追溯天文学起源

第一节　追溯天文学起源

中国古代的天文学并不完全是现代意义上的天文学，还包含着一些地学、地理学方面的知识。因此，它实际上是一门观天测地的学问，取得过非常巨大的成就，主要表现在历法、宇宙观、天象观测等方面。

中国古代的天文学成就包括阴阳历法的制定，天象观测，天文仪器的制造和使用以及构造宇宙理论。大概到了汉代，我国即已形成了自己独特的天文和历法体系，特别在天象观测记录的丰富性、完整性方面，中国一直走在世界各文明古国的前列。

作为一个农业大国，制定历法是一项极为重要的工作。我国人民很早就认识到，要正确地制定历法就需要仔细地观测天象，制历必先测天，这个极为先进的制历原则在汉初即已确立。中国传统的历法是阴阳合历，即既考虑月亮运动（阴历）又考虑太阳运动（阳历）。它的三个基本要素是日、气、朔。气即二十四节气，按太阳运动编制，是阳历成分。朔就是月亮被地球完全挡住阳光变得不可视的时间，两朔之间称为一个朔望月，所以朔是阴历成分。由于日月运动的不均匀性，连续两个朔望月的长度是不相等的，经长期观测推算出来的平均长度称为平朔，对平朔进行修正所得到的真实的长度称为定朔。将日、朔望月与二十四节气编制到一起是中国历法的主要工作。

早在战国时期，中国就出现了以365天为1年的所谓“四分历”，它以为一朔望月，19年设7个闰月。公元前104年由汉代天文学家邓平、落下闳等创制的“太初历”是现存最早有详细记载的历法，它典型地反映了我国历法的特点：除保持上述四分历的基本数据外，还规定以冬至所在的月固定为11月，正月为岁首，以没有中气（即从冬至开始每隔一个气如大寒、雨水、春分等为中气，其余为节气）的月份置闰。这些规定很好地调整了阳历与阴历的关系。以后，在天象观测的基础上，历代天文学家不断修正回归年长度、朔望月长度、置闰规则，使历法不断改进。据统计，我国历代编制的历法近百个之多，反映了天文历法事业的发达。中国的天文历法工作为皇家所重视，中国传统思想中“天”享有至高无上之地位的观念使天文学受到了很高的礼遇天文学家本人即是政府高级官员，他不仅“敬授人时”，而且揭示“天”行之道，不仅为农业生产服务，而且为皇帝“天”子服务，这种特殊的地位可能是中国天文学比较发达的重要原因。

与制定历法工作密切相关联的天象观测工作，构成了中国天文学的主要内容，在恒星、行星、日月和异常天象观测方面，我国都有杰出的成就，特别在日月运行规律的发现以及异常天象的观测与记录方面，尤为突出。

在恒星观测方面，我国有世界上公认最早的星表“甘石星表”（公元前4世纪）。到了汉代可能已有了星图，从敦煌石窟中发现的一幅唐代绘制的星图载有1300多颗星。北宋时期于11世纪初进行了五次大规模的恒星观测，但当时绘制的星图均已失传。现存苏州的南宋石刻天文图（刻于1247年）被认为是按1193年的一幅星图刻制的，上面刻有1434颗星，是世界天文学史上珍贵的文物。因为除中国外14世纪之前的星图都未保存下来。

在日月行星的观测方面，长沙马王堆汉墓中出土的帛书《五星占》详细记录了公元前246年到前177年间金星、木星和土星的位置，记载金星的会合周期为584．4日（今测值583．92日）。特别对于日月食的观测记录，是我国天文学的一大特色。

《汉书·五行志》对公元前89年的日食的记载非常详细，包括太阳位置、食分、初亏和复圆时刻等。

从汉初到公元1785年，我国共记录有日食925次，月食574次，堪称世界之最。在异常天象的观测记录方面，早在《汉书·五行志》中记录了公元前28年3月的太阳黑子现象；《汉书·天文志》记载了公元前32年10月24日的极光现象；马王堆出土的29幅彗星图表明当时对彗星的观测已非常细致，不仅注意到彗头、彗核和彗尾，而且还知道彗头和彗尾有不同的类型；《汉书·天文志》还记载了公元134年的一颗新星。所有这些异常天象记载都是世界上最早的记录。此外，在太阳黑子、新星、超新星等方面，我国都留下了世界上最为丰富的观测记录。

中国天文观测历史悠久，其观测仪器也独具特色。大约在西周时代，中国天文学家已开始使用漏壶记时，而浑仪和浑象是我国传统的天文观测仪器，有据可考的最早的制造者是西汉的落下闳。

浑指圆球，浑仪是由一系列同心圆组成的一种仪器，往往还加上窥管，以做实际观测用；而浑象则是一个球，上面刻上各种特征天象，用以演示实际天象。浑象和浑仪又统称浑天仪。东汉的著名科学家张衡在前人所造浑象的基础上，制成了漏水转浑天仪，它是由潜心壶和浑天仪共同组成的。

浑天仪是一个上刻有二十八宿、中外星官和黄赤道、南北极、二十四节气等的铜球，它被固定在一个轴上转动，其转动动力由漏壶的流水提供，这样可以模拟星空的周日视运动。

张衡以后浑天仪朝更加精致和准确的方面发展宋朝苏颂（1020－1101年）等人制造了第一台假天仪，它类似现代的天文馆中的天象厅，人们可以进入里面仰面观看模拟的天象。

浑天仪的制作基于某种宇宙理论。自远古以来，我国人民相信宇宙的基本结构是天盖地承，将这种看法精致化就成了一种盖天说的宇宙理论，它主张天和地是两个同心半球，之间相距八万里，北极是天球的中央，日月星辰绕之旋转。

盖天说比较符合人们的常识直观，但不能很好地解释精确观测到的天象，因此后来又有浑天说和昼夜说出现。

浑天说的代表人物张衡认为，天不是一个半球形，而是一个完整的球，地球处天球之中，如同蛋黄居鸡蛋内部一样，恒星处在天球之上，而日月五星则游离于天球附近。采用浑天说可以更好地解释天象，并且被用于计算天体的位置，是球面天文学的原始形式。

与浑天说对立的是所谓宣夜说，它反对有什么固体天球，主张宇宙处处充满无边无涯的气体，日月星辰在其中漂浮游动。宣夜说的“气”论支持宇宙无限的观念，但与天文观测无法衔接，只是一种思辨的哲学理论。

张衡与天文学

在前面我们已经介绍过中国秦以前的天文学思想和成就。这里我们主要介绍秦以后中国天文学方面的发展。

秦统一中国以后，在全国颁行统一的历法——颛顼历。颛顼历行用夏正，以十月为岁首，岁终置闰。汉武帝时，国力强大，农业、手工业得到了较快的发展，汉武帝决定实施历法改革。他于元封七年（公元前104年）五月颁行邓平、落下闳等人创制的新历，改此年为太初元年。新历因而被后人称为“太初历”。

《太初历》是中国第一部有完整文字记载的历法。后来由于太初历的回归年和期望月的数值偏大，《太初历》用了188年以后，在东汉元和二年（公元85年）又改用《四分历》。

东汉时期，中国出现了一位多才多艺的科学家张衡，他在科学、哲学、文学、绘画等多个领域做出过杰出的成就。如果就全面发展这方面而言，也许只有1000多年后欧洲文艺复兴时期的巨匠级人物达·芬奇可与之相提并论。不过西方称张衡为“东方的亚里士多德”。

张衡（公元78－139年），字子平，河南南阳西鄂（今河南省南阳县石桥镇）人。幼年时家境比较贫寒，靠亲友接济维持生活。但艰苦的生活磨砺了张衡的意志品质，他从小就好学不倦，博览群书，为后来从事科学研究打下了坚实的基础。

17岁时，张衡离开家乡，到西汉故都长安及其附近地区考察历史古迹，调查民情风俗和社会经济情况。后来又到京城洛阳参观太学求师访友后回到南阳担任南阳太守鲍德的主簿。

在此期间写了《东京赋》和《西京赋》，成为中国文学史上的名篇，一直流传至今。安帝永初二年（公元108年）鲍德调离南阳后，张衡去职留在家乡，用了三年时间钻研哲学、数学、天文，积累了不少知识，声誉大振。永初五年，张衡再次来到京城，担任郎中与尚书侍郎。元初二年（公元115年）起，曾两度担任太史令，前后共14年，其在天文学上的成就就是在这期间取得的。

前面我们已介绍过，中国古代的宇宙结构理论主要有三个：盖天说、浑天说、宣夜说。张衡是浑天说的代表人物。

他认为：天好像一个鸡蛋壳，地好比鸡蛋黄，天大地小；天地各乘天而立，载水而浮。为了进一步形象地说明自己的学说，张衡设计制造了水运浑天仪。浑天仪相当于现在的天球仪，设计构思非常精巧，主体是一个大球，用一根铁轴贯穿球心，这根铁轴就相当于地球的自转轴，轴与球的两个交点则相当于地球的南北极。

仪器靠漏壶流水的力量推动齿轮，带动大球缓慢地旋转，一天刚好转一圈。到了晚上，人们从仪器上可以看到星星的起落，和实际天象几乎完全吻合。浑天仪不仅是我国，也是世界上第一台能比较准确地表示天象的仪器。

为了及时准确地了解各地发生地震的情况，张衡还发明了世界上第一台测定地震方位的仪器——候风地动仪。而欧洲是在18世纪后才出现地动仪。著名科学史家李约瑟称张衡是“地震仪的鼻祖”。

据记载，张衡的地动仪非常灵敏，它探测到了公元138年在甘肃发生的地震。但可惜的是，张衡的地动仪和浑天仪都失传了。后人依据文字记载，多次欲复原地动仪，但效果都不理想，可见当年张衡的天文学和设计制造水平之高。

另外，张衡最先正确地解释了月食的成因，认为月食是由于月球进到地球的阴影里的缘故；他还首先指出了月球本身不发光，月光是太阳光照射到月球上后反射所形成的。

张衡的天文学思想和理论都集中在他的著作《灵宪》中。《灵宪》是一部世界天文学史上的不朽名著，把中国古代的天文学水平大大地向前推进了一步。它从哲学的高度，全面阐述了天地的生成结构及日月星辰的运动。张衡认为：天地的生成是按照事物本身的客观规律发展逐步形成的。这种宇宙和天体演化的思想在当时是非常先进的。

从中国天文学史来看，到张衡那里，中国古代天文学的各项内容大体均已具备，一个富有特色的体系已经建立起来。

地球子午线的测量

中国古代天文学在汉代体系形成，然后在从三国到唐的这一时期又取得了不少的进展，主要在历法、仪器、宇宙理论等方面。这一时期，最重要的天文学家是祖冲之父子和张遂（即一行）。

祖冲之父子在前面作为数学家已做过介绍，但他们在天文学领域也取得过重大的成就。

祖冲之在天文学领域的贡献主要在天文历法方面。他创制了《大明历》。该历法的最大特点是引进了岁差，虽然祖冲之当时定的岁差值不高，但却是第一次把岁差引进历法，这是中国历法史上的一个重大进步，对后世提高历法准确性有重要意义。

《大明历》采用丁391年中有144个闰月的精密的新闰月，使用的数据也大多相当精确，如一个回归年的日数为365．2428日，一交点月的日数为27．21223日等。

宋孝武帝大明六年（公元462年），祖冲之上书要求刘宋政府颁行《大明历》，但遭到当时幸臣戴法兴等人的阻挠而没被接受。后来，在祖冲之儿子祖暅的三次上书推荐下，终于在梁武帝天监九年（公元510年）被接受颁行《大明历》，实现了祖冲之的未竟之愿。祖瞧曾亲自监造八尺铜表，测量日影长度，并发现了北极星与北天极不动处相差一度有余，打破了北极星就是天球北极的错误观点。

公元618年，唐建立了强大的封建帝国，出现贞观、开元之治的强盛局面，在这种政治经济背景卜，唐代的天文学也取得了很大的成就，其中最重要的工作是由张遂（即一行）完成的。

张遂，魏州昌乐（今河南南乐县）人，其曾祖父是唐太宗李世民的功臣张公谨。张氏家族在武则天时已衰微。张遂自幼刻苦学习历象和阴阳五行之学。青年时代即以学识渊博闻名于长安。为避开武三思的拉拢，剃度为僧，取名一行。后来，由于《唐书》以“一行”之名立传，因此知道他原名张遂的人反而不多了。

出家之后，张遂先后在嵩山、天台山学习佛教经典和天文、数学。曾翻译过多种印度佛经，后成为佛教一派——密宗的领袖。中宗神龙元年（公元705年），武则天退位后，李唐王朝多次召他回京，均被拒绝。直到开元五年（公元717年），唐玄宗李隆基派专人去接，他才回到长安。

不久唐玄宗即任命他主持历法的修订工作。这件工作成了他一生最后l0年的工作中心。正是在修订历法的过程中，他组织了大规模的天文观测工作，在全国建立了十几个观测站，获得了许多重大发现。

他测定了150多颗恒星的位置。他认识到太阳运行速度的变化，发现太阳走到最南时，速度最快，然后逐渐减慢，到最北时最慢，以后又逐渐加快。

他通过对行星的观测，发现五大行星都不完全在黄道面上各行星的轨道面同黄道面都有一定的倾斜角度。

自汉以来，“王畿知里”，“影差一寸”，即南北相差千里，影子长度相差一寸，已经成为传统的观念，成了许多盖天论者与浑天论者进行数字计算的依据，也是盖天说的一个基本观点。724年，张遂组织人用圭表（铜制标竿）测影法在河南平原地区进行测量，发现南北两地相距大约250唐里，表影长度就相差一寸。如从阳城到武陵是1826唐里，表影差7．3寸，从阳城到横野军为1861唐里，表影差8寸。于是他用大量的数据推翻了“寸差千里”的传统看法，沉重地打击了盖天说。

中国古代天文学十分重视北极星，所以测定北极星的高度是一件十分重要的工作。张遂曾率领一批人进行了这项工作。他们在滑州测得当地天极出地高度（观测者向北极星的视线与地平面的夹角）约34℃30′。

在测量中他们还发现，河南地区两地相距351唐里，北极高度就差1度。因为北极高度正好是当地的地理纬度，所以这实际上是测出了地球子午线一度的弧长为351．27唐里，相当于129．22千米。

这个数据虽然同实际情况相差约20千米，但在1000多年以前的那种条件下，能得到这个近似的数据是很不容易的。而且这次天文测量的成果，在科学史上具有重大的意义和价值。这是因为，测量出子午线1度的长度，就可以推算出子午线的全部长度，也就说这是人类第一次实测地球子午线。所以，李约瑟认为它是“科学史上划时代的创举”。

张遂还对历史上的43次日食与99次月食的记录作了认真分析研究，发现白道（月亮绕地球公转的轨道在天球上的投影）与黄道的交点大约在18年内在黄道上移动一周，而每一次日食都是在白道与黄道交点或其附近发生。这样，假如知道了上一次日食的时间，就可以推算出下一次日食的时间。他根据这个理论，预报了三次日食。结果第二次预报的日食看到了，而第一次、第三次预报的日食却没有看到。张遂坚信自己的预报是正确的，但又不能从理论上解释这个现象，就求助于“天人感应”，说这两次预报的日食本来是应当发生的，可是由于唐玄宗“德之动天”，所以就没有发生。实际上张遂的这两次预报也同样是对的，只是在中国中原地区观测不到罢了。

从725年开始，他动手制定《大衍历》。这是他和他领导的一批天文学工作者十年辛勤观测研究的结晶。但他未能最后完成这项工作。727年张遂病危，当唐玄宗来到他身边，并命令医生进行抢救时，他已离开了人间。

郭守敬

唐末的藩镇割据和五代十国的混乱局面，以宋的统一而告结束。中国的封建经济在宋代得到进一步的发展。生产的发展又大大地推动r科学的前进，作为自然科学之一的天文学在这一时期也取得许多重要成就。

关于1006年和1054年的超新星的出现，特别是1054年宋仁宗至和元年的超新星记录成为当代天文学家研究中极受重视的资料。在这颗超新星出现的位置上，现在遗留有一个蟹状星云。这是当代天文学最感兴趣的研究对象之一。

进入元代，中国的天文学出现了一个小高潮，主要表现在天文仪器制造和天文观测上，其中最主要的工作是由郭守敬完成的。

郭守敬（123l－1316年）是元代杰出的科学家，在天文学、数学、水利工程等方面均作出了很大的贡献。他出身于河北省的一个书香门第，在祖父的影响下从小就喜爱数学与水利，后又对天文学发生了浓厚的兴趣。他是一位著名的水利工程专家。1292－1293年间，曾主持从通州到北京的运河工程，此河全长164华里，忽必烈命名为“通惠河”。

1276年，忽必烈下令设立负责编制新历的机构——太史局，并委派郭守敬参加制定历法的工作。为此，郭守敬研究了自西汉以来的70种历法，分析其长短得失，指出有创见的是十三家，充分肯定了前人的成就。要制定新历，就要有精确、简便、合用的观测仪器。他研制了20种天文仪器，包括简仪、浑仪、候极仪、玲珑仪、定时仪、仰仪、高表、星晷、正方案、丸表、悬图、异方浑盖图等。西方传教士汤若望在看到他制造的简仪以后，赞赏不已，认为这个仪器比西方要早3个世纪，称郭守敬为“中国的第谷”。实际上第谷应称为“西方的郭守敬”。他研制的简仪与浑仪的明代仿制品，至今还保留在南京紫金山天文台。

1279年，他建议设立的大都司天台建成。1279－1280年间，郭守敬组织了全国规模的天文观测活动，在全国设立27个观测点，比张遂组织的观测点要多一倍。这些观测点遍及全国，东起朝鲜半岛，西抵川滇与河西走廊，南及南中国海，北尽西伯利亚，当时人们称之为“四海测验”。此次观测南北统长10000多里，东西绵延约5000里之遥，其地域之广，规模之大，在历史上是空前的。后来法国数学家、天文学家拉普拉斯曾在自己的著作中引用了郭守敬这次观测的结果。拉普拉斯说：公元1279－1280年期间的观测之所以重要，是由于它们的高度准确性。他称赞郭守敬的测量具有“卓绝的精度”。

在大规模的观测工作中，郭守敬等人获得了一些重要的成果。他们对黄道平面和赤道平面（地球赤道所在平面的延伸）的交角，做了比较精确的测量。

自汉以来，人们认为黄赤交角是二十四度。郭守敬通过几年的观测，得出的数据是二十三度九十分三十秒（古度为六十进位制，郭守敬改为百进位制），折换成现在的通用进位制，为23°33′23″．3。按美国纽康的公式计算，那时的黄赤交角应为23°32′0″．8，误差只有1′22″．5。显然，郭守敬所得出的数据比前人要精确得多。

他还对回归年的长度进行了比较精确的计算。“冬至者历之本”，他从816年的历史资料中，取出六个比较可靠的冬至时刻得出五个回归年的长度又将这816年的所有日数及尾数，除以总年数，得到回归年的平均长度是365．2425日，同现在通用的格里历相同。

此外他还对1000多颗未命名的恒星进行了仔细的观测，编制成星表。

1281年，郭守敬主持编制的《授时历》开始实行，其精度比以往各种历法都高。它纠正了七个历代沿用的重要天文数据，创立了五项新的推算方法。明朝颁行的《大统历》基本上就是《授时历》，如把这两种历法看作一种，那么可以说是中国历史上使用时间最长的一部历法。

郭守敬研究天文的最大特点是重视观测，重视观测仪器的研制和改进。他的学生曾称赞他说：“观其规画之简便，测望之精切，巧智不能私其议，群众无以参其功。”

郭守敬在天文学上的成就受到了国际天文学界的高度评价。1970年国际天文学会将月亮背面上的一个环形山命名为“郭守敬山”，以纪念这位杰出的天文学家。

明代之后，以徐光启为代表的一批学者开始翻译西方的科学著作。随着西方天文学思想理论和观测成果的传人，中国的天文学逐渐走上了与西方天文学融合之路。