如果您曾经了解过地球如何绕太阳公转，您很可能会认为我们的星球沿着椭圆形路径运行，这使得它在一年中的某些时候比其他时候更接近太阳。你也有充分的理由这么想：大多数教科书都是这样显示事物的。

事实上，许多人认为夏天地球比冬天更接近太阳。碰巧的是，在南半球的夏季确实如此，但在北半球的夏季则不然。

在南半球，地球在夏季比冬季离太阳近500万公里，但在北半球则相反。地球与太阳的平均距离为1.5亿公里，季节变化的主要原因是地球倾斜，因此每个极点有时更靠近太阳，有时更远离太阳。

因此，地球轨道与完美圆形的偏差相对较小。但为什么它经常显示为实际上是鸡蛋的形状呢?我们怎样才能看到真实的情况呢?

考虑自行车车轮

为了尝试了解地球和其他行星的轨道有多圆，我决定将地球轨道的形状与普通26英寸自行车车轮进行比较，方法是缩小实际尺寸以适应，并咨询我当地的自行车了解这些偏差对于真正的车轮意味着什么。我对结果感到非常惊讶。

地球轨道的真实形状：接近圆形。长度a是椭圆的半长轴，b是半短轴。远日点是地球距太阳最远的距离，近日点是地球距太阳最近的距离。斯蒂芬·休斯/物理教育,CCBY-SA

轨道比我之前想象的更接近完美的圆形。如果轨道是26英寸(660.4毫米)的自行车车轮，则与完美圆的偏差将小于0.1毫米。这相当于一层薄薄的油漆——肉眼基本上无法区分完美的圆形。

在我发表在《物理教育》上的研究中，我也研究了其他行星。金星和海王星的轨道更接近完美的圆形，金星的轨道偏差仅14μm(一μm或微米是百万分之一米)，海王星的轨道偏差31μm。

具有最小圆形轨道的行星是火星和水星。如果火星轨道是一个26英寸的自行车车轮，那么它的偏差将小于3毫米——如果您骑的自行车的车轮偏差达到这个值，则几乎不会被注意到。

水星的轨道是最不圆形的，偏差为14毫米，尽管这仍然只有2%。

如果你有一辆自行车，它的轮子很可能甚至不如火星轨道那么圆。如果您与路缘石或岩石发生过严重碰撞，您的前轮甚至可能比水星轨道更圆。

一般的物理教科书有点误导性地显示地球绕太阳的轨道看起来像这样。图片来源：StephenHughes/物理教育，CCBY-SA

微小的偏差

有数学头脑的读者读完上面可能会有一个疑问：如果地球距太阳平均为1.5亿公里，这个距离在一年内变化500万公里，那么它的轨道偏差不是应该很小吗?超过3%?

这个问题的答案是太阳并不位于椭圆的中心，而是偏移到一侧作为一个称为焦点的点。如果在形成过程中，一颗行星以适当的速度运行以抵消重力，那么它就会绕圈运行。

然而，在现实宇宙中，行星很少以正确的速度绕一圈运行。有时它们的运行速度更快，有时更慢，这只能通过椭圆轨道来实现。

即将圆满结束

几千年前，古希腊人相信所有天体都围绕地球运行，以完美的圆周运动。

这个想法持续了大约1,500年，直到波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼(NicolausCopernicus，1473-1543年)意识到行星(包括地球)实际上绕着太阳运行。

哥白尼认为轨道是圆形的。后来，德国天文学家和数学家约翰内斯·开普勒(JohannesKepler，1571-1630)意识到自己错了，并提出了行星运动三大定律。

第一定律是行星的轨道是椭圆形的而不是圆形的。第三定律将行星轨道的大小与其所需的时间联系起来，这种方式对我们来说有点太复杂了，无法深入讨论。

第二定律是，如果从太阳到任何给定的行星画一条线，随着行星的移动，这条线将在相同的时间内扫过相同的面积。想想披萨——大披萨的窄楔形可以与小披萨的宽楔形具有相同的面积。发生这种情况是因为行星距离太阳越近，移动速度就越快。

教科书中将轨道画成椭圆的主要原因是为了证明开普勒第二定律。如果地球轨道按照正确比例的图表所示绘制，则不可能看到楔形物有任何差异。

然而，这可能会给人留下地球轨道比实际轨道更椭圆的印象。这样的图表实际上并没有错——它们只是一种夸张，是一种强调重要特征的数学漫画。

尽管古希腊人关于地球位于太阳系中心的观点是错误的，但他们对行星轨道的看法并没有错得太远。所以，请原谅这个双关语，我们已经回到原点了。

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