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地球的形狀並非正圓球，赤道略微突出，赤道的直徑比南北方向的直徑長43公里。在太陽和月亮重力的牽引之下，地球像是一顆巨大的陀螺，除了自轉之外，它的轉軸也在繞圈晃動，但一直保持和黃道面的23.5度交角，只是指向不停地變動而已。在力學上，這個現象稱為進動 (procession)，地球進動運動的週期約是26,000年。
隨著地軸指向改變，"極星"也會變革。五千年前，天龍座右樞星 (Thuban) 是當時的"北極星"。現在的極星─北極星 (Polaris) 與地軸之間相距1度。再過12000年後，明亮的織女星將是當時的極星。地軸的延伸線在天空畫出一個圓圈，各時期的極星基本上是距地軸最近的亮星。
"歲差" 是什麼呢？在古中國的曆法上，歲差是指「冬至點」在恆星間西移的現象。希臘天文學家伊巴穀斯 (Hipparchus)，在西元前第二世紀發現了歲差現象。中國發現歲差的第一人是南北朝的虞喜 (大約在 330AD左右)，但將歲差的因素，列人編曆的考量的第一人是《大明曆》的編著者祖沖之。
讓我們進一步探討歲差對曆法的影響。編曆工作的重要數據之一是回歸年 (tropical year) 的長度，它是從上個春分點 (或冬至點) 到下個春分點 (或冬至點) 所經過的時間。我們也可以選一顆很遙遠的恆星作為參考點，而定義一年為從地球看出去，太陽連續兩次通過 "地球-太陽-恆星連線" 所經過的時間，這就是恆星年 (sidereal year)，恆星年長度為 365.2564天。由於地軸的進動，太陽公轉還沒有回到前次的位置，就遇到春分點，所以回歸年較恆星年短，只有365.2422天，也就是比恆星年短20分24秒。如果編曆者使用恆星年編曆，而未把歲差的因素列入考量，而且後來也未再編新曆法，經過12000年後，北半球的七月就會變成冬天了。
中國的古曆在《大明曆》皆未算入歲差，所以需要頻頻改曆，以維持曆法的正確性。
歲乃年也，歲差就是年差，就是恒星年與回歸年的時間之差。通俗地說，眾所周知，地球類似於陀螺，繞地軸自轉。陀螺旋轉時不一定精確地平行於地面轉動。由此陀螺兩邊所受重力不平衡而搖動甚至停下。地球也是如此，這就造成了“歲差”。
歲差即為地球自轉軸的進動引起春分點位移的現象引。在日、月的引力作用下，地球自轉軸的空間指向並不固定，呈現為繞一條通過地心並與黃道面垂直的軸線緩慢而連續地運動，大約25800年順時針向（從北半球看）旋轉一周 ， 描繪出一個圓錐面 。此圓錐面的頂角等於黃赤交角 （23.5°26′21″） 。 於是天極在天球上繞黃極描繪出一個半徑為 23.5° 的小圓， 也使春分點沿黃道以與太陽周年視運動相反的方向每 25800年旋轉一周 ，每年西移約 50.3 ″。 這種由太陽和月球引起的地軸的長期進動（或稱旋進）稱為日月歲差。此外，在行星的引力作用下，地球公轉軌道平面不斷地改變位置，這不僅使黃赤交角改變，還使春分點沿赤道產生一個微小的位移，其方向與日月歲差相反，這一效應稱為行星歲差。行星歲差使春分點沿赤道每年東移約0.13″。日月歲差和行星歲差的綜合作用使天體的座標如赤經、赤緯等發生變化，一年內的變化量稱為周年歲差。此外，根據廣義相對論，旋轉物體的自轉軸會在空間產生相對論性進動，稱為測地歲差。地球的測地歲差為1.98″／世紀，方向為逆時針向。地球赤道與其公轉的軌道“黃道”並不重合，他們所在的面的交點就是春分點和秋分點。太陽從春分點回到春分點的時間叫做回歸年，地球公轉一年所需時間叫做恒星年。回歸年比恒星年短約20分鐘，為地球運動時收其他天體引力作用使地軸發生週期性變化所致。
由於歲差使得隨著時間的推移，北天極在恒星間不斷改變位置。現在的北天極是北極星，而根據我國古書記載，在西元4600年前的“北極星”是天龍座的右樞星。在14000年之後，織女星將雄踞成為那時的“北極星”。
由於歲差也使同一顆恒星的位置，隨著時間的變化而發生變化。西元前150年前後，古希臘天文學家、西方古代天文學創始人喜帕恰斯就是從比較他觀測的星表和前人的星表中，發現了歲差。我國古代天文學家虞喜也在西元330年，獨立發現了歲差並加以精確的測定。
自轉：地球依「自轉軸」順時鐘方向旋轉，一日(二十四小時)行一週期，稱為「自轉」。
公轉：地球依固定軌道逆時針方向繞行太陽，一年(365又4分之1日)行一週期，稱為「公轉」。
黃赤交角：地球繞行太陽的軌道稱為「黃道」。赤道平面與黃道平面的交角稱做「黃赤交角」，為23.5°。黃道在赤道內外各半。冬至之日，黃道出赤道外（南）23.5°，離北極最遠，日出辰，日入申，所以時逢寒冬，夜長日短。夏至之日，黃道入赤道內（北）23.5°，離北極最近，日出寅，日入戊，所以時逢盛夏，日長夜短。春分和秋分正分處於黃赤交角兩個點上，即兩極之中，日出卯，日入酉，所以時逢寒暑適中，晝夜平均。
[歲差現象]
北天極：北天極(南天極也是如此)是地球的自轉軸(也叫地軸)無限延長(就成為了天軸)於天球上的投影。由於地球繞地軸自轉，因此，似乎天球也繞著天軸做周日旋轉。在視覺上，北天極就仿佛是宇宙旋轉的中心，成為天球上一個極其重要的參考點。而距離北天極最近的恆星，則稱為「北極星」。
歲差：地球一面繞「自轉軸」自轉，同時自轉軸也在天空中繞著另一軸(北黃極)旋轉，約26,000年(實際為25,826.53年)行一周期，在天文學上稱為「歲差現象」。歲差在天文觀測上表現為兩個方面：一是黃道和赤道的交點：春分點和秋分點沿黃道向西移動；一是北天極在天空慢慢移動，因此代表北天極的北極星會隨時空的不同不斷變化。
注：計算金字塔的底面積時，它的對角線總長25,826.53英吋，恰好對出25,826.53年的天文歲差。
公元前1000年左右，北極五星中的「帝」星(小熊座β星)最接近北天極，為兩周時代的北極星。漢唐時期，北極五星中的天樞(鹿豹座32H星)成為了北極星。元明以來，勾陳一(小熊座α星)才成為北極星，也就是今天的北極星。 公元4000年將由仙王座γ星擔任北極星，公元7000年將由仙王座α星擔任北極星，公元10000年將由天鵝座α星擔任北極星，公元14000年將由天琴座α星(織女星)擔任北極星。
注：天文歲差現象在物理學上稱為「進動」(Precession)，意思是自轉物體之自轉軸又繞著另一軸旋轉的現象，又可稱作旋進。常見的例子為陀螺，當其自轉軸的軸線不再呈鉛直時，會發現自轉軸會沿著鉛直線作旋轉，此即「旋進」現象。
