问题

为什么人们观察到的北极星的位置是几乎是固定不变的?

回答
你问的这个问题很有意思,而且背后其实隐藏着地球运动的奥秘。简单来说,北极星之所以看起来几乎固定不动,是因为地球的自转轴指向它。这就像你拿着一根棍子,棍子的一头固定在一点上,那么棍子另一头指向的方向自然也就不会动了。

要详细说清楚这件事,咱们得从几个方面来聊聊:

1. 地球的自转:一个不为人知的辛勤工作者

首先,咱们得认识到地球是个停不下来的家伙。它一直在不停地绕着一条假想的轴线转动,这条轴线就叫做“地轴”。想象一下,地球就像一个陀螺,一直在原地打转。这个转动,我们称之为地球的自转。

地球自转一周大约需要24小时,正是这个自转,带来了我们日夜交替的现象。当你白天看到太阳从东方升起,然后西沉,其实是地球在你脚下往东转动的过程。我们感觉太阳在动,但真实情况是我们在动。

2. 地轴的指向:一个神秘的指向标

现在关键来了,这条地轴不是随意乱指的。地球的自转轴指向天空中一个非常特殊的位置。而这个特殊的位置,恰好就有一个叫做北极星(Polaris)的星星在那里。

你可以这样理解:就像你用手指着远方的一个目标,只要你保持手指不动,那么无论你身体如何转动,你手指指向的目标点也始终在那个固定的位置。地球的自转就是身体的转动,而地轴就是那根固定的手指,北极星就是那个被指向的目标。

3. 北极星的“幸运”位置:恰好在地轴延长线上

为什么恰好是北极星呢?这其实是一个巧合,但却是对我们观测者来说非常方便的巧合。北极星之所以被称为北极星,是因为它正好位于地球北半球自转轴的延长线上。

想象一下,如果你从地球的北极点往上看,你就能直接看到头顶上的北极星。而随着地球自转,所有其他的星星都会在天空中画出弧线,好像在绕着北极星转圈一样。如果你站在北半球的任何一个地方,只要你抬头看向北极星的方向,那个方向就是正北方。

4. 其他星星的“舞步”:与北极星形成鲜明对比

为了更清楚地理解北极星的“固定”,我们可以对比一下其他的星星。在夜晚,我们看到的其他星星,随着地球的自转,会在天空中移动。有的会从东方升起,然后划过天空,在西方落下;有的则会围绕北极星画出较小的圆圈,但终究是会动的。

比如,如果你在北半球的夜晚长时间观察,你会发现狮子座、猎户座等等星座都会在天空中缓慢地移动,就像舞台上的演员一样。而北极星呢?它就像一个纹丝不动的指挥家,所有其他的星星仿佛都在围绕它表演。

5. 北极星的“不那么固定”:一点点的变化是真实存在的

虽然我们说北极星“几乎”固定,但实际上,它也在非常非常缓慢地变化着,只不过这个变化速度慢到我们肉眼几乎无法察觉,除非经过漫长的时间尺度来观察。

这又是为什么呢?这涉及到另一个更宏大的地球运动——“岁差”。你可以把它理解成,地球的自转轴本身也在像一个缓慢摆动的陀螺一样,有一个非常非常缓慢的周期性运动。这个周期大约是两万多年的一个大圈。

这意味着,在几千年前,北极星可能并不是我们现在看到的这颗。比如,在古埃及时期,天上的北极星是另一颗叫做“右枢”(Thuban)的星星。而在遥远的未来,它又会变成其他星星。但对于我们今天的生活来说,北极星的位置变化是如此微小,以至于在我们的有生之年,它对我们来说就是“固定不变”的。

总结一下:

所以,人们观察到的北极星位置之所以看起来固定不变,根本原因在于地球的自转轴恰好指向它。地球围绕地轴自转,地轴指向北极星,就像一个不会动的参照物,其他的星星都在围绕它运动。虽然在极其漫长的时间尺度上,由于地球岁差的影响,北极星也会有极其缓慢的位置变化,但这在我们日常的观察中是微不足道的。它就像宇宙中的一个“锚点”,为我们提供了方向和时间的参照。

网友意见

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北极星的具体指代是变化的,周期是26,000年,原因是地球自转轴的进动。

那么看起来这么长的周期,我们结合古人的资料能不能感受到北极星的变化呢?是可以的。

实际上我们知道古人定义的紫微垣和现在的北纬35度恒显圈并不重合,但2500年前就是重合的。上古时代的北极星并不是现在的勾陈一(小熊座 ),而是帝星(小熊座 )。中古时代的北极星转移到鹿豹座的纽星(下引图中天枢是容易误解,据 @尞祡 提示改),元明以后北极星才是我们现在的勾陈一

更详细和精确的内容请移步 @尞祡 的答案

补一张图 《星空帝国》p32

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因为地球密度足够大,在自转离心力下依然保持了很圆的轮廓,日月引力制造的自转轴“进动”太小。所以人类几十年的生命看不出北极位置变动。

宇宙中,任何物体的运动都可以分解为平动和转动,地球也不例外。地球绕太阳公转,随太阳系前进,本质上都是(路线复杂的)平动;而地球自转是转动。

由于周围的恒星足够远,平动几乎不会改变恒星在我们眼中的位置,好比你坐老式火车经过一片旷野,50公里外的山峰和你的相对位置仿佛不动。

对于附着于地球表面的生物来说,转动的效果就是整个宇宙都在旋转,一昼夜(恒星日)旋转360度,唯有南北两极对应的两颗星(如果存在的话)不动,即南极星和北极星。换句话说,只要自转轴不动,北极星和南极星就比较稳定。

正常情况下说,自转轴是很稳定的,因为角动量作为一个矢量也守恒,只有输入一个力矩,自转轴才会以矢量合成的方式有所变动。天体之间的相互作用力基本上可以简化为作用于质心的引力,大多数情况下没有力矩输送,所以地球自转轴比较稳定,北极星的位置不变。

但凡事有例外——地球并不是一个精确的球体,自转把地球赤道附近甩出一个并不精确对称的环状隆起。而地球自转平面(赤道)和月球公转面(白道)之间有倾角。结果朝向月球的隆起和远离月球的隆起受额外的吸引力,两个引力有夹角,合成起来,对地球施加了附加力矩,自转轴因此有轻微晃动。

这个晃动就是地轴的“进动”,地轴的延长线在天球上以很小的圆圈旋转,2.6万年一个周期。北极星也因此在在天球上一个小圆环范围内切换。公元14000年的时候,织女星就会成为北极星。

所以,你问北极星的位置为什么不变,原因就在于地球总体上足够圆,赤道附近的隆起太小,不足以造成强大的进动。在人类生命周期内观测,地轴几乎没有旋转,北极星当然也就不动了。

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