如果你居住在地球北半球的中纬度地区——而且你很可能住在那里——你可能已经注意到，在过去的几周里，白天越来越短，夜晚越来越长。这个过程从六月夏至开始，在九月秋分期间速度最快，并在12月21日美国东部标准时间晚上10:27（12月22日格林威治标准时间凌晨3:27）达到顶峰。
那时，太阳位于天空中的最南端，或者，如果我们从更宇宙的角度来看，地球的北轴倾斜到了一年中离太阳最远的点。我们将那一刻称为冬至，许多人认为这是冬季的开始。
（请注意，在同一时刻，地球的南轴倾斜得最靠近太阳，因此对于居住在赤道以南的人们来说，季节是相反的，昨天可以被认为是夏季的第一天。生活在一个围绕恒星飞速运转的球体上可能很复杂，对其他人的观点保持开放态度是有益的。但无论如何，地球的轴向倾斜是季节的原因。）
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅来支持我们屡获殊荣的新闻事业。 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能继续产出关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的报道。
在北半球，我们能感受到这带来的两个主要影响。一是太阳在天空中的路径是一年中最矮的。太阳在天空中升起的高度不够高，因此阳光不能有效地加热地面，我们这半个地球变得更冷。二是太阳在地平线以上的时间——白天的长度——最短，因此太阳温暖我们的时间也更少。这也冷却了我们的半球，因此有了冬天。
你可能会认为，如果冬至是最短的一天，那么 12 月 21 日应该有最晚的日出和最早的日落。但是——正如现实世界中总是如此——事情比这更复杂。
如果你查看一下例如华盛顿特区的日出和日落时间表，你会发现冬至前后最晚的日出不是在 12 月 21 日，而实际上是在 2024 年 1 月 5 日（上午 7:27），而最早的日落已经在两周前的 12 月 7 日（下午 4:45）发生了！这真是令人惊讶。
是什么扰乱了地球的计时？罪魁祸首是它的轨道——或者更准确地说，是它轨道的形状。它不是一个圆形，而是一个椭圆形——也就是椭圆。
直到 17 世纪初，人们才认识到我们星球的轨道不是圆形的。在那世纪开始前大约 60 年，尼古拉斯·哥白尼已经推断出太阳而不是地球是太阳系的中心，所有行星都围绕太阳运行。然而，他仍然假设这些轨道是圆形的。因此，虽然从概念上讲，他的日心模型比地心模型更好，但它仍然不能准确预测行星的位置。是约翰内斯·开普勒，利用他的导师第谷·布拉赫精心整理的观测结果，意识到这些轨道实际上是椭圆——这一突破性的见解最终使天文学家能够准确预测行星的位置，并更好地了解我们当地的宇宙邻域。
地球的轨道确实是椭圆形的，但仍然非常接近圆形。我们星球在一年中离太阳最近和最远的点之间的距离约为五百万公里，仅占其平均 1.5 亿公里的 3% 左右。开普勒理解的是，这种细微的差异意味着地球在太空中的速度也会发生变化。当它最靠近太阳（称为近日点）时，它移动得最快，而当它离太阳最远（远日点）时，它移动得最慢。
碰巧的是，在历史上的这一刻，近日点是在一月初，离十二月冬至后不久。因此，现在地球绕太阳运行的速度略快于平均水平，这就是扰乱我们日出和日落的原因。
从我们地面观察者的角度来看，太阳绕天空一周并回到同一位置所需的时间称为太阳日。如果地球固定在太空中但仍然允许自转，太阳每 23 小时 56 分钟就会升起、落下，然后再升起一次。
但地球当然不是固定的，而是围绕太阳运行，大约需要 365 天才能完成。这意味着我们的星球每天移动大约一度（因为一个圆有 360 度）。这改变了太阳日的长度，因为地球每天都必须额外自转一度，才能使太阳回到前一天在天空中的同一位置。这每天的持续时间增加了大约 1⁄360 天——大约四分钟——使长度达到我们熟悉的 24 小时。
但这只是平均而言。在每年的这个时候，当地球接近近日点并以更快的速度绕太阳运行时，我们的星球必须稍微多自转一点才能赶上我们的恒星，使白天稍微长一点——大约 30 秒左右。太阳需要更多的时间才能看似绕天空一周，因此这意味着太阳正午——当太阳在天空中正南时——根据保持平均时间的假想时钟，会稍微晚一点。日出和日落以正午为中心对称分布，这意味着它们也都会在一天中更晚发生。
反过来，这意味着冬至的日落时间比前一天晚。所以我们已经经历了最早的日落。那是在 12 月 7 日。相反，这也意味着日出发生的时间比前一天晚一点，并且将持续到近日点附近；最晚的日出要到 1 月 5 日。
如果您难以想象这一点，幸运的是，Minutephysics 的 Henry Reich 为您准备了一个动画视频解释
我知道，我知道。这仍然令人困惑和奇怪。但这引出了一个重点，我一直强调的一点：宇宙没有义务是简单的。在许多方面，它似乎是简单的，但当你开始深入挖掘时，各种复杂情况就会出现。我们可能希望日常体验（如时间的流逝）是简单的，但自然有其他的计划。
一旦你真正了解了天体运行的机制，你就能真正看到它的美丽以及它如何深刻地影响我们生活中的一切。