我們為什么要給月球和火星制定歷法？

紫禁城的布局與天上的星辰相對應，是地理與歷史交織的坐標。夜幕降臨，群星環繞著北極星，向世人訴說著這座皇城六百多年的故事。版權／職爽

時間體系是全人類共通的語言。數千年來，人類仰觀天象、俯察日影，在對日月星辰運行規律的長期觀察中，構建起一套套精確而富有詩意的時間體系——歷法。它不僅服務于農耕節令、航海導航和日常生活，更承載著一個民族的精神信仰、哲學思想與文明記憶。

今天，人類正邁向深空探索的新紀元。登月、火星探測、太空站建設、星際移民……天地往返已從夢想變為現實。然而，當我們的足跡踏上月球、火星，甚至更遙遠的地外星球時，那套沿用數千年的地球歷法，卻不再適用。面對全新的天體環境，我們亟需建立屬于地外世界的“新歷法”——一種基于當地天象周期、適應真實宇宙物理規律、融合人類文化智慧的全新時間體系。

自2021年中國科學家首次提出“地外時間規則”這一重大科學問題以來，如何為月球制定標準時間？如何構建其他天體星球的歷法？逐漸成為了國內和國際熱點議題。

本文將以“仰觀天象、俯察日影”為主線，追溯地球歷法的千年智慧，繼而探討月球和火星歷法的構建路徑，這也是一個大眾和專業人士的共同問題。

/斗轉星移在地球

人類有著超過五千年以上的仰觀俯察、制歷明時的悠久文明傳統。

古埃及人注意到尼羅河漲水、退水的規律，將一年劃分為三個季節：泛濫季（阿赫特）：約7月至10月；播種季（佩雷特）：約10月至3月；收獲季（夏茂）：約3月至7月。他們注意到，每年尼羅河泛濫前，天狼星與太陽總會同時出現在地平線上——這一現象被稱為“天狼星偕日升”。通過觀察到相鄰兩次天狼星偕日升的時間間隔，它們得出一年約為365天。由此創制出世界上最早的陽歷之一：古埃及陽歷。一年定為365天，分為12個月，每月30天，始于“天狼星偕日升”，年末加5天作為宗教節日。

兩河流域的巴比倫歷法最初是以月亮的朔望周期而制定的陰歷，一個月30天或29天，每年12個月，共354天。但這種歷法每年比太陽年少約11天，導致季節錯位。于是，巴比倫人逐漸認識到太陽年的重要性，并于公元前383年開始采用“十九年七閏法”——每19年增加7個閏月，使得陰歷與太陽回歸年基本同步。巴比倫人還使用了星期制度并傳播到古希臘、古羅馬，最終演變為現代的星期體系。

古代歷法的形成也與族群定居的地理緯度關聯，印度次大陸的古印度人將一年分為六季，即春、熱、雨、秋、寒、冬。古印度人通過長期的天文觀測，將一年定為360天，12個月，每月30天，但每年存在約5天偏差。

這一劃分與他們對月相變化的觀察密切相關。為此，古印度人采取“每五年增加一個閏月”的方法來校正誤差。他們還通過恒星運動來修正歷法，確保與自然季節一致。這種劃分方式比其他文明更為細致，體現了對氣候變化的敏感。

而中國古代先民在長期的生產生活中，逐漸觀察到直立木桿在陽光下會投下影子，并且影子的長度和方向會隨著太陽位置的變化而變化。基于對這種“立竿見影”現象的觀察，孕育了中國人最早的時間觀念和方向感。而從立桿見影到圭表的誕生、發展和應用，是古代天文觀測技術逐步完善的重要過程。這一過程也推動了歷法、農業以及文化的發展。

最初，先民們是以自身尺度來丈量天地的。盤古開天神話中就有這種“以身為尺”的有趣細節：盤古站在天地之間，“日高一丈，地厚一丈，盤古日長一丈”。

后來人們開始使用固定長度的竿子或石柱，來觀察其影子的變化，用以判斷正午的方向。這就是“建木”的由來。《山海經·海內南經》：“有木，其狀如牛，引之有皮，若纓、黃蛇。其葉如羅，其實如欒，其木若蓲，其名曰建木。”建木的“立無影”特性尤其值得注意。這表明先民已經發現了特定地點（如回歸線）在特定時間（如夏至正午）會出現立竿無影的現象。這種對天文現象的精確觀察，是建木作為測量工具的科學基礎。

由此可見，中國歷法的發展始于對日影的觀察。盤古、伏羲的傳說讓我們相信，隨著對日影規律的進一步認識，古人開始利用垂直于地面的標桿（表，高度一般為八尺，約1.8米）和水平放置的刻度尺（圭）來測量影子的長度。

在距今約4000年的山西陶寺遺址出土的圭表儀器實物，是目前世界上最早的天文觀測儀器，證明了中國古人已經掌握了利用日影測量時間的技術。

通過長期觀測，古人發現了日影最長的一天為冬至，最短的一天為夏至，影長居中的兩天即為春分、秋分。這四個關鍵節點，構成了二十四節氣的核心骨架。

立桿測影。《欽定書經圖說》孫家鼐（清）等編，清光緒三十一年內府刊本。

《尚書·堯典》：“乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授民時。”確立了仲春、仲夏、仲秋、仲冬。“帝曰：咨。汝羲暨和。期三百有六旬有六日，以閏月定四時，成歲。允厘百工，庶績咸熙。”早在堯舜時期，就已經設立了專門負責天文觀測和歷法制定的官員，這是中國歷史上最早設立專職天文官員的記錄。堯舜時期已知一年“三百有六旬有六日”為回歸年長度。配合閏月調整歷法誤差，確保農時與季節同步，并通過觀測特定星宿位置來確定四季。

此后，到了夏朝，出現了最早的中國歷法《夏小正》，記錄了每月的物候和農事活動；商朝的甲骨文中也有大量關于天文現象和歷法的記錄，表明當時已經采用了陰陽合歷。周代確立干支紀年系統。《后漢書·律歷志中》：“案歷法，黃帝、顓頊、夏、殷、周、魯，凡六家，各自有元。”作證了夏、商期間人們編制和使用了《黃帝歷》《夏歷》《殷歷》《周歷》《魯歷》《顓頊歷》，這些都是干支歷，合稱古六歷。

而《顓頊歷》并不精確，西漢武帝時期已出現“朔晦月見，弦望滿虧”的錯亂現象。于是，漢武帝令司馬遷等改歷，隨后頒布了由天文學家鄧平等人編制的《太初歷》，這是中國歷史上第一部完整的歷法。《太初歷》以正月為歲首，融入了二十四節氣，設置閏月協調朔望月與回歸年之間的差異，開創了陰陽合歷的典范。《太初歷》不僅統一了華夏大地的歷法體系，更奠定了后世農歷的基本框架，其影響延續至今，它也是現代農歷的編制基礎。是中華民族對世界天文學的巨大貢獻，在天文學發展史上具有劃時代的意義。

東漢末年，劉洪編制的《乾象歷》首次引入了“月行遲疾”的概念，考慮了月亮運行速度不均勻的問題；南北朝時期，祖沖之在《大明歷》中精確計算出回歸年長度為365.2428日（與現代測量值僅差52秒）。

唐代開元十二年（724），著名天文學家僧一行主持全國范圍的天文大地測量，在河南、安南、蔡州等地測定日影、北極高度、晝夜長短，是世界史上首次大規模統一測量活動。他運用“不等間距二次內插法”計算太陽位置，推算出子午線長度，編制《大衍歷》，達到當時世界領先水平。

元代郭守敬主持“四海測驗”，在全國設立27個觀測點，南北跨度萬余里，測定各地緯度、晝夜長度與恒星位置，測得前人未命名的恒星超過1000顆。最終于1280年完成《授時歷》，以365.2425日為一年，誤差僅26秒，《授時歷》施行長達364年，是中國歷史上使用最久、精度最高的歷法。其精度與公歷（指公元1582年編制的《格里高利歷》）相當，但比西方早采用了300多年，堪稱古代天文學的巔峰之作。

北京古觀象臺建于明正統七年 （公元1442年），是世界上現存最古老的天文臺之一，也是我國 明清兩代的皇家天文臺，放置了渾儀、簡儀、渾象等古代天文觀 測儀器。圖為民國明信片上的古觀象臺，約1910年印制。版權／郭綱

外國歷法的發展也經歷了漫長的過程，不同時期和地區有著不同的歷法體系。除了前述遠古歷法，最現代的歷法是1582年教皇格里高利十三世頒布推行的《格里高利歷》，簡稱《格里歷》，即公歷。以儒略歷為基礎改善而來，置閏規則更為精確，使得歷法與地球公轉周期更加吻合，年平均長度更接近實際的365.2425天。該歷法逐漸成為國際通用的歷法，被世界上大多數國家所采用，包括絕大多數擁有發達歷法的東亞國家。

/月球歷法如何誕生？

盡管人類探測月球的活動持續了近70年，但月球上還沒有統一的時間規則，當前多數任務仍依賴地球時間系統，通過接收地球導航衛星授時信號，修正差異后來使用。但這只是權宜之計。

相對時間觀認為每個獨立的質心坐標系應有自己的時間體系，月球表面及其附近屬于獨立的質心坐標系，應建立月球的時間規則。月球的歷法應基于月表觀者所見的天體運動周期和準周期現象構建，與地球的“年月日”歷法不盡相同。

還有一種觀點認為，月球上應擁有自己的獨立的時間尺度和計量體系。美國學者運用廣義相對論公式推導出了地球標準時間與月球表面時間的關系公式，表明兩種時間不是簡單的系數修正關系，還包含了太陽、木星等天體潮汐引力影響，以及地球非球形引力攝動的影響。因此，在開展獨立地守時/授時，構建月球時間計量體系成為國際上一部分學者努力的方向。

/為何要給月球制定歷法？

在月面和月球附近統一時間標準，是月球上通信、導航、定位等人類活動的基礎。

“時間計量是國家文明和主權的象征”。2022年11月，歐洲空間局（ESA）啟動“月光”（Moonlight）項目，著手研究月球衛星導航和時間系統。美國牽頭的阿爾忒彌斯月球探測計劃明確提出主導構建月球表面區時或歷法的工作。美國白宮科學與技術政策辦公室和美國眾議院科學、太空和技術委員連續兩年要求NASA在2026年底前提交《天體時間標準化法案》草案。在月球探索和開發的國際合作與競爭態勢下，拓展我國悠久的歷法文明歷史并延伸到月球上去，將是中華文明新發展和人類文明新互鑒的“新絲路”。

月球上看到的日出、日落周期特性與地球上大相徑庭，不能簡單地使用地球上的歷法來指導月球面的活動。以往的探月工程雖然已經取得巨大成功，但是使用的時間系統仍然依賴于地球時間計量體系，具有獨立性、臨時性等特點，且未忽略相對論效應影響，不適用于廣泛且長期的月球任務。開發月球資源的時代已經到來，長期的月面活動需要考慮月球表面上看到的太陽、地球和其他天體的運動，來編制適配的歷法來反映當地對自然規律的視覺理解、以及對時間的精確掌握。

月球基地想象圖

在月球歷法制定方面，全球處于剛剛起步階段。歐美沒有單獨設計月球歷法，而是把天文歷法的年月日與物理時間的時分秒合并用于月球。這包括兩種技術途徑可以實現：一是保持地球與月球使用歷法與時間的一致，把地球標準時間連帶年月日歷法直接用于月球，通過每天的對鐘校準地-月時間漂移和差異來實施；其二是使用全球衛星導航衛星星座提供的連續的原子時間，向月球表面和周圍傳遞GPS周、日和時分秒，再轉化對應到地球的年月日。

而中華文明對時間歷法的理解一開始就注重與自然規律的匹配，追求道法自然、天人合一。來自于文化意識層面的驅動，我國學者注意到了這種替代做法的不足，提出根據月球自然的運動情況，因地制宜地制定適應的歷法的建議。這些不足包括地球一晝夜和月球一晝夜時長差距太大，達到29倍多，月球上的一年也不是簡單的地球回歸年；并且當未來大量的人員前往月球，在月面的活動增多之后，這種替代會帶來比地球上同一國家處于不同時區使用單一的參考時間還不方便，也不利于指導日常工作和生活。

國際上關于月球上的歷法如何編制使用？依然處于探索階段。我國學者借助提出地外統一時間體系的機緣，正在倡議構建月球歷法。我國的國家計量主管部門在立項月球歷法相關論證工作的基礎上，發起了針對月球歷法需要的月面看到的周期天象的征名活動，推進對月球歷法的全民參與。

【 月球歷法編制的起步 】

人類在月球上構建歷法，是一項集天文觀測、時間計量、社會文化與環境適應于一體的系統工程，其復雜性遠超地球上的傳統歷法編制。它不僅關乎技術實現，更承載著文明延展的深層意義。

要建立一套真正適用于月面生活的歷法體系，必須從“仰觀天象、俯察日影”的傳統智慧出發——以可觀察、可測量、可延續的自然周期為基石，結合現代科技手段，設計出既科學實用、又富有文化溫度的時間框架。

【 什么是“月球歷法” 】

參照地球歷法的構建邏輯：一個滿足連續性、可觀測性、均勻性與周期性的自然現象周期（如自轉、公轉等），及其整數倍或整數等分的時間間隔，即為“計時單位”。當這些單位被約定或法定后，便成為“歷法單位”。

在月球上，天體運動規律迥異于地球，人們所見的天象也截然不同。因此，“月球歷法”本質上是月表觀測者基于本地天體視運動規律所建立的一套時間體系，包括計時單位的設定、周期關系的換算以及歷元起點的確定。

月球作為地球的伴星，其自轉周期與公轉周期高度同步，約為29.5個地球日。這意味著：月球中緯度地區的“晝夜”周期長達近一個月；沒有類似地球的“一日一夜”節奏；不存在顯著的季節變化，無法沿用“年—季—月—日”的地球結構。因此，直接套用地球的“年、月、日”概念，在月球上既不現實，也不合理。

【 可行路徑：從太陰歷與陰陽合歷起步 】

相較于純陽歷的單一周期依賴，太陰歷與陰陽合歷（如中國農歷）具有更強的適應潛力。這類歷法以月亮的朔望周期為基礎，通過設置閏月協調朔望月與回歸年的差異，具備靈活調整的能力。這種“周期融合+動態修正”的機制，恰好契合月球環境的獨特需求。

正如古人“觀天授時”，我們今天也可以借助這一智慧，在月球上發展出一種“地月雙軌制”的歷法模式：以朔望月為中周期，以地月系繞太陽公轉為長周期，以“地球標識物重復出現”為短周期參考，形成多層級的時間結構。

【 挑戰與應對之道 】

難以開展實地觀測。當前所有月球探測任務均未配備專門的原子鐘或圭表類設備，缺乏長期穩定的月面時間基準與光學天文觀測能力。解決方案：利用已有的高精度軌道數據、太陽位置模型和數值仿真技術，構建虛擬“數字圭表”系統。通過計算機模擬月面日影變化、天體運行軌跡，精準還原月球天象周期，實現“無現場也能觀天”。

物理時間與天文歷法難以統一。地球導航衛星系統提供持續的原子時信號，可作為“物理時間”的錨點。解決方案：將國際標準時間（UTC）與月球天文周期進行融合。例如，以“地球導航周”為基準，轉換為月球歷法中的“月日”或“月周”，實現“七曜歷法”的現代延伸——讓天文周期與原子時精準對齊。

年尺度周期如何定義？這是最具爭議的問題：有人認為月球無四季，無需設立“年”；有人主張借用地球回歸年；也有人提出以12個朔望月為一年，輔以閏月調節。我們提出一種新思路：以地月系質心在黃道面上完成一次完整運動的周期——即太陽與星空背景相對重疊的周期——作為“月球年”的候選天象，并發起征名活動，邀請公眾共同命名這一獨特周期。

這是一個開放而充滿想象力的問題，答案不必唯一，正應了“百花齊放、百家爭鳴”的科學精神。

【 歷元起點：以“朔望”為橋 】

在地球與月球三者大致共線的“朔望”時刻——無論是從地球看月球為“新月”，還是從月球看地球為“滿地”——這一事件具有時空同步性，是連接兩個時間系統的天然橋梁。因此，可將此瞬間設為月球歷法的起始歷元（歷元點），作為所有周期累計計數的起點，如同地球歷法以“冬至”或“春分”為元年開端。

月球歷法不僅是技術問題，更是文明命題。它要求我們在繼承“觀天授時”古老智慧的同時，勇于創新，走出地球的慣性思維。

未來的月球歷法，不應是地球歷法的簡單復制，而應該是：以月球真實天象為基礎；融合多文化優秀元素；支持長期駐留、資源開發與社會協作；并在必要的時候與地球歷法保持某種貫通與互譯。它將是人類文明邁向深空的第一個“普適標準”，也是我們向宇宙宣告：“我們在這里，我們有自己的時間。”

/還要去火星

火星歷法的測量可以類比地球，通過仰觀俯察來實現。人類在火星上設置圭表并編制歷法是一項綜合性工程，需要結合天文觀測、時間計量、社會文化以及環境適應等多方面的考量。

自2000年以來，隨著太陽系大行星特別是火星的軌道歷表已經被精確測量和預報，以及洞察號著陸器火星探測的成功實施，精確獲得了火星自轉的數據，這樣可以通過科學手段構建精確的火星歷表框架。

火星基地想象圖

參考地球歷法編制火星歷法需要充分考慮火星的天文特性、季節變化以及與地球歷法的兼容性。通過合理劃分時間單位、設置閏年規則、保持周制一致以及引入特殊日期和節日，可以設計出既符合火星特點又便于人類使用的火星歷法。

【 火星季節與歷法 】

火星的回歸年長度比地球長許多，約為687個地球日，668.59火星日。火星上的一天比地球稍長，為24小時39分鐘35.244秒。季節變化與地球類似，存在大氣環流、夏季的冰雪氣化升騰、冬季的大氣凝結成冰。火星的季節劃分基于其上的兩個春分和兩個秋分時空點，分別對應北南半球的季節交替。但由于其軌道偏心率較高以及自轉軸傾斜，其季節長度和特征與地球存在顯著差異。

【 時間單位與計時方法 】

基本單元“秒”仍然選取國際單位制SI定義。從天文時間考慮，火星上的另一個基本時間單位是“sol”（火星日），其長度為24小時39分鐘35.244秒，比地球日長約39分鐘。為了方便計算和使用，可以將火星日劃分為24小時，每小時100分鐘，每分鐘100秒）。這種十進制設計，避免了傳統60進制帶來的換算復雜性，更適合自動化系統與數字界面，也便于與地球時間進行換算。

此外，還可引入：

centisols：火星日的百分之一

hemiannum：火星年的一半

zodes：10個“zodes”為一天

xat/tal：更小的時間單位，用于精細調度。

火星沒有明顯的類似地月雙星系統的月球，因此無法像地球一樣以月球運行周期為基礎劃分月份。然而，可以借鑒黃道十二宮的命名方式，將火星年劃分為24個月，每個月以黃道星座命名。

【 初步設計思路 】

為了便于理解和使用火星歷法，可以采用類似公歷的結構。例如，將火星年從春分開始，引入起始點對應地球上的1970年4月28日22時（最早的成功的火星探測時間）。此外，可以將火星日期與地球日期進行換算，例如通過Julian Date（儒略日）或Mars Sol Date（火星太陽日期）來實現。

火星年可以劃分為24個月，其中前五個月每兩個月有28個火星日，后五個月每兩個月有29個火星日。這種劃分方式使得火星年與地球年在長度上更加接近，同時也方便了跨年日期的計算。

多項研究也提出了火星歷法的設計方案。例如，Leon G. Heron提出了一種基于“sol”（火星日）的簡單易懂的日歷系統，在火星上也考慮設置周計量，火星一周可以設置為7天，與地球周制保持一致。這不僅便于日常生活的安排，也方便與地球歷法的對比和換算。將火星年分為95周，每周7天，每年插入3到6個閏日以保持日歷與季節同步。此外，還有基于火星軌道位置的歷法設計，例如通過火星太陽日（LS）來標記時間，并結合春分點的位置確定年份。

火星歷法的一個關鍵點是季節劃分。由于火星軌道偏心率較大，其季節長度差異明顯。冬季和夏季持續時間較長，而春季和秋季較短。因此，歷法需要靈活調整閏日或閏月以保持季節與日期的一致性。也可以根據季節變化或氣候特點來劃分月份，例如將一年分為四個季節，每個季節包含六個月。

鑒于火星年長度約為687個地球日，為此也需要引入閏年規則以保持季節與日期的一致性。例如，每10個火星年中約有6個閏年，閏年會多出一天。具體來說，可以將閏年設置在每100年或更長周期內進行調整，以確保火星歷法的準確性。也可以在火星歷法中設置一些特殊日期和節日，例如春分、夏至、秋分和冬至等節氣。這些日期可以與地球上的節氣相對應，并結合火星季節變化的特點進行調整。

【 虛擬仿真圭表的作用與設計 】

在古代地球，圭表被廣泛用于觀測太陽影子以確定時間和季節。在火星上，圭表可以用來測量太陽影子的變化，從而確定季節和時間。在實際可以設置圭表之前，使用火星的歷表、太陽歷表、火星地形地貌模型和自轉參數，在火星上指定地點假想一個圭表或圭表陣列，就可以構建一個基于已有人類認知的火星表面圭表仿真模擬裝置，模擬指定時刻的火星上圭表位置的星體運行和日影變化，進而得到仰觀俯察的統計信息，用于精細的火星歷表的設計和編制。

【 實際應用和社會文化意義 】

火星歷法不僅是一個技術問題，還涉及社會文化層面，既可以適用于日常生活的安排，還可以用于科學研究和任務規劃。例如，在NASA的火星任務中，科學家們已經使用了基于火星軌道周期的合相歷法（Martian Synodic Calendar），這種歷法通過調整周期來保持與季節的一致性。也有研究建議為火星歷法中的月份和日期命名，以反映火星的地理特征或歷史背景。當然還可以融入宗教和民事節日，為火星居民提供文化認同感。

地球上最接近火星環境的地區，或許是北歐。北歐古代歷法以月相為基礎，結合農耕、狩獵與宗教儀式，將一年劃分為兩個大季：夏季與冬季。

夏至與冬至被視為神圣時刻，直接影響農作物播種與動物遷徙。盡管現代北歐國家已采用格里高利歷，但古老的節令仍在節日中延續，如“圣約翰節”（Midsummer）、“冬至燈會”等。

無論在地球還是火星，時間從來不只是數字，更是生命的節奏與文化的記憶。因此，火星歷法不應只是“功能性的工具”，更應成為火星居民的精神坐標。

—— 本文選自《中國國家天文》2025年第9期

來源：中國國家天文

編輯：Wonder

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