当然我们不是说那个时代的人已经学会观察天象并掌握其变化规律了。年的交替是地球绕太阳公转运动的周期。在那样的时代（大约是新石器时代）不但没有观察天体运动规律的科学水平，而且也根本不知道地球是绕太阳在运动。“地动说”是近代波兰天文学家哥白尼在17世纪才提出来的。
因此我们可以认为原始人类认识年，最早不是根据天象，而是根据大地上各种自然现象：河水泛滥，草木枯荣，鸟兽迁徙，寒暖交替，等等。即使在今天，有些农民根据这些自然现象判断季节，相差也不会太大。这些自然现象统称方“物候”。
我国古代劳动人民在长期的生产活动中积累了大量观察物候的经验。在古籍《夏小正》中，已经有了丰富的物候描述，其中有一段说：
正月，雁向北飞，鱼儿上浮，田鼠出洞，桃树开花；二月，开始种黍，羊儿产羔，堇菜发芽，昆虫蠢动；三月，桑叶萌发，杨柳抽枝；四月，杏树结果，沟河田间有蛙鸣；五月，杜鹃啼，蝉儿叫，夏瓜结果；六月，桃子熟了，小鹰正学飞；七月，雨季到来，苇子长成了；八月，瓜熟季节，枣儿也下来了；九月，大雁南迁，菊花盛开，鸟兽准备过冬；十月，乌鸦乱飞，准备狩猎；十一月，鹿角秃了，狩猎开始；十二月，昆虫潜入地下，鸢鸟在天上飞鸣……。
我国古代关于物候的记载还有很多，几乎每个民族都有自己的《夏小正》。这些物候观察最初纯属直观的。但是，在大量的直观观察基础上，古人必然会开始思考这些物候的变化规律，从而逐步形成年的概念。
当然各个民族，由于他们生活的环境不同，观察对象不同，产生“年”这一概念所依据的物候现象也就会各不相同。例如《魏书》中描述岩昌羌族的习俗时说：“俗无文字，但候草木荣枯以记岁时。”我国古代对年也有不同的叫法（即使现代也是如此）。《尔雅·释天》中对年的解释说：“夏日岁，商曰祀，周曰年，唐虞曰载。”《魏书》中所说的“草木记岁”，也就是记年。
另外生活在我国北方草原上的古代蒙古族人民，则干脆以牧草一青为一年。他们把几岁叫做“几草”，或“草青几度”。
古代的物候观察一般比较粗疏，加之气候变迁，所以即使是同一地区，物候现象也会因时而异，不能适应农牧业发展的需要，这就促使古人慢慢学会利用天象变化纪年。
四季的划分
认识了年以后，古人在劳动实践中又对年进行了细分。一分为二，二分为四，产生了四季。
我们现在称春夏秋冬为四季，古人则称它为四时。早期的四时划分是人为的。春暖，夏热，秋凉，冬寒，在各个地区并不一样。世界上，有的地方分两季：旱季和雨季；有的地方分三季：雨季、冷季和热季；个别地方甚至分为六季。但是春、夏、秋、冬四季之名却在全世界普遍使用。
我国古代四时划分最初来源于“四方”。《管子·四时》篇中有这样的说明：
东方曰星，其时曰春南方曰日，其时曰夏西方曰辰，其时曰秋北方曰月，其时曰冬在外国，最早对年进行四分的是古希腊。古希腊人以昴星团和大角星的升落为标志，将一年划分为春夏秋冬四季。
随着天文学的发展，大约过了许多世纪，人们才逐步把四季同太阳周年视运动联系起来。
我们知道，太阳是一颗恒星，地球绕着太阳在运动。地球的运动包括两部分，一是自转，二是公转。自转一周是一天，公转一圈为一年。我们生活在地球上，觉察不出地球的运动。晚上看到星星在天空中运动，白天看到太阳在天空中运动。天文学上把这种看上去的运动称为视运动。
仔细观察太阳的视运动情况，你会发现太阳除了每天东升西落外，还有一种在恒星背景上的运动。这种运动经过一定时间，使太阳自身在群星之间绕行一圈，然后又回到原来的起始位置。它反映在天球上，就是太阳在天球上画了一个大圆。这个大圆叫做黄道。黄道和赤道在天球上相交于两点，一个叫春分点，一个叫秋分点。在黄道上，同春分点和秋分点相对的还有两点，即夏至点和冬至点。太阳在黄道上的运动叫太阳的周年视运动。如果以春分点作为起算点，太阳沿黄道运动一圈又回到春分点的时间，就是一个回归年。
太阳在黄道上运动时，每年在阳历3月21日前后从天球的南半球通过春分点进入北半球，此时地球上昼夜的时间相等。在6月21日左右，太阳到达夏至点，这时地球上北半球中午的太阳高度最高，白天的时间最长。在9月23日左右，太阳又由天球的北半球通过秋分点进入南半球，地球上昼夜时间再次相等。在12月22日左右，太阳到达冬至点，地球上北半球中午的太阳高度最低，白天的时间最短。地球上的季节，由春到夏，以至秋冬，暑往寒来，循环不已，就是由于太阳这种周年视运动引起的。
四季以两个分点（春分点和秋分点）和两个至点（夏至点和冬至点）作为每一季节的中点。
冬至到春分的中点是春季的开始，称为“立春”。其他各季，依此类推。
研究历法的意义
由于生产和生活的需要，早在古代人们就渴望了解并掌握昼夜、月相和季节的变化规律，以及更长的时间计量方法。世界各文明古国很早就开始根据天象观测制定历法。现在我们已经知道，日有恒星日、真太阳日和平太阳日之分，月有恒星月和朔望月之分，年有恒星年和回归年之分。
历法中，我们应该选择哪种年、月、日作为标准呢？
古代人用真太阳日作为“日”的长度，但真太阳日忽长忽短，不适合作为计算时间的单位。恒星日虽然较均匀，但却与人们的生活关系不大。人们的日常生活和太阳的出没、昼夜交替密切相关，如人们常说的“日出而耕，日落而息”，正反映的是人类对太阳的依赖。而恒星日的开始却不定，春分那天是从中午开始，而秋分那天却从半夜开始。于是人们总结并设想出了一个平太阳日，这就是直到今天我们仍在使用的基本时间单位。虽然现在我们知道恒星月是月亮绕地球公转的真正周期，但是它与我们的日常生活没有什么联系，自古以来能引起人们密切关注的是朔望月。月亮的圆缺盈亏不但显著，而且与人类的夜间活动、与潮汐的变化等有着密切的关系，朔望月因此也就自然成为比日更长的计时单位。比月更长的计时单位，恐怕怎么也不能忽略四季的周期变化。农作物的种、收等与人类生活息息相关，与此对应的只能是根据太阳得到的回归年而非恒星年。由于历法中所用的日、月、年都并不准确地等于真太阳日、朔望月、回归年，我们就称它们为“历日”、“历月”、“历年”。
时间的标准长度单位已经确定，只需进一步精确即可。但编制历法仍然困难重重：如何使每一天不同于其他任何日期，以便记录各种事件发生的顺序；如何根据历法预告寒暑的来临、月相的变化……这里最困难的恐怕是规定1年中的月数、1月中的日数，因为日、月、年之间没有最大公约数，1回归年为3652422平太阳日，1朔望月为295306平太阳日。如何使编出的历法中年的长度等于回归年，月的长度等于朔望月，而且使用方便、容易记忆……这些要求实际上是无法同时满足的，但如果处理不当，长期积累下去势必破坏月份与季节、日期与月相的一致性。今年2月可能瑞雪纷飞，过多少年后就可能成了梅雨绵绵；今年八月十五是中秋节，过一段时间后可能八月初一月就圆了……使用这种寒暑倒置、朔望失常的历法，对我们的生活极为不便。所以，怎样根据日、月、年之间的实际关系，进行适当的调整与安排，使日序的进行既能符合自然现象的节拍，又能适应人类的生活规律，并尽，可能地工整、简便、易记、易用，的确是门学问。
今天在世界上大多数国家通用的公历与历史上各国的旧历相比，无疑是当前处于先进地位的历法。但公历也仍存在着许多不尽人意的地方，比如每月的日数不一，闰日过多（每4年便有一闰，400年中，闰日多达97个），这对推算过去、将来的日期均有不便。近百年来，世界上曾有许多科学家在探求改历的方法，1910年还在伦敦召开过“世界改历会议”。至今所见改历方案已达百多种，但仍未见一部公认最科学、最实用的新历。改历之所以如此困难，是因为日历受着天象运行的严格约束。现在新测算出的回归年的长度为36524219879平太阳日，虽然这小数点后的尾数已经难倒了众多科学家，但也许又一个更容易推算、记忆，用上万余年也不会出现天象错步的新历方案正在悄然形成之中。
天文与历法直立的竿子与日历
在乎地上垂直插好一根竿子，请你猜猜看它是用来做什么的？当然，可以用它拴绳子晒衣服，也可以挂黑板写通知。但是，我们却有一个非常特别的用处，就是用它来测影子！
测影子是怎么一回事，一说就明白。在我国大部分地区，每当晴天中午的时候，各种物体都有一个向正北投下的阴影。当然这对于竿子也不例外，它也有一条清晰的影子留在地面上。如果这根竿子长年不动，你又经常在中午时候去看影子，那么你一定会发现，竿影的长度一年四季总在变化：夏天很短；冬天很长。如果观察得更仔细些，你还会发现，夏天总有一天竿影最短，而冬天总有一天竿影最长。这两天，我们祖先早给它们起了一个名字，叫做“日至”。关于日至的记载在甲骨文中就已经有了。到了春秋时期，用这种测影方法决定“日至”已经很普遍了。那时的一本名叫《周礼》的古书中说：“以土圭之法，测土深，正日景，以求地中。日南，则景短多暑；日北，则景长多寒。”这里所说的“土圭”，就是用玉刻成的一把尺子，把它放在地平面上可以量出竿影的长短。这里的“景”就是现在的“影”字。这段文字的大意是：用土圭来量测中午时的日影，可以定出大地的中心。暑天日影短而日在南，寒天日影长而日在北。这样古时又把日至分为两个：一个叫日南至或夏至；一个叫日北至或冬至。但是，夏至和冬至究竟发生在哪一天呢？另一本反映春秋时代的古书《周髀算经》上说得很明白：“周髀长八尺，夏至日晷一尺六寸，……冬至日晷丈三尺五寸。”这里的“周髀”，就是前面说的竿子或柱子；“晷”就是日影。这个柱子立在河南省登封县境内，至今仍有它的遗迹。这段话的意思是说，立一个8尺长的竿子，如果有一天中午的竿影长1尺6寸，则这一天就是夏至；若影长是1丈3尺5寸，则这一天就是冬至。就是用了这个简单而科学的方法，我们的祖先很早就知道了“年”的长度——从夏至到夏至或从冬至到冬至。
在记载我国上古时代历史的《尚书》中有一句话：“期三百有六旬有六日，以闰月定四时成岁”。这说明在上古时一年的长度就定为366天了。后来到《周髀算经》时，又有了新的认识。书中一段记载说：“于是三百六十五日，南极影长，明日反短，以岁终日影反长，故知之，三百六十五者三，三百六十六日者一。故知一岁三百六十五日四分之一，岁终也。
”这是说，用周髀测影法决定1年的长度，在连续4年的观测中，有3年的年长为365天，而有1年的年长为366天。因此平均起来，年的长度为365又四分之一天。
这个数字在历法中有着极其重要的地位，我们在以后的介绍中要经常提到它。
“年”的概念的建立使人类在计时方面跃进了决定性的一步，在“月”的基础上又出现了更长的计时单位“年”。至此，制历的基本要素——年、月、日——都已齐备，各种历法也就是在这种条件下发展起来，日臻精密。
随着时代的进步，原始的土圭被代之以更精美更科学的天文测量仪器——“圭表”。这种仪器由两部分组成：一个垂直的铜柱或石柱，叫做“表”；另一个平放的铜尺或石尺，叫做“圭”。把圭尺置于南北方向上，圭尺南端装上垂直的表，就可以用它借测影法定出一年四季和节气的发生时刻。秦汉以来，我国历代都制作过这种圭表。至今保存下来的尚有两架：一架是明代正统二年（公元1437年）制造的，现存放在南京紫金山天文台；另一架是在江苏出土的东汉时期的小铜圭表，表和圭以轴相连，用时把表竖起，不用时放平，全长只有345厘米，携带很方便，是一件很珍贵的古代文物。
假想的天球
从现代天文学的角度来看，年、月、日的本质是什么？对古人已观测到的天象又如何解释？
在晴朗的夜晚，当我们仰望那布满星辰的夜空时，总会感到似乎有一个巨大的半球罩在我们的头上。而当你较仔细地观察星空的变化时，你会发现整个星空像绕着一根无形的轴在无声地转动着。长期的观察和实践使人们产生，一个概念，即以观测者为球心，以非常长的半径做个球，那么观测者所看到的星空变化等情况就都能得到较好的解释。这个假想的球就叫做天球。恒星都固定在天球的球面上，随天球从东向西转，这就说明了星辰的东升西落。但是也有的星看起来整夜都不转动，如北极星，这是因为它正好位于天球的北极点上，天球的旋转轴正好穿过它。这样有了天球的概念，就方便多了。其实现在我们知道，这个假想的天球的转动不过是地球自转的反映罢了。地球每天绕着地轴由西向东转动。相对来说，如果观测者以为自己不动，那就必然看到地球周围的星辰相反地由东向西转动，因而也就产生了天球由东向西转动的概念。根据这个道理，我们容易明白，天球的转动轴实质上就是地球自转轴的延伸，而天球的赤道也就是地球赤道面和天球面相交的一个大圆。
天球与真太阳日
现在，我们看看对于某个地点的观测者天球周日旋转的情况。把通过某地点的垂线向上下两方无延长，它与天两点。其中有一点叫做天顶点，另一点叫做天底点。把通过某个地点的地平面无限延长，与天球相交成一个大圆，这个大圆就叫做真地平。通过的大圆又和真地平相交。这个大圆叫做天子午圈；这个点叫做南点，另一个点叫做北点。天赤道圈和真地平也交于两点。一点叫做东点，另一点叫做西点。现在我们可以明白，如果点的观测者认为自己不动，那就意味着天顶点，真地平和东、西、南、北四点都不动。这时，讨论天球的旋转，就意味着天球绕轴由东向西相对于这些不动点、圈做旋转。假设有一个星正好位于天赤道上，那么由于天球周日旋转，它将在东点升出地面，然后逐渐升高。当它通过天子午圈时高度最大，这在天文学上叫做上中天。上中天后，它逐渐西落，直到西点处没人地面。如果另一星不在赤道上，则它周日运动的路径是小圆。虽然也是东升西落，但它的出升不在东点，而在另一点；降落也不在西点而在另一点。