我们为什么要给月球和火星制定历法？

紫禁城的布局与天上的星辰相对应，是地理与历史交织的坐标。夜幕降临，群星环绕着北极星，向世人诉说着这座皇城六百多年的故事。版权／职爽

时间体系是全人类共通的语言。数千年来，人类仰观天象、俯察日影，在对日月星辰运行规律的长期观察中，构建起一套套精确而富有诗意的时间体系——历法。它不仅服务于农耕节令、航海导航和日常生活，更承载着一个民族的精神信仰、哲学思想与文明记忆。

今天，人类正迈向深空探索的新纪元。登月、火星探测、太空站建设、星际移民……天地往返已从梦想变为现实。然而，当我们的足迹踏上月球、火星，甚至更遥远的地外星球时，那套沿用数千年的地球历法，却不再适用。面对全新的天体环境，我们亟需建立属于地外世界的“新历法”——一种基于当地天象周期、适应真实宇宙物理规律、融合人类文化智慧的全新时间体系。

自2021年中国科学家首次提出“地外时间规则”这一重大科学问题以来，如何为月球制定标准时间？如何构建其他天体星球的历法？逐渐成为了国内和国际热点议题。

本文将以“仰观天象、俯察日影”为主线，追溯地球历法的千年智慧，继而探讨月球和火星历法的构建路径，这也是一个大众和专业人士的共同问题。

/斗转星移在地球

人类有着超过五千年以上的仰观俯察、制历明时的悠久文明传统。

古埃及人注意到尼罗河涨水、退水的规律，将一年划分为三个季节：泛滥季（阿赫特）：约7月至10月；播种季（佩雷特）：约10月至3月；收获季（夏茂）：约3月至7月。他们注意到，每年尼罗河泛滥前，天狼星与太阳总会同时出现在地平线上——这一现象被称为“天狼星偕日升”。通过观察到相邻两次天狼星偕日升的时间间隔，它们得出一年约为365天。由此创制出世界上最早的阳历之一：古埃及阳历。一年定为365天，分为12个月，每月30天，始于“天狼星偕日升”，年末加5天作为宗教节日。

两河流域的巴比伦历法最初是以月亮的朔望周期而制定的阴历，一个月30天或29天，每年12个月，共354天。但这种历法每年比太阳年少约11天，导致季节错位。于是，巴比伦人逐渐认识到太阳年的重要性，并于公元前383年开始采用“十九年七闰法”——每19年增加7个闰月，使得阴历与太阳回归年基本同步。巴比伦人还使用了星期制度并传播到古希腊、古罗马，最终演变为现代的星期体系。

古代历法的形成也与族群定居的地理纬度关联，印度次大陆的古印度人将一年分为六季，即春、热、雨、秋、寒、冬。古印度人通过长期的天文观测，将一年定为360天，12个月，每月30天，但每年存在约5天偏差。

这一划分与他们对月相变化的观察密切相关。为此，古印度人采取“每五年增加一个闰月”的方法来校正误差。他们还通过恒星运动来修正历法，确保与自然季节一致。这种划分方式比其他文明更为细致，体现了对气候变化的敏感。

而中国古代先民在长期的生产生活中，逐渐观察到直立木杆在阳光下会投下影子，并且影子的长度和方向会随着太阳位置的变化而变化。基于对这种“立竿见影”现象的观察，孕育了中国人最早的时间观念和方向感。而从立杆见影到圭表的诞生、发展和应用，是古代天文观测技术逐步完善的重要过程。这一过程也推动了历法、农业以及文化的发展。

最初，先民们是以自身尺度来丈量天地的。盘古开天神话中就有这种“以身为尺”的有趣细节：盘古站在天地之间，“日高一丈，地厚一丈，盘古日长一丈”。

后来人们开始使用固定长度的竿子或石柱，来观察其影子的变化，用以判断正午的方向。这就是“建木”的由来。《山海经·海内南经》：“有木，其状如牛，引之有皮，若缨、黄蛇。其叶如罗，其实如栾，其木若蓲，其名曰建木。”建木的“立无影”特性尤其值得注意。这表明先民已经发现了特定地点（如回归线）在特定时间（如夏至正午）会出现立竿无影的现象。这种对天文现象的精确观察，是建木作为测量工具的科学基础。

由此可见，中国历法的发展始于对日影的观察。盘古、伏羲的传说让我们相信，随着对日影规律的进一步认识，古人开始利用垂直于地面的标杆（表，高度一般为八尺，约1.8米）和水平放置的刻度尺（圭）来测量影子的长度。

在距今约4000年的山西陶寺遗址出土的圭表仪器实物，是目前世界上最早的天文观测仪器，证明了中国古人已经掌握了利用日影测量时间的技术。

通过长期观测，古人发现了日影最长的一天为冬至，最短的一天为夏至，影长居中的两天即为春分、秋分。这四个关键节点，构成了二十四节气的核心骨架。

立杆测影。《钦定书经图说》孙家鼐（清）等编，清光绪三十一年内府刊本。

《尚书·尧典》：“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授民时。”确立了仲春、仲夏、仲秋、仲冬。“帝曰：咨。汝羲暨和。期三百有六旬有六日，以闰月定四时，成岁。允厘百工，庶绩咸熙。”早在尧舜时期，就已经设立了专门负责天文观测和历法制定的官员，这是中国历史上最早设立专职天文官员的记录。尧舜时期已知一年“三百有六旬有六日”为回归年长度。配合闰月调整历法误差，确保农时与季节同步，并通过观测特定星宿位置来确定四季。

此后，到了夏朝，出现了最早的中国历法《夏小正》，记录了每月的物候和农事活动；商朝的甲骨文中也有大量关于天文现象和历法的记录，表明当时已经采用了阴阳合历。周代确立干支纪年系统。《后汉书·律历志中》：“案历法，黄帝、颛顼、夏、殷、周、鲁，凡六家，各自有元。”作证了夏、商期间人们编制和使用了《黄帝历》《夏历》《殷历》《周历》《鲁历》《颛顼历》，这些都是干支历，合称古六历。

而《颛顼历》并不精确，西汉武帝时期已出现“朔晦月见，弦望满亏”的错乱现象。于是，汉武帝令司马迁等改历，随后颁布了由天文学家邓平等人编制的《太初历》，这是中国历史上第一部完整的历法。《太初历》以正月为岁首，融入了二十四节气，设置闰月协调朔望月与回归年之间的差异，开创了阴阳合历的典范。《太初历》不仅统一了华夏大地的历法体系，更奠定了后世农历的基本框架，其影响延续至今，它也是现代农历的编制基础。是中华民族对世界天文学的巨大贡献，在天文学发展史上具有划时代的意义。

东汉末年，刘洪编制的《乾象历》首次引入了“月行迟疾”的概念，考虑了月亮运行速度不均匀的问题；南北朝时期，祖冲之在《大明历》中精确计算出回归年长度为365.2428日（与现代测量值仅差52秒）。

唐代开元十二年（724），著名天文学家僧一行主持全国范围的天文大地测量，在河南、安南、蔡州等地测定日影、北极高度、昼夜长短，是世界史上首次大规模统一测量活动。他运用“不等间距二次内插法”计算太阳位置，推算出子午线长度，编制《大衍历》，达到当时世界领先水平。

元代郭守敬主持“四海测验”，在全国设立27个观测点，南北跨度万余里，测定各地纬度、昼夜长度与恒星位置，测得前人未命名的恒星超过1000颗。最终于1280年完成《授时历》，以365.2425日为一年，误差仅26秒，《授时历》施行长达364年，是中国历史上使用最久、精度最高的历法。其精度与公历（指公元1582年编制的《格里高利历》）相当，但比西方早采用了300多年，堪称古代天文学的巅峰之作。

北京古观象台建于明正统七年 （公元1442年），是世界上现存最古老的天文台之一，也是我国 明清两代的皇家天文台，放置了浑仪、简仪、浑象等古代天文观 测仪器。图为民国明信片上的古观象台，约1910年印制。版权／郭纲

外国历法的发展也经历了漫长的过程，不同时期和地区有着不同的历法体系。除了前述远古历法，最现代的历法是1582年教皇格里高利十三世颁布推行的《格里高利历》，简称《格里历》，即公历。以儒略历为基础改善而来，置闰规则更为精确，使得历法与地球公转周期更加吻合，年平均长度更接近实际的365.2425天。该历法逐渐成为国际通用的历法，被世界上大多数国家所采用，包括绝大多数拥有发达历法的东亚国家。

/月球历法如何诞生？

尽管人类探测月球的活动持续了近70年，但月球上还没有统一的时间规则，当前多数任务仍依赖地球时间系统，通过接收地球导航卫星授时信号，修正差异后来使用。但这只是权宜之计。

相对时间观认为每个独立的质心坐标系应有自己的时间体系，月球表面及其附近属于独立的质心坐标系，应建立月球的时间规则。月球的历法应基于月表观者所见的天体运动周期和准周期现象构建，与地球的“年月日”历法不尽相同。

还有一种观点认为，月球上应拥有自己的独立的时间尺度和计量体系。美国学者运用广义相对论公式推导出了地球标准时间与月球表面时间的关系公式，表明两种时间不是简单的系数修正关系，还包含了太阳、木星等天体潮汐引力影响，以及地球非球形引力摄动的影响。因此，在开展独立地守时/授时，构建月球时间计量体系成为国际上一部分学者努力的方向。

/为何要给月球制定历法？

在月面和月球附近统一时间标准，是月球上通信、导航、定位等人类活动的基础。

“时间计量是国家文明和主权的象征”。2022年11月，欧洲空间局（ESA）启动“月光”（Moonlight）项目，着手研究月球卫星导航和时间系统。美国牵头的阿尔忒弥斯月球探测计划明确提出主导构建月球表面区时或历法的工作。美国白宫科学与技术政策办公室和美国众议院科学、太空和技术委员连续两年要求NASA在2026年底前提交《天体时间标准化法案》草案。在月球探索和开发的国际合作与竞争态势下，拓展我国悠久的历法文明历史并延伸到月球上去，将是中华文明新发展和人类文明新互鉴的“新丝路”。

月球上看到的日出、日落周期特性与地球上大相径庭，不能简单地使用地球上的历法来指导月球面的活动。以往的探月工程虽然已经取得巨大成功，但是使用的时间系统仍然依赖于地球时间计量体系，具有独立性、临时性等特点，且未忽略相对论效应影响，不适用于广泛且长期的月球任务。开发月球资源的时代已经到来，长期的月面活动需要考虑月球表面上看到的太阳、地球和其他天体的运动，来编制适配的历法来反映当地对自然规律的视觉理解、以及对时间的精确掌握。

月球基地想象图

在月球历法制定方面，全球处于刚刚起步阶段。欧美没有单独设计月球历法，而是把天文历法的年月日与物理时间的时分秒合并用于月球。这包括两种技术途径可以实现：一是保持地球与月球使用历法与时间的一致，把地球标准时间连带年月日历法直接用于月球，通过每天的对钟校准地-月时间漂移和差异来实施；其二是使用全球卫星导航卫星星座提供的连续的原子时间，向月球表面和周围传递GPS周、日和时分秒，再转化对应到地球的年月日。

而中华文明对时间历法的理解一开始就注重与自然规律的匹配，追求道法自然、天人合一。来自于文化意识层面的驱动，我国学者注意到了这种替代做法的不足，提出根据月球自然的运动情况，因地制宜地制定适应的历法的建议。这些不足包括地球一昼夜和月球一昼夜时长差距太大，达到29倍多，月球上的一年也不是简单的地球回归年；并且当未来大量的人员前往月球，在月面的活动增多之后，这种替代会带来比地球上同一国家处于不同时区使用单一的参考时间还不方便，也不利于指导日常工作和生活。

国际上关于月球上的历法如何编制使用？依然处于探索阶段。我国学者借助提出地外统一时间体系的机缘，正在倡议构建月球历法。我国的国家计量主管部门在立项月球历法相关论证工作的基础上，发起了针对月球历法需要的月面看到的周期天象的征名活动，推进对月球历法的全民参与。

【 月球历法编制的起步 】

人类在月球上构建历法，是一项集天文观测、时间计量、社会文化与环境适应于一体的系统工程，其复杂性远超地球上的传统历法编制。它不仅关乎技术实现，更承载着文明延展的深层意义。

要建立一套真正适用于月面生活的历法体系，必须从“仰观天象、俯察日影”的传统智慧出发——以可观察、可测量、可延续的自然周期为基石，结合现代科技手段，设计出既科学实用、又富有文化温度的时间框架。

【 什么是“月球历法” 】

参照地球历法的构建逻辑：一个满足连续性、可观测性、均匀性与周期性的自然现象周期（如自转、公转等），及其整数倍或整数等分的时间间隔，即为“计时单位”。当这些单位被约定或法定后，便成为“历法单位”。

在月球上，天体运动规律迥异于地球，人们所见的天象也截然不同。因此，“月球历法”本质上是月表观测者基于本地天体视运动规律所建立的一套时间体系，包括计时单位的设定、周期关系的换算以及历元起点的确定。

月球作为地球的伴星，其自转周期与公转周期高度同步，约为29.5个地球日。这意味着：月球中纬度地区的“昼夜”周期长达近一个月；没有类似地球的“一日一夜”节奏；不存在显著的季节变化，无法沿用“年—季—月—日”的地球结构。因此，直接套用地球的“年、月、日”概念，在月球上既不现实，也不合理。

【 可行路径：从太阴历与阴阳合历起步 】

相较于纯阳历的单一周期依赖，太阴历与阴阳合历（如中国农历）具有更强的适应潜力。这类历法以月亮的朔望周期为基础，通过设置闰月协调朔望月与回归年的差异，具备灵活调整的能力。这种“周期融合+动态修正”的机制，恰好契合月球环境的独特需求。

正如古人“观天授时”，我们今天也可以借助这一智慧，在月球上发展出一种“地月双轨制”的历法模式：以朔望月为中周期，以地月系绕太阳公转为长周期，以“地球标识物重复出现”为短周期参考，形成多层级的时间结构。

【 挑战与应对之道 】

难以开展实地观测。当前所有月球探测任务均未配备专门的原子钟或圭表类设备，缺乏长期稳定的月面时间基准与光学天文观测能力。解决方案：利用已有的高精度轨道数据、太阳位置模型和数值仿真技术，构建虚拟“数字圭表”系统。通过计算机模拟月面日影变化、天体运行轨迹，精准还原月球天象周期，实现“无现场也能观天”。

物理时间与天文历法难以统一。地球导航卫星系统提供持续的原子时信号，可作为“物理时间”的锚点。解决方案：将国际标准时间（UTC）与月球天文周期进行融合。例如，以“地球导航周”为基准，转换为月球历法中的“月日”或“月周”，实现“七曜历法”的现代延伸——让天文周期与原子时精准对齐。

年尺度周期如何定义？这是最具争议的问题：有人认为月球无四季，无需设立“年”；有人主张借用地球回归年；也有人提出以12个朔望月为一年，辅以闰月调节。我们提出一种新思路：以地月系质心在黄道面上完成一次完整运动的周期——即太阳与星空背景相对重叠的周期——作为“月球年”的候选天象，并发起征名活动，邀请公众共同命名这一独特周期。

这是一个开放而充满想象力的问题，答案不必唯一，正应了“百花齐放、百家争鸣”的科学精神。

【 历元起点：以“朔望”为桥 】

在地球与月球三者大致共线的“朔望”时刻——无论是从地球看月球为“新月”，还是从月球看地球为“满地”——这一事件具有时空同步性，是连接两个时间系统的天然桥梁。因此，可将此瞬间设为月球历法的起始历元（历元点），作为所有周期累计计数的起点，如同地球历法以“冬至”或“春分”为元年开端。

月球历法不仅是技术问题，更是文明命题。它要求我们在继承“观天授时”古老智慧的同时，勇于创新，走出地球的惯性思维。

未来的月球历法，不应是地球历法的简单复制，而应该是：以月球真实天象为基础；融合多文化优秀元素；支持长期驻留、资源开发与社会协作；并在必要的时候与地球历法保持某种贯通与互译。它将是人类文明迈向深空的第一个“普适标准”，也是我们向宇宙宣告：“我们在这里，我们有自己的时间。”

/还要去火星

火星历法的测量可以类比地球，通过仰观俯察来实现。人类在火星上设置圭表并编制历法是一项综合性工程，需要结合天文观测、时间计量、社会文化以及环境适应等多方面的考量。

自2000年以来，随着太阳系大行星特别是火星的轨道历表已经被精确测量和预报，以及洞察号着陆器火星探测的成功实施，精确获得了火星自转的数据，这样可以通过科学手段构建精确的火星历表框架。

火星基地想象图

参考地球历法编制火星历法需要充分考虑火星的天文特性、季节变化以及与地球历法的兼容性。通过合理划分时间单位、设置闰年规则、保持周制一致以及引入特殊日期和节日，可以设计出既符合火星特点又便于人类使用的火星历法。

【 火星季节与历法 】

火星的回归年长度比地球长许多，约为687个地球日，668.59火星日。火星上的一天比地球稍长，为24小时39分钟35.244秒。季节变化与地球类似，存在大气环流、夏季的冰雪气化升腾、冬季的大气凝结成冰。火星的季节划分基于其上的两个春分和两个秋分时空点，分别对应北南半球的季节交替。但由于其轨道偏心率较高以及自转轴倾斜，其季节长度和特征与地球存在显著差异。

【 时间单位与计时方法 】

基本单元“秒”仍然选取国际单位制SI定义。从天文时间考虑，火星上的另一个基本时间单位是“sol”（火星日），其长度为24小时39分钟35.244秒，比地球日长约39分钟。为了方便计算和使用，可以将火星日划分为24小时，每小时100分钟，每分钟100秒）。这种十进制设计，避免了传统60进制带来的换算复杂性，更适合自动化系统与数字界面，也便于与地球时间进行换算。

此外，还可引入：

centisols：火星日的百分之一

hemiannum：火星年的一半

zodes：10个“zodes”为一天

xat/tal：更小的时间单位，用于精细调度。

火星没有明显的类似地月双星系统的月球，因此无法像地球一样以月球运行周期为基础划分月份。然而，可以借鉴黄道十二宫的命名方式，将火星年划分为24个月，每个月以黄道星座命名。

【 初步设计思路 】

为了便于理解和使用火星历法，可以采用类似公历的结构。例如，将火星年从春分开始，引入起始点对应地球上的1970年4月28日22时（最早的成功的火星探测时间）。此外，可以将火星日期与地球日期进行换算，例如通过Julian Date（儒略日）或Mars Sol Date（火星太阳日期）来实现。

火星年可以划分为24个月，其中前五个月每两个月有28个火星日，后五个月每两个月有29个火星日。这种划分方式使得火星年与地球年在长度上更加接近，同时也方便了跨年日期的计算。

多项研究也提出了火星历法的设计方案。例如，Leon G. Heron提出了一种基于“sol”（火星日）的简单易懂的日历系统，在火星上也考虑设置周计量，火星一周可以设置为7天，与地球周制保持一致。这不仅便于日常生活的安排，也方便与地球历法的对比和换算。将火星年分为95周，每周7天，每年插入3到6个闰日以保持日历与季节同步。此外，还有基于火星轨道位置的历法设计，例如通过火星太阳日（LS）来标记时间，并结合春分点的位置确定年份。

火星历法的一个关键点是季节划分。由于火星轨道偏心率较大，其季节长度差异明显。冬季和夏季持续时间较长，而春季和秋季较短。因此，历法需要灵活调整闰日或闰月以保持季节与日期的一致性。也可以根据季节变化或气候特点来划分月份，例如将一年分为四个季节，每个季节包含六个月。

鉴于火星年长度约为687个地球日，为此也需要引入闰年规则以保持季节与日期的一致性。例如，每10个火星年中约有6个闰年，闰年会多出一天。具体来说，可以将闰年设置在每100年或更长周期内进行调整，以确保火星历法的准确性。也可以在火星历法中设置一些特殊日期和节日，例如春分、夏至、秋分和冬至等节气。这些日期可以与地球上的节气相对应，并结合火星季节变化的特点进行调整。

【 虚拟仿真圭表的作用与设计 】

在古代地球，圭表被广泛用于观测太阳影子以确定时间和季节。在火星上，圭表可以用来测量太阳影子的变化，从而确定季节和时间。在实际可以设置圭表之前，使用火星的历表、太阳历表、火星地形地貌模型和自转参数，在火星上指定地点假想一个圭表或圭表阵列，就可以构建一个基于已有人类认知的火星表面圭表仿真模拟装置，模拟指定时刻的火星上圭表位置的星体运行和日影变化，进而得到仰观俯察的统计信息，用于精细的火星历表的设计和编制。

【 实际应用和社会文化意义 】

火星历法不仅是一个技术问题，还涉及社会文化层面，既可以适用于日常生活的安排，还可以用于科学研究和任务规划。例如，在NASA的火星任务中，科学家们已经使用了基于火星轨道周期的合相历法（Martian Synodic Calendar），这种历法通过调整周期来保持与季节的一致性。也有研究建议为火星历法中的月份和日期命名，以反映火星的地理特征或历史背景。当然还可以融入宗教和民事节日，为火星居民提供文化认同感。

地球上最接近火星环境的地区，或许是北欧。北欧古代历法以月相为基础，结合农耕、狩猎与宗教仪式，将一年划分为两个大季：夏季与冬季。

夏至与冬至被视为神圣时刻，直接影响农作物播种与动物迁徙。尽管现代北欧国家已采用格里高利历，但古老的节令仍在节日中延续，如“圣约翰节”（Midsummer）、“冬至灯会”等。

无论在地球还是火星，时间从来不只是数字，更是生命的节奏与文化的记忆。因此，火星历法不应只是“功能性的工具”，更应成为火星居民的精神坐标。

—— 本文选自《中国国家天文》2025年第9期

来源：中国国家天文

编辑：Wonder

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