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朔望

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朔望

小悠:“大姑,大事不好了,出錯了!我剛看到資料說,月球繞地球公轉周期是27.30天,但為什麽我之前查陰歷的資料時,卻看到說是29.53天。到底哪個數字是正確的呀?您快幫我看一看呀!”

大姑:“27.32天是月球公轉周期,而29.53天是朔望月周期。”

小悠:“這不是一樣的嗎?”

大姑:“不一樣,你仔細看看,有區別。”

小悠:“有區別嗎?不覺得呀!‘朔望月’不就是根據月亮圓缺來確定周期的嗎?

‘朔’不就是指每個月中,晚上天上看不到月亮的那一天嗎?而‘望’不就是每個月的月圓之夜嗎?

‘朔望月’不就是指從看不到月亮的這天(一個朔日)到下一個看不到月亮的那天(下一個朔日),或者從一個月圓之夜(一個望日)到下一個月圓之夜(下一個望日)的時間間隔嗎?

月亮的圓缺不就是因為月亮繞地球公轉產生的嗎?從一個圓月到下一個圓月,不就應該正好是一個月嗎?

古人就是根據這一原理,通過觀察月亮的圓缺,來推算一個月有多少天。聽說有史料表明,早在公元前5世紀,古希臘的天文學家就推算出了月球繞地球公轉的周期大約是29.5天。

咱們中國這邊是什麽時候算出來的呢?——目前網上還沒有人寫文提到具體時間,但說到了農歷也稱為‘夏歷’,說是夏朝那時候就有的歷法。農歷是陰陽合歷,歷法中已經考慮了月亮的公轉周期,說明制定歷法的時候就已經具備推算月亮公轉周期的能力了。而夏朝起止時間是約公元前2070年—約公元前1600年,距今三四千年了。

為什麽到了現在,反而說月亮繞地球一周的時間是27.32天呢?這與數千年來的觀察結果不符呀?科學不是應該來源於實測嗎?這種與觀察不相符的結論不科學呀!大姑,您說是吧?”

大姑:“嗯?你剛才翻資料的時候,沒看到祖沖之嗎?”

小悠:“祖沖之?看到了,但他的資料不用看,他是上了教科書的人物,誰不知道他算了圓周率呀!還用看嗎?”

大姑:“你還是看一下吧,他跟月亮也有關系。”

小悠:“有關系?有啥關系?‘祖沖之(429年-500年),南北朝時期數學家、天文學家、科學家。’

原來他不僅是數學家,還是天文學家,大姑,跟您一樣哦,他也是數學和天文雙修。”

大姑:“天文學中需要用到大量的數學知識,所以古代的天文學家,一般都也會有數學家的頭銜。”

小悠:“我以前還真沒註意到,剛才我隨手一翻,發現還真是這樣!好像古今中外都是如此。

數學用於天文,怎麽用?難道是晚上睡不著覺,數天上的星星來催眠嗎?祖老先生把數學用來算了天上的什麽呢?

他算了太陽,推算出一個回歸年的長度約為365.2428141日,現在的測算值為約365.24219 天,兩者僅相差約50秒。

他還算了月亮,準確計算了交點月值(月亮相繼兩次通過黃道、白道的同一交點的時間)為27.21223日,而現今的觀察值為27.32166日,相差是多少呢?這個後面的小數點看不習慣,我還是先把它們換算成小時、分、秒吧!

先換算現在的觀察值:

27.32166天=27天+0.32166天。

0.32166天×24小時/天=7.71984小時=7小時+0.71984小時

0.71984小時×60分鐘/小時=43.1904分鐘=43分鐘+0.1904分鐘

0.1904分鐘×60秒/分鐘=11.424秒

也就是說,現在的觀測值是約為27天7小時43分11秒。

再來換算27.21223:

27.21223天=27天+0.21223天

0.21223天×24小時/天=5.09352小時=5小時+0.9352小時

0.09352小時×60分鐘/小時=5.6122分鐘=5分鐘+0.6122分鐘

0.6122分鐘×60秒/分鐘=36.672秒

經過換算,27.21223日約為27天5小時5分36秒,與現在測算的27天7小時43分11秒相差不到兩小時。

他還算了木、水、火、金、土等五大行星在天空運行的軌道和運行一周所需的時間,給出了更精確的五星會合周期。

他還算了……太多了,我看不過來了,一大堆數字,絕大多數的數字背後都帶了小數點,而且小數點後最少有三位,一看就很精確,我可算不了。總之,日月星辰都盡在掌算之中。

祖老先生出生在公元429年,大姑,你的朋友,也就是把你忽悠過來的那個小兔子也是生活在那個年代。

公元429年,也就是距現在1500多年快1600年前的時候,那個時候他就算出來了,他是怎麽算出來的呀?”

大姑:“如果你感興趣,我們可以一起來學習。”

小悠:“學習什麽?”

大姑:“學習怎麽計算呀?你不是好奇祖沖之是怎麽算出來的嗎?”

小悠:“不了,我不好奇了!我就是感嘆一下,真的,我真的不好奇。讓我看這些資料我都受不了啦,還讓我學著算,這是要我的命呀!”

大姑:“呵呵!其實真的學進去了,你就會發現其實也沒那麽難。”

小悠:“那是你,我天資愚鈍,絕對難!”

大姑:“小悠……”

小悠:“哎呀!大姑,我們跑題了,咱們趕緊回到主題吧!繼續說月亮,說說月亮繞地球轉一圈,到底是27天還是29天。”

大姑:“好吧!不勸你了!咱們繼續說月亮。”

小悠:“大姑,我現在看到祖沖之他老人家對於月亮的測算結果之後,又多了一個疑問,那就是既然1500多年前就已經算出了月亮環繞地球是27天而非29天,那為什麽我們的農歷沒有改過來呢,一直到現在我們的農歷還是一個月29天或30天呢?”

大姑:“路要一步一步走,飯要一口一口吃,問題也要一個一個來解決,你覺得,我們先從哪個問題開始好呢?”

小悠:“按順序來吧!先發現的問題先解決。

第一個問題是:我們肉眼觀察月亮圓缺得到一個月是29天,而實際月亮繞地球是27天,中間相差的兩天哪裏來的?

大姑,我查到的資料上面好多計算公式,裏面有很多我看不懂的計算符號,還是得你來看。”

大姑:“抱歉,這些公式現在的我也看不懂。”

小悠:“我又忘了,你現在才三歲,怎麽辦呢?”

大姑:“看有沒有相關的圖片,如果能找到科普視頻那就更好了。”

小悠:“對喲,我找找看,還真有……哦!原來是這樣啊!原來都是月亮不發光鬧的。

月球本身不發光,地球上看到的月光是來自太陽反射的光。

資料上說,雖然我們大多數時候只能在晚上看到月亮,給我們一種白天月亮不在天上的錯覺。其實白天的時候,月亮也在天上,並不會因為太陽出現而消失,只是因為太陽光太強烈了,導致我們看不見而已——‘你見或不見我,我就在那裏不悲不喜’。”

大姑:“看來,你已經理解了,我們接著往下看。”

小悠:“不,我沒有理解,我只是在背誦別人說過的話。我也想理解,我試著通過在腦袋裏模擬‘時間三轉’來理解這些概念,可是月亮繞著地球、地球繞著太陽轉、然後地球還要轉,我是轉了這個忘了那個,現在腦袋都被轉暈了。”

大姑:“我終於明白你在糾結什麽了,原來你是什麽都知道一點,但都是一知半解,然後把這些知識放在一起一鍋亂燉,把自己給繞暈了。

這個問題也好解決,一個常用的辦法是縮小時間範圍,在一個較小的時間範圍內,一部分運動著的物體可以看成是靜止的,這樣就更容易理解了,你試試看!”

小悠:“較小的時間範圍?怎麽選才合適呢?”

大姑:“建議你選一晝夜時間。因為你的疑問是月亮白天是不是在天上,所以取一天24小時來看比較合適。”

小悠:“好的。24小時,先在紙上畫個圓,作為地球繞太陽轉一圈的軌道,地球跑這一圈是365天,一天前進的弧長就是這個圓的365分之一。

而圓是360度,也就是大概1度角對應的弧形,拿角度尺比劃一下,就是地球從這走到了這,移動的距離好小,可以忽略不計,所以可以當地球沒繞太陽轉,呆在原地沒動。

而月亮繞地球轉一圈是27天,繞地球畫一個圓,月亮一晝夜在這個圓上往前走了27分之1,也就是:

360度÷27=約13度。

這個弧形的長度也好小,也對,我們肉眼看月亮時,今晚的月亮與昨晚的月亮相比,並不會有太大的變化,要過好幾天才能發現明顯的變化,所以可以視為月亮的位置也沒變。這樣的話,三轉就只剩下一轉了,只有地球在自己轉圈,現在腦袋終於不那麽暈了。

但這樣新的問題就來了,月亮有沒有可能晚上的時候在地球的後背呢?所以我們看不到。”

大姑:“這就要覆習一下什麽是晚上了?”

小悠:“晚上,不就是看不到太陽的時候,也就是地球背對著太陽的時候。哦!月亮的位置不變,如果月亮跟地球、太陽不在一條線上,而是在地球和太陽連線的左邊或右邊,白天的時候,月亮其實仍在可以被觀測到的位置,並不是在地球背後,所以月亮其實是白天也在天上,只是我們看不到。

當然,我之前說的也不算錯,因為地球會轉圈,所以總會在某一天某一時,月亮是在地球的背後的,而這個某時,也有可能正好在某天的白天。但這只是偶然的,白天看不到月亮的主要原因還是太陽太耀眼了,把月亮的存在感給耀沒了。

當然,地球是一個球形,無所謂前後。所以在說到前後時,實際上是在地球上取了一個點,假設觀察月亮的人站在這裏,以他的眼之所見來定‘前’與‘後’——我就是以我之所在作為觀測點的。”

大姑:“這裏有一個需要註意的地方,月球繞地球的軌道,與地球繞太陽的軌道,不在一個平面上,也就是你之前分別以地球和太陽為圓心畫的兩個圓,不能畫在一張紙上,而應該畫在兩張紙上,然後兩張紙互相交叉而過。兩張紙間有一個夾角,這個夾角約為5度。”

小悠:“好不容易讓三個球轉來轉去的系統消停些,只剩下地球在原地自己轉圈了,現在又多了個平面,還有夾角,我頭又開始暈了。大姑,這個夾角反正不大,而且我們又不進行精確計算,就當它們在一個平面上,好不好嘛,大姑!”

大姑:“呵呵!我想先問你一個問題,當太陽、月亮、地球三者處於一條直線上時,會出現什麽天文現象呢?”

小悠:“這個我知道,月亮在地球和太陽中間時,可能看到日食;如果地球在太陽和月亮中間時,則可能看到月食。”

大姑:“那圓月出現的時候,三者之間是怎樣的位置關系呢?”

小悠:“資料上說,圓月的時候,三者近乎在一條直線上,而且是地球在中間——不對呀,這不應該是月食嗎?大姑,我腦子又開始暈了!”

大姑:“月亮繞地球轉的軌道,與地球繞太陽轉的軌道,兩者並不在一個平面上,還記得嗎?”

小悠:“哦!這樣的話,雖然在我畫的紙上,三者是一條直線,但實際上卻不是。因為地球和太陽在同一張紙上,而月亮因為之前說的夾角的存在,所以月亮可能不在紙上,也就是在三維空間上,這個直線並不是完美的直線,而是歪了一點。換句話說,就是這條直線會在地球往紙的外面折了尾巴。這樣地球就擋不住太陽照向月亮的光了,於是在太陽的照耀下,背對著太陽的地球(夜晚)上的人,看到的就是一輪圓圓的月亮。只有當月球正好運行到紙面的位置,即在三維空間上他們也是一條直線,跟糖葫蘆似的一串,才會出現日食或月食的現象。但月亮不乖,經常跑到竹簽的外面去,所以日食和月食的現象就不會每個月都出現了。”

大姑:“因為日食或月食的情況比較特殊,為了便於理解,接下來我們談論日月地這三顆星球在不在一條直線上時,忽略日食或月食這種特殊情況,就當三者在一條直線上,且地球在中間時,是圓月,好嗎?”

小悠:“那當然好了,我最喜歡簡化了。”

大姑:“在這種情況下,如果三者不在一條直線上,月亮是什麽樣子呢?”

小悠:“因為月亮自己不發光,依靠反射太陽光,所以只有朝向太陽的那一面是亮的,背向太陽的半個球都是暗的——‘面朝陽光,陰影自然就被你拋到背後了’。

月亮不被太陽照到那部分,因為沒有光,所以我們地球上的人看不到,所以在我們看來就是月亮缺了。因此,當三者不在一條直線上時,於是會覺得月亮不圓。”

大姑:“所以,我們要再次看到圓月,僅僅是月亮繞地球跑一圈是不夠的,還要三者恰好在一條線上,要同時滿足這兩個條件,是嗎?”

小悠:“是的!月亮跑一圈,不就回到圓圈的起點了,三者不就還在一條直線上嗎?”

大姑:“月亮是回到它所在軌道的起點了,但地球卻在繞太陽的軌道圓圈上往前走了一段路了,註意,這時候可是走了27天,不是1天,這可是一段不少的距離,這個時候,三者還在一條直線上嗎?”

小悠:“等於把地球和月亮之間的這條直線,沿著地球公轉的軌道的弧度平行移動365分之27,那就是:

360度×(27天÷365天)=26度

拿角度尺量一下,再在新位置把太陽和地球連成一條線,這根線歪了。所以這時地球上看到的月亮應該就沒那麽圓了!

我懂了,這個時候,如果地球上要看到圓月,就需要這條線‘直’一點,而這個調整的時間,就是27天和29天之間的差值,也就是一到兩天的時間。”

大姑:“之前你說的那些覆雜的計算公式,就是通過地球自轉、公轉以及月亮公轉的速度等的計算,來算出這個差值,現在原理已經懂了,公式是不是看起來就簡單多了?你可以試著算一下了。”

小悠:“公式?計算?哎呀!大姑!我想起來了,我們還有一個問題沒解決呀!就是1500多年前,祖沖之老先生已經算出了27天的數值,為什麽農歷還是用的29天呢?”

大姑:“資料上怎麽說呢?”

小悠:“我把問題進行了搜索,沒找到這方面的資料。”

大姑:“那我們只能自己來試著解釋了,小悠,你怎麽看呢?”

小悠:“我怎麽看?我當然用眼睛看了!呵呵!大姑!開個玩笑!我不知道,我完全沒頭緒,想不出來呀!”

大姑:“我覺得,可能是因為雖然算出來了,但因為計算過於覆雜而且抽象,大多數人無法理解。而歷法是給所有人用的,尤其農歷的作用是指導農時,如果老百姓理解不了,那這個歷法就沒辦法用。所以計算歸計算,但歷法還是得選大家容易接受理解的方法來編制。”

小悠:“是了!指著天上的月亮讓我看圓缺,這個我能看,但你讓我去算什麽天體運行的速度、角度,饒了我吧!

我這個接受了九年義務教育洗禮,從題山題海中爬過來的人,在借助了當代多媒體技術才勉強理解,但讓我去算,我還是算不了,有計算器都不知道怎麽算,古代的人就更難了。也就難怪我們的農歷還是將一個月視為29天或30天了。”

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