极,以23.46度为半径划出一个小圆。现代天文学界依据牛顿假说和最近200年春分点在黄道上移动的平均速度50.27角秒/年,计算出赤北极围绕黄北极旋转一周的时间为25800年(360*3600/50.27=25780)。

  牛顿“陀螺”假说示意图(图4)
  在岁差问题上面,牛顿只是对哥白尼首先提出的地球自转轴“进动”观点进行了力学解释,他只是从理论力学角度对哥白尼的观点加以修正,改变成理想状态的所谓“陀螺”运动,并没有提供新的天文观测事实对自己提出的假说加以论证。由于古代西方天文学一直采用黄道坐标系观测星空,对赤北极移动轨迹的观测精度,远比采用赤道坐标系的中国古代天文学观测精度差,并且也不足北极星变迁的历史观测资料。所以自天体运行论问世和牛顿提出“陀螺”假说以来,西方天文学界一直没有人对赤北极真实的移动轨迹进行过深入的学习。牛顿的“陀螺”假说可以解释春分点沿黄道西行现象,因此自提出以来得到了国际天文学界的承认,并成为解释岁差现象的权威观点。根据牛顿假说可以推论:春分点沿黄道移动的方向和角速度应该等于赤北极(地球自转轴北端的延长线)移动的方向和角速度,即逆时针方向和50.27角秒/年。但现代天文学精确测定的赤北极移动方向和速度数值,并不支持牛顿“陀螺“假说。④如果我们能够冲破盲目崇拜权威的心理定势,坚持实践是检验一切理论的真理性的原则,在尊重客观事实基础上对牛顿的“陀螺”假说进行质疑,也许能够得出和牛顿假说不同的结论的。从上面的论述中,我们可以发现哥白尼都认为地球自转轴的移动是造成岁差现象的原因,但对地球自转轴移动的方式却存在不同观点。哥白尼认为地球自转轴是围绕赤北极平衡位置进行“扭曲的小王冠式”运动,牛顿则认为地球自转轴是围绕黄北极进行“陀螺”运动。尽管他们各自主张的地球自转轴运动方式不同,但共同点很明显:地球除公转,自转运动外,还存在第三种运动----自转轴运动。应该承认这是一个了不起的发现,它可能是揭开地球演变历史秘密的一个途径。
  本节注释
  ① “虞喜根据尧典记载“冬至日短星昴”,而当时实测冬至点在“东壁中”,即壁宿九度。从昴宿经胃宿十四度、娄宿十二度、奎宿十六度,至壁宿九度,合计退行五十多度,虞喜估计唐尧时代相距“二千七百余年”,由此可求得岁差值为约“五十年退一度”。----摘自百度.百科
  ②③摘自 哥白尼天体运行论北京大学出版社2006年第一版    P86---P87
  ④ 根据中国天文年历多年的(北极星视位置)数值计算,赤北极纬度方向平均移动速度为14.98角秒/年

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