古今北斗星的变迁（上）

郭红锋

北斗七星（如图1），因其形状像古代量器“斗”而得名。其中，天枢、天璇、天玑、天权组成的四边形为斗身，玉衡、开阳、瑶光组成的弯形为斗柄。

圖1

这七颗星在北方天空一年四季都是可见的。古人发现北斗七星整体在围绕北极点转圈，因其离北极很近，所以还没转到地平线下就又升起来了，因此无论什么季节都是整夜可见的（如图2）。

图2

远古的人们还把北斗七星当做天空大钟表的指针。例如，古人发现北斗七星每昼夜可转一周，于是就利用北斗斗柄的指向来估计时间（如图3）。斗柄每转过一个角度，代表过去了多少时辰，有经验的长者或经常观星的人一般可以根据斗柄的指向估算出大致的时辰（斗柄一昼夜转一周，只要把一周的角度均分，就可以从斗柄转过的角度估计出逝去的时间了）。

图3

图4

但是用北斗做时钟还需要在不同的季节校准起点，例如夏季天黑后看到斗柄指南，需要从这个指南的起点开始计时；而到了冬季，天黑后看到斗柄指北，那么计时就得从这个指北的起点开始。

同学们发现问题了吗？北斗的指向在不同季节的同一时间段（例如都是天黑以后，或者都是在午夜），其指向是不同的。这就使得古人又可以利用北斗斗柄的指向确定季节（见图4）。

古人为此还总结了一段谚语，流传民间：

斗柄指东，

天下皆春；

斗柄指南，

天下皆夏；

斗柄指西，

天下皆秋；

斗柄指北，

天下皆冬。

注意，这个谚语说的是天黑以后几小时内观看到的北斗的指向（因为北斗在不停地转动，过一段时间，例如在午夜，其指向就不是谚语说的方向了）。

关于这个谚语，有两个问题需要讨论。

第一，为什么斗柄指向有季节性的变化？

这是一个恒星时间与太阳时间的问题（见图5）。

假如我们从在地球上某时刻（位置1）面对太阳的同时也面对一颗恒星开始计时，当地球自转（加公转）经位置2 到达位置3 时，又面对同一颗恒星了（恒星非常遥远，地球一天的位移不影响恒星的方向）。此时地球相对恒星自转一周（称为一个恒星日），但地球相对太阳自转还不够一周（一个太阳日），地球要继续运动到位置4 才完成一个太阳日。所以，恒星日比太阳日短。

图5

有天文背景的同学都知道，我们平日里使用的时间是根据太阳的出没周期，即一个太阳日（24 小时），但恒星出没周期是一个恒星日（约23 小时56 分钟）。也就是说，因为记录使用太阳时，而恒星视运动遵循恒星时，所以全天的恒星（包括北斗星），其旋转周期都比我们使用的太阳时间每天约快4 分钟，或者说恒星在一个太阳日里实际上转了一周多一点（大约每天多1 度），积累一个季度就多转了大约90 度。这就是北斗斗柄指向季节性变化的原因。