时间，天文学的核心

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《时间的天文学》 作者：黄驰
十六. 追踪一颗恒星　　|　　目录　　|　　什么是天文学？
天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象。数学、物理学是天文学的基础，准确的描述和解释每一种天文现象是数学和物理学必须要解答的核心问题。然而对于天文学，时间，才是天文学的核心，是天文学必须解答的核心问题。因为时间有预知未来的能力。(其实，是我们利用了天体移动的周期性)
时间，天文学的核心，是天文学中最重要的工具，也是开启天文学的钥匙。天文学对于时间的定义是天文历法，描述的是天文学中最重要的天文现象--地球的自转和围绕太阳的公转 (还包括月亮围绕地球的公转)。仰望星空 (天空) ，太阳东升西落，月亮东升西落，星星、星座东升西落，所有的天体都是移动的，而所有天体移动的规律都是时间的规律。纵观天文学的发展历程，天文学对于天体移动时间规律的研究、对于时间的认知，推动了天文学、数学、物理学，甚至是整个现代科学的大发展。
这里就让我们简单回顾一下天文学的发展历程，简单回顾几位历史上伟大的天文学家。为什么时间是天文学的核心，天文学对于天体移动时间的规律的研究(周期性)、对于时间的认知，是如何推动整个现代科学发展的。
{\bold{\color{blue}{\small 1. }}} 亚里士多德（公元前384年～前322年)，古希腊先哲，世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。他是柏拉图的学生，亚历山大大帝的老师。亚里士多德也是一个天文学家，柏拉图提出了地球是一个球体，为亚里士多德所继承发展，并且很快被其他天文学家所证明。改变了古人对大地是方的，由海龟拖着飘在海上的认知。《天论》一书的发表，提出地球是圆的、球体，是静止的，是宇宙的中心。"地心说"开始形成。
埃拉托色尼 (Eratosthenes，公元前275一前193)，是古希腊杰出的数学家、天文学家和地理学家，对地图学的贡献尤为卓著。用数学的方法证明了地球是球体，并测量出了地球的周长。
{\bold{\color{blue}{\small 2. }}} 喜帕恰斯（约公元前190年～前125年)，古希腊伟大的天文学家、数学家。他编制出1022颗恒星位置一览表。喜帕恰斯利用自制的观测工具，并创立三角学和球面三角学，测量出地球绕太阳一圈所花的时间约365.25-1/300天，与正确值只相差六分钟；他更算出一个朔望月周期为29.53058天，与现今算出的29.53059天十分接近。喜帕恰斯还是第一个根据星星的亮度将星划分为几个等级的人。
喜帕恰斯是第一个发现岁差的人，他把自己观测的恒星黄经结果与前人的观察记载进行比较，发现全部恒星从西向东存在一均匀的移动，他只能这样解释：假设天球的北极在空中作缓慢的圆周运动，完成一周需时26,700年。这意味着每年春、秋分时刻都要稍微提前一点，这个现象称为"岁差"，并测定出岁差值为每年45"或46"。而真正解释其中原因的，是喜帕恰斯一千八百年后的牛顿了。
历法1：1年365天，4年闰1天。公元前46年，罗马帝国凯撒大帝决定制定新的历法。指定以埃及天文学家索西琴尼为首的一批天文学家制定新历，这就是儒略历。是现在使用公历的前身。以历法的形式描述了太阳移动时间规律。我们对1天、1年有了比较清晰的认识。
{\bold{\color{blue}{\small 3. }}} 托勒密（约90年～168年），希腊数学家、天文学家，总结了希腊古天文学的成就，写成《天文学大成》。他利用希腊天文学家们特别是喜帕恰斯的大量观测与研究成果，把各种用偏心圆或大小轮体系解释天体运动的地心学说给以系统化的论证，后世遂把这种地心体系冠以他的名字，称为托勒密地心体系。其核心内容是对行星（金、木、水、火、土）移动时间规律的计算与分析，用数学的方式解释行星移动的时间规律(主要是针对行星逆行)。这部巨著是当时天文学的百科全书，直到开普勒时代的1300年间都是天文学家的必读书籍。(参考本文结尾)

在古代，无论是西方(欧洲)，还是东方(中国)，天文学的发展一直是皇权的象征，天文学始终掌握在皇权少数人手中的。古人认为天象的变化预示着王朝的兴衰，天文学是不能普及给普通人的 (会造反)。行星，星空中最亮的几颗星星，古人从观测他们的移动规律，用以预测王朝的兴衰 (预测未来)，再到计算他们移动的时间规律，描述他们的移动轨迹，来描述这是一个自然现象。时间逐渐成为天文学的核心，天文学对于时间的研究，对于天体移动时间规律的研究，使天文学从神学转变成了自然科学。
日食、月食，最能体现时间是天文学的核心这一问题。日食、月食是我们最常见的天文现象之一，是三个天体排成一直线的结果，但是古人并不了解。尤其是日食，古人人为这是上天要降灾难于人间的事情 (天狗食日)。从准确的记录每一次日食、月食发生的时间，到准确的计算出下一次日食、月食发生的时间，一直是天文学要解决的核心问题之一。这也使得天文学从神学，转变成了自然科学。
对天体移动时间规律的准确计算使我们拥有了预知未来的能力。而对于天体移动时间规律的准确计算则推动了天文学、数学，物理学的发展，甚至是整个现代科学的大发展。
柏拉图(Plato，Πλατν， 公元前427年—公元前347年)，是古希腊伟大的哲学家，也是整个西方文化中最伟大的哲学家和思想家之一。柏拉图和老师苏格拉底，学生亚里士多德并称为希腊三贤。柏拉图的哲学思想企图使天文学成为数学的一个部门。他认为："天文学和几何学一样，可以靠提出问题和解决问题来研究，而不去管天上星界(神界)的事情。"理论虽然有些夸张，但却为天文学的发展指明了方向。天文学开始使用数学的语言来描述天文现象、解释天文现象，天文学开始脱离神学。
古希腊天文学继承了古埃及、古巴比伦的天文学，已经非常发达，已经与数学深度结合，用数学的语言描述和解释天文现象，形成了完整的天文学体系，对现代天文学也有着深远的影响。我们现在使用的黄道，黄道十二星座、黄道十二宫等天文学体系在古希腊都已经基本建立完成。古希腊天文学已经将行星和恒星区分对待，给星星、星座命名也已经基本完成。天文学的核心已经不再是给星星起名字，用数学的语言，描述和解释行星(夜空中最亮的几颗星星)移动的时间规律，变成了天文学的核心。
"地心说"，从亚里士多德到托勒密，这是西方天文学发展的第一阶段，天文学对于天体移动时间规律的研究 (周期性)，第一次推动了天文学、数学的发展。时间成为天文学的核心，使天文学从神学真正开始演变成一门自然科学。天文现象的重复出现是有其时间规律的，通过计算，我们可以预测其下一次出现的时间，我们有了预知未来的能力。天文学不在是神学(神的意志)，然而随着天文学的普及，时间(预知未来)的能力成了古代西方的占星学(术)，东方的算命、生辰八字等等(迷信活动)梦寐以求的玄幻能力。(天文学和神学并没有完全分离)。
此时的天文学，我们还停留在单独使用数学来描述天文现象的阶段。但是有很多天文现象的本质原因用数学是无法解释的。例如地球是一个球体，用数学是可以证明的，并且计算出了地球的周长。但是我们却无法解释地球背面的人为什么没有掉到太空里去的本质原因是什么？所以当时人们还是愿意相信地球是方的，是静止的，还是被海龟驮着飘在海上的。
"地心说"，以当时的科技水平来评价，"地球说"的建立还是非常成功的。然而"地心说"中地球是静止的，是宇宙的中心，则对后世天文学产生了负面的影响。而对于地球在自转的证明，则是两千多年后，由法国物理学家傅科(1819~1868)于1851年做了一次成功的摆动实验后才证明的，傅科摆由此而得名。而地球的自转，正是日后"地心说"和"日心说"争论的核心焦点之一。其实这是当时人们认知局限性造成的，是对时间、对地球自转认知缺失的结果。当时最准确的计时工具还是日规＋(沙漏或滴漏) 的组合，我们能准确计量的时间单位还停留在"天"这个时间单位。
历法，1年365天，4年闰1天。用最最简单的方法，描述了太阳移动的时间规律，描述了天空中最亮的天体，也是天文学中最重要的天体，解释了地球上一年四季变化的时间规律和太阳之间的关系。公历的建立，虽然没有揭示地球绕日公转的本质，却为解释这一天文学问题提供了正确的、简化的解题思路。
这是西方天文学发展的第一节阶段，而此后1000多年，西方天文学近似停止了。
在中国，天文学的发展与西方不同，西方天文学的建立是以黄道（地球公转轨道）为基础的；而东方天文学是以天赤道（地球自转平面）为基础建立的的，东西方天文学的基础不同。
在尧帝时代，古人已经认识到月亮周期和太阳周期是不一样的。节气开始出现在历法中。
汉代，《太初历》，二十四节气开始正式编入历法中。传统历法形成了以阴历为主，阳历为辅的形式。
虞喜(281～356年)，东晋天文学家，发现岁差。
祖冲之(429年－500年)，南北朝时期杰出的数学家、天文学家。祖冲之引入岁差，制定《大明历》。《大明历》采用的朔望月长度为29.5309日，这和利用现代天文手段测得的朔望月长度相差不到一秒钟。在《大明历》中，祖冲之提出了在391年插入144个闰月的新闰周期。根据新的闰周和朔望月长度，可以求出《大明历》的回归年长度是365.24281481日，与现代测得回归年长度仅差万分之六日左右，也就是说一年只差50多秒，这需要非常高的天文观测与计算。
对比东西方历法，虽然《大明历》计算经度更高，但是却更复杂了。历法以月相周期为基础，同时还要满足太阳运动周期(二十四节气)，用月相周期为基础+闰月来描述1年，这样对于1年的描述就有了长、短的区别。
从现代天文学角度看：《大明历》是利用地球自转周期"天"去描述月，再用月亮绕地的公转周期"月"，去描述地球绕日公转周期"年"；儒略历，直接用地球自转周期"天"去描述地球公转周期"年"。参考:【十四. 】
同样是对于地球绕日公转的描述与解题，《大明历》把简单的问题复杂化了，增加了解题的难度。
数学是天文学的基础，天文学更像是一道道的数学题。简化，是解题的必然方法。
宋朝，中国的天文学达到巅峰，1247年，宋朝石刻天文图（黄裳，现仍在苏州）是世界现存最古老的全天星图。石刻天文图是现代天文学球面经纬度的基础 (星图，地图)。赤道式日晷的明确记载也出现于南宋曾敏行《独醒杂志》，我们利用日晷等分的刻度将时间等分了。参考:【十三.】
西方(欧洲)天文学以黄道为基础，但是并没有为我们解释地球围绕太阳公转的本质；东方(中国)天文学以天赤道为基础，也没有为我们解释地球自转的本质。地球的自转和围绕太阳的公转是一个相对复杂的组合运动。而随着东西方文化的交流，黄道和天赤道逐渐构成了现代天文学的基础。

{\bold{\color{blue}{\small 4. }}} 哥白尼（1473年～1543年) 波兰天文学家、数学家。太阳是宇宙的中心，地球和其他行星一样绕太阳公转，哥白尼以其大胆的洞察力，提出了"太阳系"这一引领时代的全新理论，从而带来了一场全新的科技革命。1543年《天体运行论》出版，"日心说"开始形成。
历法2：16世纪的意大利天文学家准确地计算出一回归年是365.2422天，每400年只有97个闰年，整百的年份不是闰年，400整数倍的年份还是闰年。1582年，罗马教皇再次修正了儒略历置闰法则，经过修正的儒略历被称为格里历，也就是我们现在使用公历的最终版本。以"天"为单位，我们准确的计算了回归年。参考:【十四. 】
此时，我们对时间"年、月、日"有了比较完整的认识。天文学修正一个时间上的错误用了1600年。但是我们对于时间的全面认知 (时、分、秒) 还要等到1884年。参考:【十五. (真)太阳时、恒星时】。
{\bold{\color{blue}{\small 5. }}} 第谷（1546年～1601年)，丹麦天文学家，是天文史上的一位奇人。他对于星象的观测，其精确严密在当时达到了前所未有的程度。其编纂的星表的数据甚至已经接近了肉眼分辨率的极限，这让人瞠目结舌。1600年第谷与开普勒相遇，并邀请他作为自己的助手。次年第谷逝世，第谷将20多年观察、收集的天文资料都交予了开普勒，开普勒接替了他的工作。由于第谷记录天文资料非常精确，为开普勒后来的发现提供了强大的数据基础。
{\bold{\color{blue}{\small 6. }}} 开普勒（1571年～1630年)德国天文学家、数学家，开普勒根据第谷的天文资料，利用精确的数学计算，发现了行星运动的三大定律（主要是利用了火星移动的时间规律）。核心内容之一是行星绕日运动，轨道是一个椭圆，而太阳在椭圆的一个焦点上。开普勒用数学语言详细解释了行星绕日轨道的时间规律。但是开普勒并没有为我们揭示其本质原因，为什么行星绕日公转，为什么是太阳在一个焦点上。开普勒从物理学基础上解释太阳系结构的动力学原因。虽然他提出有关太阳发出的磁力驱使行星作轨道运动的观点是错误的。但它对后人寻找出太阳系结构的奥秘具有重大的启发意义，为经典力学的建立、牛顿的万有引力定律的发现，都作出重要的提示。
开普勒将火星逆行轨道，修正成了椭圆轨道。详见本文结尾。
{\bold{\color{blue}{\small 7. }}} 伽利略（1564年～1642年)意大利天文学家、物理学家。伽利略对于运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。伽利略被称为“现代物理学之父”。1609年，伽利略在知道荷兰人已有了望远镜后，伽利略创制了天文望远镜（后被称为伽利略望远镜），并用来观测天体，发现许多前所未知的天文现象。伽利略第一个用望远镜观察到土星光环、太阳黑子、月球山岭、金星和水星的盈亏现象、木星的卫星和金星的周相等现象，并从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，反驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。
{\bold{\color{blue}{\small 8. }}} 牛顿（1643年～1727年)英国著名物理学家、数学家。1687年《自然定律》发表，既《自然哲学的数学原理》。书中准确描述了引力的发现，以及万有引力定律和牛顿三大运动定律。牛顿利用他的第二定律和万有引力定律，在数学上又严格地证明开普勒定律（微积分开始应用），证明行星运动定律与万有引力理论之间的一致性。太阳在椭圆轨道的一个焦点上，行星围绕太阳公转是万有引力的结果，是太阳巨大质量的引力结果。为太阳中心说提供了强有力的理论支持，并推动了现代科学革命。牛顿展示了地面物体 (苹果落到地面上) 与天体运动 (行星绕日) 都遵循着相同的自然定律--万有引力定律。展现了天文学、数学、物理学之间的原本关系。牛顿经典力学的奠定是此后300多年物理学的基本观点，并成为了现代工程学的基础。
时间，天文学的核心。天文学对于天体移动时间规律的高精度测量与计算，第二次推动了天文学、数学、物理学的发展。此时我们进入天文学发展的第二阶段，万有引力的发现，为我们很好的解释了地球背面的人为什么没有掉到太阳空里去的本质原因，是因为引力。而太阳、月亮、地球都是个球体的原因也是因为引力作用的结果等等。使人们认识到天上的星星，和地面上的苹果遵从着相同的自然定律。天文学不再是一门独立的科学，(古人认为天上的规律和地面上的规律是不一样的。天、地有各自的规律)，我们不再单独使用数学来描述天文现象，我们开始使用数学、物理学一起来描述和解释所有的天文现象。随后光学、电磁学、核物理学等等物理学分支开始与天文学深度结合，逐渐为我们揭开宇宙本质的秘密。
古希腊天文学的伟大之处在于，天文学和数学的深度结合，用数学的方法描述天文现象，而且一直延续至今。伽利略将数学引入物理学，数学开始被引入每一个科学领域。牛顿经典力学的伟大之处在于，将天文学、数学、物理学三者的深度结合，从本质上说明了天体移动和地面上物体移动，遵从着相同的自然规律，从而推动了整个现代科学的大发展。
天文学，是现代数学、物理学的核心内容之一。正确的描述和解释每一种天文现象，是现代数学、物理学，必须要解答的核心问题之一，这就是为什么天文学更像是一道道的数学题、物理题的原因。很多数学理论、物理学理论的建立就是为了解答天文现象而产生的，甚至很多数学理论、物理学理论正确与否都是由天文论证来检验的，亦或是天文论证是必要条件之一。
地球自转的证明，从"地心说"到"日心说"两千年的发展过程是漫长的。从地球是静止的，到"日心说"地球在围绕太阳公转。天文学已经通过证明其他行星在围绕太阳公转，证明了地球也是围绕太阳公转的。然而关于"地球在自转"，依然还是"地心说"与"日心说"争论的核心交点之一。由于"地心说"在宗教思想中的的根深蒂固，当时的"日心说"被认为是邪说。支持日心说的人甚至受到了宗教迫害，伽利略临终前的遗言"地球是动的。"仍在为我们说明地球在自转。然而关于地球自转的证明，还要等200多年后1851年傅科摆实验才证明。
表面上看主要是宗教因素的影响，其实最主要是因为西方天文学的建立是以黄道(地球公转轨道)为基础的，此时的西方天文虽然认识到了天赤道的存在 ，但是依然忽视了天赤道在天文学中的重要性。虽然西方天文学已经准确的计算出了历法年，但是我们对时间的认知还不够深入。天文学的发展依然是以黄道为基础的。而地球的自转和围绕太阳的公转是一个相对复杂的组合运动，并不是单独的自转，或单独的公转。



1年365天，猎户座的东升西落365次

从现代天文学的观点，证明地球的自转是非常简单的。1年365天，猎户座东升西落365次，每一次都是和天赤道平行的，所有的星星、星座东升西落的移动轨迹，都是和天赤道平行，这是地球自转的结果，而且所有星星、星座东升西落的角速度也是一样的。反过来，因为地球在自转，所以所有星星、星座东升西落的移动轨迹和天赤道是平行的，所有星星、星座东升西落的角速度都是一样的。利用数学中的反证法、天赤道，证明地球自转是非常简单的。参考:【四. 】。但是当我们忽略天赤道时，天文学就和我们开了一个小小的玩笑，让我们等待了2000年 。而随着东西方文化的交流，黄道和天赤道构成了现代天文学的基础。
相对运动，"地心说"，"日心说"，从现代物理学的角度解释都是"正确"的。
"地心说"：以大地静止为参照物，描述天体移动的时间规律。
"日心说"：以太阳静止为参照物，描述天体移动的时间规律。
太阳东升西落，星星、星座东升西落是由于地球自转的相对运动而产生的视觉运动。
对于现代物理学，追求的是天体运动的本质，哪一个是真实的，哪一个是相对运动。
而对于现代数学，无论是"地心说"，还是"日心说"，无论是真实的运动，还是由相对运动引起的视觉运动，数学都可以准确的描述。
"地心说"的错误，不在于他描述天文现象的方法，以大地静止为参照物描述天体移动的时间规律，依然是现代天文学的标准常用方法；"地心说"的错误在于他的结论，没有搞清楚哪一个是真实的运动，哪一个是相对运动。
时间，地球的自转和围绕太阳的公转，虽然是一个相对复杂的组合运动，但并不是很复杂。时间，为我们很好的把两种运动分离开来，而我们对于时间的定义就已经把自转和公转分离开来了。参考:【四. 日晷，相对运动 】【五. 365天，时间的变化规律】。
修正"地球自转"这个错误，天文学用了两千多年，天文学是通过证明地球围绕太阳公转，再证明地球是动的不是静止的，再证明地球在自转。当我们回顾这段天文史时，只能唏嘘感慨了。这是我们忽视天赤道，忽视时间的结果，我们把天文学中最简单、最基础的天文现象隐藏起来时，天文学也和我们开了一个小小的玩笑，等待2000年。甚至影响了我们现代天文学的简化。
九大行星
太阳系九大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星，天王星、海王星、冥王星。仰望星空，金木水火土，五大行星，+地球，我们都是可以目视观测的。天王星，是我们使用望眼镜发现的，而海王星，冥王星的发现都是根据行星在轨道上移动时间规律计算出来的结果。
天王星，在被发现是行星之前，已经被观测了很多次，但天王星亮度较暗、绕行速度又非常缓慢，所以一直把它当作恒星看待。1781年3月13日，威廉·赫歇尔，英国天文学家，利用他自己设计的望远镜"对这颗恒星做了一系列视差的观察"。确定这是一颗行星。视星等5.38 至 6.03 等 。
海王星，1821年，法国天文学家亚历斯·布瓦尔出版了天王星的轨道表，随后的观测显示出与表中的位置有越来越大的偏差，使得布瓦尔假设有一个摄动体存在。在1846年，法国天文学家，奥本·勒维耶在得不到同行的支持下，以自己的热诚独立完成了海王星位置的推算。1846年9月23 日，德国天文学家伽勒根据勒维耶预言，只花了一个小时，就在离勒维耶预言的位置不到1度的地方，发现了一颗新的行星。后来这个新的行星被命名为海王星。视星等7.67 至 8.00 等。
冥王星，在1840年代，海王星被发现后，在对海王星的后期观测中，天文学家推测出天海王星的轨道受到了另一个行星的干扰，开始搜索第九大行星--行星X。1930年3月13日，第九大行星--冥王星被发现。视星等13.65至16.3。2008年，由于冥王星质量太小等因素(月球质量的1/6、月球体积的1/3)，被划为矮行星。从此太阳系又恢复成八大行星。
历法3：1884年，平太阳时(恒星时)正式开始替代太阳时。格林尼治平太阳时成为世界标准时间，确定0°经线是通过英国格林尼治天文台的经度线。时区--平太阳时开始正式使用。此时我们对地球的自转，地球绕日的公转有了清晰的认知。我们开始认识太阳日、恒星日。随着计时工具精度的提高，我们开始认识"时，分，秒"。
{\bold{\color{blue}{\small 9. }}}阿尔伯特爱因斯坦 (Albert Einstein；1879年3月14日—1955年4月18日)，当代最伟大的物理学家，1905年提出狭义相对论，1915年提出广义相对论。改变了我们对传统时空概念的认知。
在狭义相对论提出以前，人们认为时间和空间是各自独立的绝对的存在，空间是均匀的，时间也是匀速流动的。自伽利略时代以来这种绝对时空的观念就开始建立，牛顿创立的牛顿经典力学和经典运动学就是在绝对时空观的基础上创立。而爱因斯坦的相对论在牛顿经典力学、麦克斯韦经典电磁学等的基础上首次提出了“四维时空”的概念，它认为时间和空间各自都不是绝对的，而绝对的是一个它们的整体——时空。而且时间和空间都不是均匀的，会随着速度改变而改变。例如：当我们接近光速时，时间会变慢，达到光速，时间停止。广义相对论的提出，是等效原理的实验事实：引力质量与惯性质量是相等的。引力同样能扭曲时空，改变时间流逝的快慢。
广义相对论的提出则在某种意义下是“理论走在了实验前面”的一次实践。物理学的发展多数是我们对自然规律的总结，对物里实验的总结。而广义相对论走在了实验的前面。广义相对论的提出，在很大程度上是由于相对论理论自身发展的需要，而并非是出于有一些实验现象急待有理论去解释的现实需要，这在物理学的发展史上是并不多见的。因而在相对论提出之后的一段时间内其进展并不是很快，直到后来天文学上的一系列观测的出现，才使广义相对论有了比较大的发展。到了当代，在对于引力波的观测和对于一些高密度天体的研究中，广义相对论都成为了其理论基础之一。而另一方面，广义相对论的提出也为人们重新认识一些如宇宙学、时间旅行等古老的问题提供了新的工具和视角。
1919年，一战过后，爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1882年12月28日—1944年11月22日，英国天文学家、物理学家、数学家）率领一个观测队到西非普林西比岛观测1919年5月29日的日全食，拍摄日全食时太阳附近的星星位置，根据广义相对论理论，太阳的重力会使光线弯曲，太阳附近的星星视位置会变化。爱丁顿的观测证实了爱因斯坦的理论，立即被全世界的媒体报道。
水星进动、广义相对论：水星的轨道偏离正圆程度很大，近日点距太阳仅4600万千米，远日点却有7000万千米，在轨道的近日点它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行，称为水星进动。经过观察得到水星进动的速率为每百年1°33′20"，而天体力学家根据牛顿引力理论计算，水星进动的速率为每百年1°32′37"。两者之差为每百年43"，这在天文观测中是非常明显，并不是误差。我们需要给这个差异一个合理的解释。



水星进动

曾经成功地预言过海王星存在的天文学家勒维耶预言在太阳附近还有一颗未被发现的小行星。由于这颗小行星的作用，导致了水星“多余”进动。经过多年仔细的搜索，无人发现这颗小行星。勒维耶的神算这一次落空了。按经典引力论，引力是物质间超距作用，物体之间的作用仅仅与物体的质量、相隔距离有关。引力场方程不具有内禀性(即场的方程不决定运动方程)，这意味着引力论没有考虑时空对物体运动的影响。
1916年，现代物理学家，爱因斯坦《广义相对论》发表，从时空弯曲出发，建立了具有内禀性的相对引力论。只要考虑时空弯曲的效应，就能很容易地解释水星近日点进动为什么多出了每百年43" 。
银河系的中心：银河系的中心有一个被标志为人马座A*的强烈电波源。围绕着人马座A*运动的恒星的移动规律显示该处有个大质量的致密天体。科学家们经过20年的持续观测，对银河系中心的一些星体，尤其是对一颗名为S2星体的运行轨道，进行了长期的跟踪、研究。最终得出结论：S2附近确实存在一个巨型黑洞，质量大约是太阳的370万倍，是银河系的中心。S2的质量是太阳7倍，以每秒5000公里的高速，每15.2年绕银河系中心公转一周。之所以如此高速，是因为它周围存在黑洞，"害怕"被黑洞"吞噬"。由于黑洞不发射可见光，我们用天文望远镜看不见他的存在。这个发现的过程，和开普勒三大定律太阳在椭圆轨道的一个焦点上，是一样的，依然是对天体移动时间规律的计算。



银心附近恒星

时间，不仅是天文学的核心，还是物理学的核心：从描述时间到解释时间，是我们对时间认知的整个过程。时间是一个较为抽象的概念，是物质的运动、变化的持续性、顺序性的表现。时间概念包含时刻和时段两个概念。时间是人类用以描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数，描述时间，是靠不受外界影响的物质周期变化的规律。例如月球绕地球周期，地球绕太阳周期，地球自转周期，原子震荡周期等。
爱因斯坦在相对论中提出：不能把时间、空间、物质三者分开解释。时间与空间一起组成四维时空，构成宇宙的基本结构。时间与空间在测量上都不是绝对的，观察者在不同的相对速度或不同时空结构的测量点，所测量到时间的流逝是不同的。广义相对论预测质量产生的重力场将造成扭曲的时空结构，并且在大质量（例如：黑洞）附近的时钟之时间流逝比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流逝要慢。现有的仪器已经证实了这些相对论关于时间所做精确的预测，并且其成果已经应用于全球定位系统。另外，狭义相对论中有“时间膨胀”效应：在观察者看来，一个具有相对运动的时钟之时间流逝比自己参考系的（静止的）时钟之时间流逝慢。
对于时间的研究已经是天文学和物理学中的核心。
时间，天文学的核心。天文学对于天体移动时间规律的研究，三次推动了天文学、数学、物理学的发展。从古希腊时期，喜帕恰斯、托勒密，到文艺复兴时期，第谷、开普勒、牛顿，再到现代的爱因斯坦广义相对论，银河系的中心。天文学从神学，成为自然科学中最前沿，最尖端的科学，一直引领着数学、物理学以及整个现代科学的发展。
计时工具，虽然时间是天文学的核心，但是天文学对于时间的认知却非常缓慢，道路漫长，这里有天文学对于天赤道，地球自转认知缺失的原因，也和我们计时工具的发展有关。
公元前46年，儒略历开始确立，1年365天，4年闰1天。日规+沙漏是当时最准确的计时工具。
1582年，新的置闰法则建立。此时机械时钟，刚刚开始兴起。
1728～1759年，英国制造出高精度的标准航海钟，我们才掌握了利用时间，用天文学的方法测量地球经纬度。
1884年，确立0°经线是通过英国格林尼治天文台的经度线。我们开始使用"时区-平太阳时"(恒星时)，代替了真太阳时。此时的机械钟表还是人造的最准确的计时工具。
1928年，世界上第一台石英钟(电子)诞生。计时工具电子化开始。
1949年，原子钟诞生，1955年，铯原子钟诞生。
历法4：1967年，第13届国际度量衡大会对秒的定义是：铯-133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍的时间。物理学定义时间"秒"，等效于天文学定义的秒。我们开始利用物理学定义时间。
古希腊时期，日规是我们最准确的计时工具，我们计时的精度是1天。我们使用的是天体的几何学位置描述和定义时间。在哥白尼的时代机械时钟才刚刚出现，到伽利略、惠更斯利用摆的等时性原理发明了摆钟，将计时精度提高到秒。近100多年来，从太阳时到恒星时，从机械钟表到石英钟、原子钟的发明，使我们计时工具的计时精度提高到了1x10 秒甚至更高。爱因斯坦在理论上证明了时间的流逝有快有慢的，但是机械钟表的精度是无法直接测量的，随着我们计时工具精度的提高（原子钟的出现），我们已经可以直接测量时间流逝快慢的变化。
石英晶振的出现，我们的钟表从机械钟表进化成了石英(电子)钟表，我们的计时方式也从机械计时转变到了电子计时方式。新型计时方式的出现，甚至影响着整个现代科技的发展，现在我们使用的手机、电脑、网络、所有的现代化设备中，石英晶振都是不可或缺的计时工具。
走出地球，随着科学技术的发展，天文学不再是站在地面上仰望星空。我们已经可以走出地球进入太空。人造卫星、载人航天、航天飞机、空间站、月球探测、火星探索、深空探测。每一个人造天体核心都是他的轨道（天体位置移动的时间规律），轨道的正确计算才能保证人造天体在正确的时间出现在正确的位置上。月球探测、火星探索，正确的轨道计算才能保证飞行器飞到月亮和火星，而不是飞到其他地方。全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统。美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略系统和中国的北斗卫星导航系统(CNSS)并称全球四大卫星导航系统 。无论哪一种导航系统，其核心都是时间，是通过对时间的精确计算，用以确定我们的经纬度位置。

人为的错误，其实地球的自转，日心地动说在古希腊就已经有人提出了，并不是哥白尼第一个提出来的 (太阳系是哥白尼的伟大之处)。
埃克潘达斯(Ecphantus)观察昼夜长短随纬度不同而变化，进而提出地球自转。
阿利斯塔克（Aristarchus 公元前315年~230年）古希腊天文学家，最早提出日心地动说，他认为“恒星与太阳都是不动的，地球沿一个圆周的周边绕太阳运动，太阳则在轨道的中心"。但是有几个问题他无法解释，首先是和人们看到的太阳东升西落的常识相矛盾；其次如果地球运动，应该看到恒星的相对位置发生变化 (视差)，但是当时的天文观测精度 (目视) 还不能发现这个变化。于是就出现了两条重大反对理由-甚至是以后的哥白尼也未能驳倒的两条反对理由。第一条，是观测不到恒星的周年视差。这确实是事实，但要驳倒这条反对理由，只有将恒星周年视差观测出来，而这要到十九世纪才由贝塞尔办到。第二条反对理由用来反对地球自转，认为如果地球自转，则垂直上抛物体的落地点应该偏西，而事实上并不是如此。这也要等到十七世纪伽利略阐明相对性原理以及有了速度的向量合成之后才被驳倒。
阿基米德（公元前287年～前212年)，伟大的古希腊哲学家、百科式科学家、数学家、物理学家、力学家，静态力学和流体静力学的奠基人，并且享有"力学之父"的美称，阿基米德和高斯、牛顿并列为世界三大数学家。阿基米德曾说过："给我一个支点，我就能撬起整个地球"。阿利斯塔克的日心说经阿基米德的介绍，在当时曾有一定的影响力，但遭到了宗教势力的反对。日心说思想并没有为当时的人们所接受。
地球的自转，天文学中最简单的问题，用相对运动就可以解释的天文现象，但是由于人为的原因，天文学纠正这个错误用了2000多年。相传哥白尼为了日心说、地球自转被烧死（其实被烧死的是哥白尼的学生布鲁诺，哥白尼是因病而死），伽利略也是日心说、地球自转的坚定支持者，也受到宗教迫害，临终的遗言还是"地球是在动的"。人为因素(宗教等)的原因，一个天文学中最简单的问题，我们纠正了2000多年。但在天文学中，同样最简单的错误还有好几个，当我们现在回看天文学的发展史，天文学总是在最简的问题上犯错，而且都是几百年，其实都是我们对地球自转，对天赤道，对时间认知的缺失造成的。这些错误影响了天文学的简化，把天文学中最简单的部分都隐藏在了错误后面。
《时间的天文学》修正一个天文学的错误，为我们还原天文学和时间之间最简单、最本来的样子。描述天文学中最重要的天文现象地球的自转和围绕太阳的公转。

十六. 追踪一颗恒星　　|　　目录　　|　　

天文学，用数学描述每一种天文现象，用物理学解释每一种天文现象，是每一个普通人，每一个中、小学生都可以系统学习的自然科学。时间，天文学的核心，也是开启天文学的钥匙。学习天文学建议使用Pad、PC等大屏浏览器浏览。www.time-dot.com一个关于时间的网站。

火星冲日，逆行
当太阳、地球、火星排成一条直线时，这个天文现象称为火星冲日。在这个天文现象前后的一段时期间，我们会看见火星逆行的天文现象。



火星逆行

这是半年时间，每隔5天拍摄一张火星位置照片后，再合成的火星位置变化照片。我们可以看到火星在前行，然后又后退画了个圆，再前行的过程，这就是火星逆行。星空就像是一个静止的背景坐标系，只有火星在移动。其实火星和星空每天都在东升西落。



火星逆行的原理

注意：火星冲日是太阳、地球、火星拍成一条直线的那一天。在那一天，正南方扫过太阳是中午12:00点，而正南方扫过火星的时间是午夜0:00点（真太阳时）。而其他时间，每一天正南方扫过火星的时间都是不一样的。
火星大冲，由于地球轨道，火星轨道都是椭圆的，每一次火星冲日的距离都是不一样的。如果火星冲日时正好是在火星的近日点附近，那么此时地球和火星的距离最近。此时我们看见的火星最亮-2.9等，称为火星大冲。火星冲日间隔约780天，而火星大冲一般间隔15~17年。
现在我们知道火星逆行是因为地球围绕太阳的公转周期和火星不一样造成的。地球绕日周期是365.2422天。火星绕日周期是686.971天。由于地球快火星慢(角速度)，所以我们看见火星在星空中的位置是忽前忽后。


喜帕恰斯、托勒密用本轮、均轮体系解释行星运动，这是当时科技水平决定的。虽然没有为我们解释行星逆行的本质，但是他为我们用数学解决天文问题提供了可行的方法。现在我们使用的高精度行星轨迹计算方法VSOP87，依然有均轮本轮的影子。



木星、土星逆行

这是木星、土星同时逆行的合成照片，地球、木星、火星基本在同一条直线上，所以我们能同时看见两颗行星的逆行。此时星空中木星和土星的位置非常近，这就是所谓的三星连珠。通过木星、土星的移动轨迹，我们在星空中已经可以简单的勾勒出黄道了。



地心说

从亚里士多德、到喜帕恰斯、托勒密，天文学对于天体移动时间规律的研究，使天文学脱离神学，成为一门自然科学。本轮、均轮的建立就是为了准确计算行星在轨道上移动的时间规律。天文学第一次引领着数学的发展。从哥白尼、第谷，到开普勒、牛顿，天文学对于天体移动时间规律的高精度计算，推动了天文学、数学、物理学的大发展。从海王星、冥王星的发现，到爱因斯坦相对论，水星进动，天文学对于天体移动时间规律的研究，再次推动了天文学、数学、物理学的大发展。而计时工具从日晷，到机械钟表、再到石英(电子)钟表的出现，计时方式的改变彻底的改变了我们的生活。
但是天文学却把最简单的天文现象遗忘了(隐藏了起来)：天赤道。



猎户座的东升西落

猎户座，星空中最容易辨认的星座。1年365天，猎户座东升西落365次，每一次东升西落的移动轨迹都是和天赤道平行的，其实每时每刻猎户座与天赤道之间位置关系不变，这是地球自转的结果。所有的星星、星座东升西落的移动轨迹都是和天赤道平行的，这些都是地球自转的结果。



猎户座，行星之间的位置关系

地球的自转和围绕太阳的公转，是一个相对复杂的组合运动。我们描述了最复杂的天文现象，却忽略了最简单的天文现象。

望远镜，行星天文学、恒星天文学
1609年，伽利略在知道荷兰人已有了望远镜后，伽利略创制了天文望远镜（后被称为伽利略望远镜），并用来观测天体。
1670年到1672年，牛顿负责讲授光学。在此期间，他研究了光的折射，表明棱镜可以将白光发散为彩色光谱，而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。他还通过分离出单色的光束，并将其照射到不同的物体上的实验，发现了色光不会改变自身的性质。牛顿还注意到，无论是反射、散射或发射，色光都会保持同样的颜色。因此，我们观察到的颜色是物体与特定有色光相合的结果，而不是物体产生颜色的结果。
在从这项工作中，牛顿得出了如下结论：任何折光式望远镜都会受到光散射成不同颜色的影响，并因此发明了反射式望远镜（现称作牛顿望远镜）来回避这个问题。他自己打磨镜片，使用牛顿环来检验镜片的光学品质，制造出了优于折光式望远镜的仪器，而这都主要归功于其大直径的镜片。1671年，他在皇家学会上展示了自己的反射式望远镜。
望远镜的发明，改变了天文学研究的方向。从托勒密《天文学大成》到开普勒《行星三大运动定律》，天文学的核心是对行星移动时间规律的记录与计算，而恒星是静止的，天体 (行星) 移动的时间规律是天文学研究的唯一核心。这是因为当时我们只能目视观测，仰望星空，所有的星星都是一个亮点，只有行星在移动。然而随着物理学的发展，望远镜的发明、发展，我们将望远镜指向星空，天体移动的时间规律不再是天文学唯一的核心，我们可以看见的东西更多了，我们也开始用物理学来解释每一种天文现象了。
太阳，是位于太阳系中心的恒星，它几乎是热等离子体与磁场交织着的一个理想球体。太阳直径大约是1.392×10千米，相当于地球直径的109倍；体积大约是地球的130万倍；其质量大约是2×10千克（地球的330000倍）。从化学组成来看，现在太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%，采用核聚变的方式向太空释放光和热。
月亮，是地球的天然卫星，月球是太阳系中体积第五大的卫星，其平均半径约为1737.10千米，相当于地球半径的0.273倍；质量则接近7.342×10千克，相当于地球的0.0123倍。月球的表面布满了可能由小天体撞击形成的撞击坑。月球与地球的平均距离约38.44万千米，大约是地球直径的30倍。月亮的发光是反射太阳光。
行星，太阳系的8大行星，由近到远依次是，水星、金星、地球、火星、木星、土星，天王星、海王星、冥王星。而天王星、海王星、冥王星三颗行星是望远镜发明以后观察到的行星。1930年冥王星被发现，是太阳系第九大行星。但是由于体积、质量比较小，2006年冥王星被定义为矮新星，太阳系现在是八大行星。
恒星，古希腊天文学家，喜帕恰斯，编制出1022颗恒星位置一览表。第谷和开普勒绘制的《鲁道夫天文表》记录了1000颗恒星的精确位置。我们根据星星的亮度分成等级(星等)，记录星星的位置。由于是用目视观察，我们认为所有的星星距离我们一样远近。
随着天文望远镜的发展，天文学观测仪器性能的提高，照相技术的发明，以及航空航天技术的发展，我们已经可以精确测量恒星与我们之间的距离。而绝大部分肉眼可见恒星距离我们都在几千光年以内。最近的比邻星4.22光年。猎户座，参宿一817.43光年，参宿二1976.71光年，参宿三916.17光年。这些都是距离我们较近的恒星，都只是银河系中很小的一部分。

<b>银河系，