黄道

参考系

首先，理解天文上任何现象都存在视角（参照系）问题，很多科普文往往也没没时时刻刻注意到有的参考系是直观的，有的却是抽象的，从而只是把“正确的知识”直接讲给你听，而这个抽象，有时候需要用数学模型来理解，有时候就要展开自己想象的翅膀了，这个时候每个人能听懂多少，完全因人而异了。

就像月相里提到的恒星月和朔望月，前者就是个理论模型，它代表月亮在恒星背景下移动到了同一个位置，或者是在数学上，以地球为参考系的话，它刚好转了360度，事实上月球绕地球刚好转360度的时候，人类是根本不知道的（不直观）。

因为地球绕太阳公转，而人类能看到月亮，取决于月亮从什么角度反射太阳光，所以当月球转了360度回到原来的位置的时候，太阳光线照在地球的角度却已经改变了30度，人眼看到的月亮和它当时在同一位置时的形状是不一样的，因此靠眼睛观测的古人，是绝想不到这两个形状不同的月亮，其实是不多不少已经转了一圈了。

而当月亮形状一致的时候，月亮绕地球可不止转了一圈，但是，古人对天文的观察，是靠眼睛的，必然认为这个时候月亮刚好转了一圈（也叫过了一个月）

所以，你看到的东西才是你能认知的，其它一切都是抽象后的知识，如果是科普，最好从眼前的现象出发来解释，而不是直接给你抽象过后的结论，那是学样科班教育，而学校教育，基本上就是一个筛选机制，筛选能自己把正确知识消化的人。

同样，黄道，现在会直接教你，地球绕太阳转形成的轨道平面（投影到天球上的轨迹）。但这简单的一句，涉及了非常复杂的观测系的转化，很少有人能直觉进行这个映射。

事实上，这些东西在日心说之前就存在了，而古人根本就不认为地球是个球，也不认为地球在转，更没想到地球还在宇宙里发疯地跑，却已经有了黄道这个概念，显然他们根本不是用日心视角来发现的黄道，你用日心视角去“教学”，显然不是“直观”的，或者说是人类发现黄道的真实过程。

古人的宇宙观

• 人类观察星空，必然不自觉以地球为参考系，这样必然得到一个天球模型，地球在天球最中心，背景是星空，以及太阳和月亮
• 太阳每天东升西落？ 最直观就是这样的
  • 但聪明的古人通过观察晨昏时的星星，发现太阳在运动的时候，它后面的星星也一起移动了
  • 说明是天球（天穹）在动————完美解释
  • 所以不是太阳东升西落，而是天球（带着嵌在里面的星辰）在绕着地球转！
• 到此对宇宙的认知就结束了🎉
• 但是人类中还有一些人会把很多年的观测数据记录（画）下来，发现了一个现象：太阳背后的星星并不是固定的！(从需要累计观测数据起，就脱离普通人的范畴了，也脱离“直观“的领域了)
  • 结合长期绘制的星图，古人把星空的星星连成一个个的星座，因此发现不同的时期，太阳背后的星座在变换，而且几乎是一个月换一个星座，一年后又回到同一个星座。
• 因此他们得出一个结论：太阳不是嵌在天球里跟星星一起运动的，于是为了解释这个现象（当然还有更多的一个天球解释不了的现象，比如行星逆行等），就有了各种天才的假说，比如托勒密的一层套一层的体系模型

别的先不说，到这里至少黄道概念已经出来了，因为既然有了星图，又有了太阳在星图中的位置变化，这个轨迹，迟早会有人来命名的，我们中国人叫它黄道，西方人叫它Ecliptic（因为太阳在黄道上的运动轨迹，就是日食和月食的成因）。

对任何初接触天文的人来说，你必须告诉他太阳是跟着星星一起绕地球转的。因为这个现象它不直观，很可能他认为太阳从东边升起，到西边落下，这不一天就经过了好多星座么？（比如我。。。）只要这么想，那么就不可能理解黄道。

有太阳的时候是看不到星星的，所以古人如果会照相，或画图，而不对比星图，每天同一时间在同一地点，把太阳位置画出来，就会是这个样子： © Vito Technology, Inc.

因为人眼看到的，已经是叠加了所有因素的“结果”，它在天空绕8字，能抽象成“黄道”这样一个纯圆平面，已经是专业人士而不是普通人靠每天看眼太阳就能理解的东西了。

几何认知

©Vito Technology, Inc.

黄道，是地球中心视角太阳的轨迹；而日心说视角下，是我们地球公转的轨道，这两个平面，真的是同一个平面吗？ 参考系都不同了。

是的，它们就是同一个平面。

想象地球和太阳间有一条连接线，一年过后，这条线就扫成了一个面，如果这两种视角得到的平面不一样，就会得出一个结论：在任一时刻，地球和太阳，既属于平面A，又属于平面B，显然不存在这样的“两个平面”，因此，即使两个視角不同，它们描述的，的确就是同一个平面，只是今人拥有比古人更完整的宇宙观而已。

提供的示意图里，把两种参考系画一起了：

• 天球还是那个以地球为中心的天球，但是放到宇宙参考系里，它绕太阳转的才是水平面（虚线）
• 所以天球在这个参考系里，是要考虑自转倾角的，所以天球赤道，就是那条绿线
• 地球轨道投影在这个天球上（就是日心说视角），就是黄道，也就是那条紫线
• 此时站在地心说（主观视角），你应该能能发现，人类一样是在这个平面“随时发现”太阳，只不过在人类假想的天球里，是直接认为太阳就在这个天球上的（也就是人眼中的太阳，直接就是它在天球上的投影），这个投影一年走过的轨迹，直接就是紫色线！
• 你把头歪一点，以侧倾的轴线为垂直，就是我们传统的地心天球模型了

其它行星的公转轨道面是黄道吗？

不是！

• “黄道”名字的诞生就是古人为太阳在地球为中心的天球上走过的轨迹取的名字，与其它行星无关。
• 客观上，太阳系行星的公转轨迹平面“差不多”在同一个平面上，但不重合
• 但这并不是宇宙的定律，只是巧合，各种各样的交错的行星轨迹平面都有观测证据
• 甚至很多星系都不止一颗太阳，自然就不可能有这样共平面的情况了。
  • 甚至单恒星星系都不是主流，只占25%-35%

© Vito Technology, Inc.

现代宇宙观

理解恒星背景

能叫“恒星”，能作为“背景”，显然是它不会动。我们现在知道了，所有恒星都在动，所以就不科普这种没用的东西了，我们要科普为什么它动了也不影响人类把它理解为静止的：宇宙尺度！

速度

我们知道恒得在动，那就看动得多快：

• 地球公转速度约为 29.8 公里/秒，什么概念？ 用这个速度开车，从北京到上海（约1200公里），只需要 40 秒。
• 太阳绕银河系中心的公转速度约为 220 公里/秒。又是什么概念？如果以这个速度从地球飞向月球（38万公里），只需要 约 29 分钟。
  • 这个类比比较含糊的话，还不如想象一下：
  • 你公司离家30公里，按地球的公转速度来跑，1秒钟到。
  • 你春运回老家220公里，如果用太阳的公转速度来跑，1秒钟到。

很快是吧？那得看它在我们想要观察的尺度下，动得多快：

距离

宇宙中的距离是让人难以想象的遥远的，即使我们认为近在咫尺的地月距离（38万公里），也能塞下太阳系中的所有行星，包括所有巨形气态行星，你能想象吗？

然后我再告诉你，其实这个距离的空间，主要就是由木星和王星占据的（26.35万公里），你又能想象吗？ 这俩货到底多大

这还只是地月距离。

恒星背景确实是在变化，因为运动是“确定且绝对的”，但我们的这些地表感知的高速运动，在恒星间的距离下，在一个人的有生之年的时间尺度下，移动的距离几乎可以说是微乎其乎地，就好比一个数字，你几百年的移动距离只相当于小数点后18位，你说你动了吗？

恒星背景的变化，主要由地球公转引起的周年视差和太阳系整体运动引起的构成。

• 周年视差：地球在公转轨道两端（相距3亿公里）看同一颗恒星，其角度变化。离太阳最近的恒星（比邻星，4.24光年）的周年视差只有 0.77角秒。1角秒是1/3600度。这相当于在 2.5公里外 看一枚一元硬币的张角。肉眼是分辨不了的。
  • 这还是最近的。
• 自行：恒星本身在空间中的运动，加上太阳系的运动，导致恒星在天球上的位置长期变化。以最快的“高速自行恒星”巴纳德星为例，它每年在天球上移动约 10.3角秒。这意味着，它要 约 175 年 才能移动一个满月的直径（约0.5度）。对于绝大多数恒星，自行要小得多，需要数万年甚至数十万年才能看出明显的形状变化。

太阳和行星

遥远的恒星看样子是不会动的了，只有靠自转把它们从东到西转来转去。那么太阳系内的尺度没那么夸张，我们在轨道上转来转去，就不影响它们的位置吗？

当然影响！

• 首先，太阳与地球相对位置的变化，最早就被反映到了星图上，从而诞生了"黄道"，本文主要讲的就是它。它是周年复始的。
• 其次，还发现了一些“行星“，也在恒星背景下移来移去，但是没有太阳那么好总结的规律：
  • 甚至它都不能走直线
  • 甚至它有时候还倒着走（水逆听过吧？）
  • 但基本上还是贴着黄道走

只要有了前面的背景知识，行星轨迹也很好理解了，它们的轨迹就是自身在恒星背景下绕太阳公转，和我们一起公转的时候与其它行星的相对位置变化的叠加，造成它们在恒星背景下乱跑的结果。主要就是视线角速度不同造成的，甚至当你“超车”时，这个视线角速度直接逆转了，所以看起来就像倒着走一样。

当然，大多数情况下，你不需要考虑行星间复杂的相对运动，因为它们都在公转轨道上自西向东转，这是客观事实，所以它们在恒星背景上由西向东的大方向是确定的。

人造卫星

古人发现天空中有一些星星会“动”，因此把它们叫“行星”，要知道它们说的“发现会动”是“基于大量观测数据的推导结论”，而不是“肉眼现象”。这个同样困挠过我，让我小时候以为“行星”和“人造卫星”一样，都是夜空中缓慢移动的一个亮点。

这也体现了早期很多科普作品的不严谨，它没说你能看到行星移动，却也没告诉你行星跟恒星一样，基本上是不动的，基于大量观测和对比才能发现它移动。而且还用了人造卫星的例子，给了很明显的“暗示”：行星也应该是肉眼可见地移动的。 事实上：

1. 一晚之内：看不出任何移动 晚上七八点看木星在东方地平线上，半夜它到了南方高空，凌晨它移向西方——这是地球自转造成的，不是行星自己的运动。

行星相对于背景恒星的“自行”，一晚上只移动了不到1角分（1/60度）。肉眼看，它和旁边的恒星之间没有任何位置变化。

2. 几天之内：依然看不出来 火星平均每天移动约0.5度（一个满月直径），但这不是匀速的，而且需要连续多天记录才能察觉到。

你今晚看火星在某一颗恒星旁边，明晚同一时间再看，它可能移开了“一点点”——但这个“一点点”是肉眼很难分辨的，因为背景恒星也在整体旋转。

结论：对肉眼来说，行星在夜空中和恒星没有区别——都是“固定”的亮点。你只有在连续记录位置、对比多天数据时，才能“算出”它在动。

水逆

上面说行星轨迹和逆行的现象，基本上，地球公转时，超过外行星，或被内行星超过，都会引起视线角速度的反转（直观理解就是你从向前看变成了向后看才能看到这颗行星），自然造成了通过它看到的恒星背景的不同。那么为什么只有水逆这么出圈呢？

主要是因为它太频繁了！

作为最内环的行星，它发了疯一样绕太阳转，每116天就超车一次（会合周期），一年就会逆个三次，一次3周，一年中有大段时间都在水逆，是不是很贴合你对自我现状的认知？