每四年一次，至少在大多數(shù)情況下，人類會在我們的日歷年中增加一天來幫助保持時間：閏日。2月29日是一個很少給我們的生活增色的日子，但卻扮演著一個極其重要的角色：在很長的時間里保持我們的年歷和季節(jié)的交替。盡管有一個奇怪的歷史淵源和一系列圍繞它的城市傳說，但“閏日”的存在是出于科學(xué)而非迷信的原因。

• 圖注：2月29日，發(fā)生在2020年的一個周六，被稱為閏日。但它并不像一些人所想的那樣每四年發(fā)生一次，它對于保持我們的歷法和地球太陽系在數(shù)百年和數(shù)千年中的一致性具有極其重要的意義。

如果沒有閏日，地球的物理學(xué)將很快導(dǎo)致季節(jié)與我們的年歷不同步，而分點和至點將在天、月和季節(jié)之間漂移。事實上，如果我們每四年一躍而過，事情也不會很順利。只有我們正確地解釋了地球繞太陽的軸向旋轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，我們才能保持日歷的正確性，這就是閏日的意義所在。在閏日的背后，有八個大家都應(yīng)該知道的科學(xué)事實。

• 圖注：地球繞太陽軌道繞飛行一次行程為9.4億公里。地球每天在太空中行駛的300萬公里，確保了在我們的軸上旋轉(zhuǎn)360度不會使太陽每天恢復(fù)到天空中相同的相對位置。這就是為什么我們的一天比23小時56分鐘長，這是旋轉(zhuǎn)360度所需的時間。

1.）每天實際上并不是24小時。

地球的運動包括兩個基本部分：我們繞軸旋轉(zhuǎn)的運動和繞太陽旋轉(zhuǎn)的運動。 通常，我們認為輪換持續(xù)24小時，這就是為什么一天是24小時，而我們繞太陽一圈需要365天，這就是為什么一年長達365天的原因。

只是，這些影響是不可分割的，因為兩種運動總是發(fā)生的。如果地球是完全靜止的，保持在同一位置，那么整個360°的完全旋轉(zhuǎn)就等于一天。但360度的旋轉(zhuǎn)并不是一天的事：它比兩個指標(biāo)稍微少了一點。首先，地球旋轉(zhuǎn)360度只需23小時56分4秒。但是第二，由于地球在繞太陽運行的軌道上通過太空，它必須額外旋轉(zhuǎn)一點，才能將太陽定位在與前一天相同的相對位置。這額外的一點所需的運動是什么，平均每天，24小時。

• 圖注：時間方程由行星軌道的形狀和軸向傾斜以及它們?nèi)绾螌R決定。在最接近六月冬至的幾個月（當(dāng)?shù)厍蚪咏x太陽最遠的位置）時，它移動得最慢，這就是為什么這一部分的八字線被擠壓，而12月的冬至，發(fā)生在近地點附近，是拉長的。
  

2.）有些日子實際上比其他日子更長。

你是否曾想過為什么最早的日出和最新的日落在夏至?xí)r不發(fā)生，為什么最晚的日出和最早的日落與冬至不一致？這是因為地球繞太陽公轉(zhuǎn)是橢圓的，這意味著當(dāng)?shù)厍螂x太陽最近時（近日點），它以最快的速度移動；當(dāng)?shù)厍螂x太陽最遠時（遠日點），它以最慢的速度移動。

再加上近日點/遠日點與至點或分點都不一致，你會發(fā)現(xiàn)有些日子少于24小時，而有些日子則更多。我們習(xí)慣的一天24小時只是一年中所有日子的平均值，即使是這樣，它們也不是很完美。

圖注：在365天的過程中，太陽似乎不僅在天空中上下移動，由我們的軸向傾斜決定，而且由我們圍繞太陽的橢圓軌道決定。當(dāng)兩個效果結(jié)合在一起時，結(jié)果的捏合圖-8被稱為八字形。這里展示的太陽圖像是從塞薩爾·坎特在一個日歷年內(nèi)在墨西哥的觀測中精選的 52 張照片。請注意，如果我們沒有正確解釋時間，八字形將年復(fù)一年地改變位置。

3.）地球繞太陽旋轉(zhuǎn)一圈的總和不等于日歷年。

在天文學(xué)中，如同在數(shù)學(xué)中一樣，一次完整的旋轉(zhuǎn)被定義為地球回到它360°軌道之前在太空中所占據(jù)的相同位置。在天文學(xué)中，這就是我們所說的恒星年，也就是地球回到它先前相對于太陽的相對位置所需的時間。

但是，恒星年與日歷年（也稱為熱帶年）不同。地球繞太陽公轉(zhuǎn)時會繞其軸旋轉(zhuǎn)，并且該軸會隨著時間推移而進動，這意味著當(dāng)?shù)厍蛲瓿膳c前一年的一次天文學(xué)公轉(zhuǎn)時，其相對于太陽的方向會略有不同。恒星年與日歷年之間的差異僅20分鐘左右，但這意味著一個日歷年（這是您使季節(jié)排列所需要的）實際上比圍繞太陽的完整公轉(zhuǎn)要短20分鐘。

• 圖注：就在800年前，近日點和冬至對齊。由于地球軌道的進動，它們正在緩慢地漂移，每21000年完成一個完整的周期。5000年后，春分和地球最接近太陽的時間將重合。這是一個微小而微妙的影響，從24小時到一天的精確長度，它造成了另一個微小的偏離，當(dāng)與地球在其軸上的旋轉(zhuǎn)運動和圍繞太陽的軌道運動相比，它是微不足道的。
  

4.）地球的軸向旋轉(zhuǎn)、軌道旋轉(zhuǎn)和進動的綜合作用，使一年中的天數(shù)不均勻。

現(xiàn)在我們開始討論有趣的事情。如果你盡我們所知去計算，你最終會發(fā)現(xiàn)在一個真實的日歷年(回歸年)里有365.242188931天。如果我們每年都有365天，那么每過一個世紀，我們的日歷都會有整整一個月的時間不正常。

如果我們每四年增加一個“ 閏日”，則每年需要365.25天，這非常接近但不太正確。實際上，這就是我們遵循了大約1600年的舊儒略歷所做的工作。到1500年代后期，這種差異非常明顯（我們的日歷減少了大約10天太多），以至于需要修改日歷。

在意大利，波蘭，西班牙和葡萄牙，1582年10月5日至14日的日期不存在。其他國家在后來的日期跳過了這10天；艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在圣誕節(jié)那天出生于英格蘭，只是因為他們沒有在1642年之前就跳過這些日期。在世界其他地方，牛頓出生于1643年1月4日。

• 圖注：盡管許多國家在1582年首次采用公歷，但直到18世紀英國才采用公歷，許多國家甚至在更晚的時候進行了轉(zhuǎn)換。
  

5.）公歷（陽歷）非常適合閏日。

我們用自然聯(lián)合運動的要求來彌補日歷年的不匹配的方式是出色且相對簡單的：

• 被4整除的每一年都是閏年，

• 除非它也可以被100除而不是400整除，在這種情況下，這不是閏年。
  

這意味著2004、2008、2012、2016、2020等都將是閏年，因為它們都可以被4整除。但是，如果年份是世紀之交，如果它也可以除以400，那它就是閏年。2000年是閏年，但1900年不是閏年，而2100年不是?？偠灾捎霉珰v，由于公歷的歷年平均長度與回歸年只有26秒之差，要累積3300年才差一日。

• 圖注：月球?qū)Φ厍蚴┘映毕?，這不僅引起我們的潮汐，而且會導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)的制動，以及隨后周期的延長。地球的不對稱性，再加上月球引力的影響，導(dǎo)致地球上一天的長度隨著時間的推移而延長，月球從地球向外盤旋。

6.）從長遠來看，我們將需要再次更改日歷。

如果一切都保持不變?–我們的旋轉(zhuǎn)速度，軸向傾斜的方向以及我們繞太陽的軌道運動?–該日歷實際上是完美的，但僅目前如此。每次發(fā)生地震時，我們的自轉(zhuǎn)速度都會略微加快，但是這種影響會被日月在地球上的引力作用所淹沒，這會使我們減速。

這種減速效應(yīng)被稱為潮汐制動，每年平均耗時14微秒。這似乎可以忽略不計，但是隨著時間的流逝，它的確增加了。如果我們檢查一下很久以前潮汐在土壤上的印記，即所謂的潮汐節(jié)律，我們就可以算出地球的自轉(zhuǎn)速度。 6.2億年前，就在寒武紀爆炸發(fā)生之前，我們的一天只有不到22個小時的時長，這意味著當(dāng)?shù)厍蚴状涡纬蓵r，我們的一天只有6到8個小時。天數(shù)的延長意味著，隨著時間的流逝，完成一個日歷年的時間將越來越少。

• 圖注：巖石記錄的潮汐的節(jié)律，可以讓我們確定過去地球的自轉(zhuǎn)速率。 在恐龍時期，我們的一天接近23小時，而不是24小時。數(shù)十億年前，在月球形成后不久，一天接近6至8個小時，而不是24個小時。
  

7.）在四百萬年中，閏日將是不必要的。

隨著幾千年的過去，潮汐制動的這種異常緩慢的效應(yīng)將開始變得重要。雖然現(xiàn)在，我們只是每18個月左右增加一個閏秒來適應(yīng)它，但這一天仍在延長。在地球上又過了400萬年之后，這一天將再延長56秒：一個日歷年所需的確切時間是365天。

到那時，我們將要首先減少閏日的數(shù)量，然后完全刪除它們，因為它們將完全不必要。 如果人類仍然存在并且保持日歷，那么我們將考慮進一步的過渡，因為我們將需要開始跳過幾天，以使我們的季節(jié)與 我們的日歷。

• 圖注：雖然今天大約一半的日食在自然界是環(huán)食，但地球與月球距離的增大意味著在大約6億至7億年的時間里，所有日食都將是自然類的環(huán)食。
  

8.）地球月球系統(tǒng)的最終命運將與我們今天所經(jīng)歷的完全不同。

隨著潮汐制動作用的繼續(xù)，不僅地球的自轉(zhuǎn)會減慢，而且月球會慢慢地從地球上旋離。再過幾億年（但不到十億年），月球?qū)㈦x地球如此遙遠，不再有日全食；它們都將是環(huán)形的。

假設(shè)我們在太陽轉(zhuǎn)變成紅巨星和行星狀星云/白矮星組合的過程中幸存下來，那么地球和月球的軌道周期都會延長直到匹配為止：直到它們都采取大約47個我們現(xiàn)代的日子，這將發(fā)生約500億年的未來。與月亮的同一面總是指向旋轉(zhuǎn)的地球不同，月球和地球?qū)⑾嗷ユi定，就像冥王星和冥衛(wèi)一今天彼此在一起一樣。

• 圖注：冥王星和冥衛(wèi)一系統(tǒng)的一個模型顯示了兩個主要質(zhì)量彼此圍繞軌道運行?！靶乱曇啊碧柕娘w行表明，冥王星和冥王星的衛(wèi)星都不在它們相互軌道的內(nèi)部，并證實了它們之間的相互潮汐鎖。
  

我們都應(yīng)該意識到閏日的必要性；沒有閏日，地球的季節(jié)、分點和至點都會隨著時間而改變，而不是年復(fù)一年地落在同一天。但是，同時，我們也應(yīng)該認識到，一天的長度不是恒定的，正如一年中的天數(shù)不是恒定的一樣。隨著時間的推移，地球自轉(zhuǎn)的速度繼續(xù)減慢，我們需要越來越少的天數(shù)來組成一個完整的日歷年，這意味著我們需要一個不斷變化的日歷系統(tǒng)。

但現(xiàn)在，特別是在人類一生的尺度上，公歷——公歷——閏日每4年發(fā)生一次，但在不能被400年間隔整除的世紀上——將大有作為。享受你今年的額外一天，你認為合適，并記住，沒有這些閏日，我們的日歷根本不會累積加起來。