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《中国古代著名科学典籍》 第二章 天文 第一节 宇宙理论——《周髀算经》 分数的四则运算，在今天是很平常的，然而在古代并非易事。西方直至18世纪，对于分数的运算还感到十分畏惧。我国古代很早就对分数进行了研究。《左传》记载天子给诸侯分封土地，《管子·地员》讲到乐律，《考工记》介绍各种手工业产品的规格等，都有不少分数知识。《周髀算经》中则有更复杂的分数运算。如：已知1月=29又499/940日，月行每日13又7/19度，周天365¼度，求12个月后，月所及度数。答数是3546612/17860度。由于《周髀算经》还没有把约分工作做好，因而计算过程十分繁复，但在当时能作如此复杂的分数运算，确实显示了我们祖先了不起的智慧。 《周髀算经》包含着大量的数学知识。由于该书是在前人资料基础上加以总结而写成的，因此其中的数学知识反映了先秦以至西汉我国数学发展所达到的水平。 虽然《周髀》中的盖天模型已被今天的科学证明是错的，但2000多年前的古人却用它巧妙地对一些自然现象作出了解释。如书中提到北极附近“夏有不释(化)之冰”(常在日照距离以外，即夏季离日中心也远)，中衡左右的地方“冬有不死之草”；“日运行处极北，北方日中，南方夜半”等。这些猜想惊人地准确。 《周髀算经》在篇首就指出“数之法出于圆方”，第一次明确地把数和图形联系起来。沿着这一思路，书中最早记叙了勾股定理。它称直角三角形的两直角边为勾、股，斜边为弦，先给出了勾三股四弦五的特例，又进一步说明了勾、股平方和为弦之平方的一般关系。《周髀算经》非常重视勾股学的应用，不仅解释了三角、矩形和圆之间的关系，而且给出了测量高、远、深的一般方法。书中就是用这些方法测量天地，给盖天说以数量化的概念。如在不同的地方各立一个表杆，假定影子千里差一寸，根据相似比例关系，就可求出当日太阳的高度。这是《周髀算经》中测量日高的方法。显然，这是把大地当作平面计算的，结果也可想而知是错误的。但是，用这种方法去测量地面上的高远目标则是可行的。后来，这种方法在中国古代发展成测量中的重差理论。 《周髀算经》的作者曾借周公之口发出“大哉言数”的感叹，对数学十分推崇，并力图用数学方法为盖天说建立一个数理化的宇宙模型。这在中国古代宇宙论中是极为少见的。书中盖天模型的具体内容为：天以北极为中心，地以正对北极的极下之地为中心，天地都是中心高，四周逐渐变低的突起面，并且相互平行，之间的距离同为八万里。天体附在天盖上，天盖每天以北极与极下地的连线为中心旋转不息，带动天体东升西落。太阳在天盖的位置时高时低，冬天在天盖低处，绕一个大圈子，以冬至日的日道直径最大，有47.6万里；夏天在天顶附近，绕的圈子较小，夏至日最小，只有23.8万里；春秋日道则在两者之间。画出各主要节气的日道，就得到一系列以北极为中心的同心圆，即“七衡六间图”，其中最外第一衡为冬至日道，中间第四衡为春分、秋分日道，最内为夏至日道。人居住之处在极下之南10.3万里，人眼所能见到及太阳所能照到的距离为16.7万里(以人居地为中心，16.7万里为半径的范围为一个与七衡相交的圆)，再远就看不见了。当太阳离人小于这个距离时，便可见到白昼，反之便是黑夜。冬至、春分、秋分及夏至时的日出点分别为L1、L2、L3，日落点分别为M1、M2、M3，由此可以解释四季太阳起落方位的变化。同时，由于L1M1只占冬至日道的小部分，而L3M3却占夏至日道的大部分，所以冬至白昼最短，夏至白昼最长。 关于天地关系、宇宙的结构，以及日月星辰的运动规律，自古就引起了人们的思考。在我国古代，从“天高地厚”的原始观念开始，我们的祖先展开了丰富的想象。有的说在一个叫汤谷的地方长着一棵叫扶桑的参天大树，十个太阳在上面居住，每日一个太阳在上面，九个太阳在下面；又传说上古时共工和颛顼〔zhuanxu，专须〕为争夺帝位发生大战，战败了的共工一怒之下将撑天的巨柱——不周山撞折了，因此天向西北倾斜，日月星辰发生移动，大地变得西北高、东南低，水向东流。这些虽然都是古籍中记载的上古神话，但我们却可以从中窥视到上古朴素的宇宙观念。 随着天文观测技术的进步，天文观测资料的日益丰富，人们对天地关系、宇宙结构的认识也越来越深入。到了西汉时期，逐渐形成了以盖天说、浑天说和宣夜说为主的几种宇宙理论。这几种宇宙理论的渊源都可以上溯到春秋战国。在汉代，持不同见解的各家各派之间发生了激烈的辩论，其中浑天说和盖天说的争论，被视为我国天文学史上的一个重大事件。争论的同时，各派学者还纷纷著书立说，阐发自己的观点。宣夜说认为，天是没有形体的无限空间，日月众星依赖气的作用悬浮在宇宙中，各天体运动状态不同，速度各异。但是，关于宣夜说的著作在东汉就失传了，我们了解它的唯一资料，是《晋书·天文志》中保存的一段汉代郄〔qie切〕萌(公元1世纪)对宣夜说所作的总结。浑天说的代表作是张衡(公元78—139年)的《浑天仪注》和《灵宪》。在《浑天仪注》中，张衡将浑天比喻为一个鸡蛋，天球像蛋壳一样包围着大地，大地则像蛋黄一样飘在水面上，天球一半在地上，一半在地下，所有天体在天球上运动，又随天球旋转。在《灵宪》中，张衡又系统地论述了宇宙的生成和演化，并指出浑圆的天并不是宇宙的边界，从而表达了宇宙无限的观念。可惜的是，张衡的著作也没有完整地传下来，只在一些古代文献中保留了《灵宪》的序文以及其他一些资料。在几种宇宙学说中，盖天说无疑是最古老的。早期的盖天说认为天像一个撑开的圆盖，地像一个平正的棋盘。我国天文学史上称之为第一次盖天说。这种说法有明显的缺欠，如公元前6世纪的曾参就感到圆形的天盖和方形的大地是合不拢的。于是学说进一步改进，在春秋战国时形成了第二次盖天说。二次盖天说认为天像盖笠，地则像倒扣的盘子。二次盖天说的经典著作是《周髀算经》。该书是我国最早的有体系的天文学理论著作，在中国天文学史上占有突出的地位。 《周髀算经》的内容大体可分为以下层次：开头部分以周公与商高问答的形式说明勾股定理及用该定理进行测量可以得到天地之间各种度数的道理，相当于一篇引言。随后以荣方问陈子的形式具体阐明如何用立表测望的方法确定太阳高度、日道径、光照范围、人目所能望见的远近，以及从周地到四极的南极北极的里数和周地的东西里数，等等。最后一部分是与历法有关的内容，论述了二十四节气影长、日月行度的求法、回归年、朔望月、一年月份的安排等。 我国古代天文学的成就可概括为四个方面，即历法、天文仪器、天文观测记录和宇宙理论。当然，这四个方面并不是截然分开的，而是互相联系，互相促进。我国古代的天文学著作十分丰富，大致有如下几类：1.丰富的天象观测记录；2.具有中国传统特色的各种天文星图；3.占星术著作；4.历法推算和天文测量著作；5，天文仪器著作。特别要指出的是，从《史记》 开始，我国的史书不但记载历代史实，而且还有大量的天文学内容。著名的二十四史中有十七史专门著有天文、律历、五行、天象诸志，全面记载了各个历史时代的天文观测、历法推算、仪器制作和有关的天文学理论等情况，甚至有的天文学著作被整部地收入到有关篇章中。在官修正史中，长期、连续和全面地记载天文学的发展，在世界上是罕见的。它是研究中国古代天文学史的一个珍贵的资料来源。 《周髀算经》的盖天模型有着自身的严重缺欠。如宇宙模型天地都是中间高的突起面，而在计算上却是以地平为基础，还有影差千里差一寸的假设，以及一些数据也有生凑之嫌，等等。盖天学说在解释具体天象上也有许多困难。如太阳绕北极旋转，离我们远了看不见，那么日出、日落时太阳应该呈竖半圆的形状，而实际上我们看到的却是横半圆；又如太阳转到北极以北，我们就看不见，而恒星比太阳暗，为什么绕到北极以北我们却又能看见？等等。在具体解释天象上，浑天说要比盖天说更为便利，因此盖天说在汉武帝时就失去了在天文学实践中的地位，隋唐以后更少有人讨论，浑天说成了我国关于宇宙结构的权威学说。明末以及清代，西方天文学传入我国，许多学者才又对《周髀算经》中的宇宙理论进行研究，并用来和西方天文学相比较。如认为“七衡六间图”和地球五带说相吻合，并认为《周髀算经》中已有地圆思想等等。这些研究的方法和结论虽然是错误的，但是这一研究热潮也引起了人们对《周髀算经》的兴趣，促进了对该书具体内容的深入研究。 天文学是我国古代最早产生的学科之一，它同数学、医学、农学一道构成了我国古代科技史中最有成就的四门主要学科，传说自黄帝时起，我国就开始观察日月星辰的变化、制定历法，以指导人们的农牧业生产。历代统治者都对天文学的发展十分重视，尤其是进入封建社会以后，观测天象、“敬授民时”、颁告正朔，更成为皇权的象征，因此，天文学在我国古代一直处于唯我独尊的地位，所取得的成就之大也就可想而知了。 在星图发展史上，《周髀算经》也有重要地位。这是因为书中提到“青图画”和“黄图画”二样东西。其中“黄图画”上有冬至、夏至和春分、秋分的日道，又画有二十八宿和其他星相。这实际上是一幅以北极为中心的全天星图。后人称这种形式的星图为“盖图”，流传的时间很长也很普遍。另外，《周髀算经》中的历法数据与春秋后期我国产生的四分历是相同的，与秦汉时使用的历法有所不同，因此是关于先秦历法的重要史料。 <img src="p:///book/plate.pic/plate_170861_1.jpg" /> 图1 七衡六间图 第二章 天文 第二节 天文观测与天象记录——《开元占经》 古代中国以农立国。观测天象，掌握季节变化，对农业生产有着极其重要的作用。传说在颛顼时就有了“火正”的官，专门负责观察“大火”(心宿二)的出没来指导农业生产。中《七月》一诗的首句便是：“七月流火，九月授衣。”人们根据天象知道，不久天气就要转凉，该准备冬衣了。观测天象还和统治者的政治活动紧密相联。在古代，人们的认识水平低，常常把天象和人类的吉凶祸福联系起来，当出现日食、月食、彗星、陨星等现象时，它们便被看作上天的震怒和对人类的惩罚或警告。从这种迷信思想出发，古人希望从天象的显示中，预知吉凶，于是产生了占星术。占星术将天象和人事对立起来，认为天象的变化不仅预示着人间的福祸，而且关系着王朝的兴替。由于上述两方面的原因，所以天象观测就成了官方必须坚持的日常活动，造成了中国古代天文学的官办性质。官府巨大的财力和物力的支持，客观上有利于天文学的发展。 大规模的天文观测活动，为我们留下了丰富的天文观测资料，其中既有正常天象的记录，又有异常天象的记录。二十四史的有关篇章专门收集天象记录，其他史书以及地方史志也都收集了有关的古代天象资料。据统计，古代文献中记有日食约1000次，月食900多次，太阳黑子约100次，彗星500多次，流星雨约180次，新星和超新星约90次，五星联珠10多次。此外，还有极光、黄道光、变光星、变色星及怪星的记事。这些天象记录以其丰富、系统和延续时间长在科学上显示出重要价值。 占星术著作中有大量关于恒星位置测量、星图绘制、奇异天象的观测等资料，在天文学史上占有重要地位。我国最早的占星术著作是战国时甘德的《天文星占》和石申的《天文》，后人合称《甘石星经》。1973年，长沙马王堆汉墓中出土了《五星占》和《天文气象杂占》。《五星占》给出了从秦始皇元年(公元前246年)到汉文帝三年(公元前177年)的70年间，木星、土星和金星的位置表和它们在一个会合周期的动态表。《天文气象杂占》中最令现代天文学史家感兴趣的是29幅彗星图。图中详细绘出了彗头和彗尾的形状，并在图下注出了相应的名称，共计18种。这是世界上最早的彗星图文资料。西汉时，中国传统星占术的大厦已告建成，著作数目空前，仅《汉书·艺文志》就列有21家，450卷，还不包括前面提到的出土的星占著作。东汉以后，占星术进一步发展，《隋书·经籍志》中所列的星占著作已达80余家，670多卷。从唐代开始，又出现了《乙巳占》、《开元占经》、《景祐乾象新书》、《乾象通鉴》等大型星占著作，至于小型著作更是不计其数。这些著作的共同特点是收集了大量前人和当时的天文资料，尤其是关于星座位置、天象记录等方面有极高价值。如唐李淳风的《乙巳占》中保存了他的《历象志》和《乙巳元历》两部已佚著作中的许多内容，唐宋之间的《观象玩占》中的一幅全天盖天式星图反映了唐末星图水平及星官制度，北周庾季才编、北宋王安礼重修的《灵台秘苑》保存了北宋皇祐年间(公元1049—1054年)恒星测量时编制的一份星表，北宋杨惟德的《景祐乾象新书》及南宋李季的《乾象通鉴》中为我们保存了景祐年间(公元1034—1038年)杨惟德对周天恒星位置的测量结果，成为探讨宋代恒星观测水平不可缺少的文献。然而最著名、保存资料最丰富的星占著作要数《开元占经》了。 <h3>《开元占经》</h3> 《开元占经》，全称为《大唐开元占经》，共120卷，是印度裔天文学家瞿昙悉达奉命在唐朝开元年间领导太史监的工作人员集体编写的。书成后，作为皇家秘本，一直深锁宫闱，很少流传。其后历经苍桑，几乎到了失传的地步。明神宗万历四十四年(公元1616年)，安徽歙〔she社〕县一个叫程明善的人，在整修一尊佛像时，意外地在佛像腹中发现了《开元占经》的抄本。一时人们纷纷传抄，该书才得以流传。现在传世最广的刊本是清朝道光年间的恒德堂刻本。《开元占经》也曾东渡日本，在日本有此书的古抄本。 对现代学者来说，《开元占经》相当于一座巨大的历史文献宝库。该书在撰写过程中，采用的古代文献达300多种，其中许多都已失传。据统计，书中辑录和摘引现已失传的古代天文和星占著作77种，82种。《开元占经》虽然是一部占星术的著作，但它所包括的内容却大大超出了星占所需要的范围，其丰富程度远胜于其他同类古籍。 《开元占经》在头两卷“天地名体”篇中，集中辑录了自汉代以来，各家对天地结构问题的讨论。其中有些内容，如后秦姜岌的《浑天论答难》、梁武帝在长春殿召集群臣讨论天地结构问题的记录、南朝祖暅〔geng更〕对姜岌的批判等，均仅见于此书。而祖暅的《浑天论》、陆绩的《浑天象说》等，也比《晋书·天文志》、《隋书·天文志》中的记载更详细。另外，卷二关于地动说的一段讨论也为我们了解传统的以地动解释某些天象的地动说的内容、流传及发展情况提供了重要线索。 除卷一○三至一一○之外，《开元占经》自卷三后都是星占内容，集中汇编了汉代以来的各家星占著作，依天占、地占、日占、月占、五星占、恒星占、流客彗孛〔bei倍〕占、云气占、气候占、草木鸟兽及人鬼器物占等项，分类叙述。这不仅为我们探讨星占这一古老文化现象提供了丰富的素材，也为我们了解古人对各种天象的观测情况提供了必要的帮助。例如，书中卷九中就有汉代京房用水盆法观测日食的记录，还提到他所描述的在日全食时看到的白云从日面边缘向四外“冲出”的现象，这实际上是射线状日冕的观测记录。 《甘石星经》是我国最早的星占著作，但早已失传。然而在《开元占经》中我们可以见到大量的引文和辑录，其中包括一份《石氏星表》。这份星表记录了121颗恒星的位置，是世界上最早的星表之一，比古希腊的依巴古星表和古罗马托勒密星表都要早。《石氏星表》对恒星位置的描述，采用了赤道坐标，这说明我国至迟在战国时代就已经在天文观测上应用了比较先进的赤道坐标系统。书中卷二十三摘有甘德对木星的一段论述，说木星“有小赤星附于其侧，是谓同盟”。据科学工作者研究认定，这颗附在木星边上的小赤星，正是木星卫星中最亮的一颗——木卫二。在欧洲，直到伽利略发明望远镜之后，才观测到这颗木星卫星，比中国晚了将近2000年。 与全书大部分内容相异，在《开元占经》卷一○三至一一○中，几乎没有星占内容。其中卷一○三介绍了唐初天文学家李淳风编定的《麟德历》。这部历法继承了隋朝天文学家刘焯《皇极历》的成就，并在天文数据和有关的数学计算方面又有许多进步，是我国历法史上的一部重要作品。关于《麟德历》，《旧唐书》和《新唐书》中都有记述，但是错误很多且互有差异。《开元占经》编撰时，《麟德历》正在行用，因此它的记载对于研究《麟德历》自然有更大的参考价值。 唐代是一个气魄宏大的时代，中外文化交流十分频繁，《开元占经》就为我们保留了中印天文学交流的一些史料。书中的卷一○四辑录了瞿昙悉达编译的印度历法《九执历》。印度天文学曾经受到希腊天文学的影响，其系统与我国古代天文学有很大差异。从历法中的天文数据来看，《九执历》比我国当时的历法略显粗疏，但有的天文学的概念和计算方法却是比较先进的，很值得我们借鉴。书中关于《九执历》的内容，不但为研究古代中印文化交流提供了珍贵资料，同时也为研究印度天文学史提供了一份难得的历史文献。 星官，是中国古代的一种恒星命名形式，一个星官是一个恒星组合，其中星数多寡不等。中国古代的天文学家分为许多流派，许多流派都有自己的星官体系，它们之间有同也有异。三国时，吴太史令陈卓把古代主要的三家星官体系——甘氏(甘德)、石氏(石申)、，并同存异，综合为由283个星官组成，包含1464颗星的完整体系。这个体系被后世接受，成为中国传统的恒星命名系统。但是，由于陈卓的综合成功，反倒使三家星官的原貌逐渐不为世人所知。在《开元占经》的卷一○六至卷一一○中，有“二十八宿星座古今同异”、“石氏中官星座古今同异”、“甘氏中官古今同异”、“甘氏外官”、“巫咸中官”等内容，依次列出了二十八宿距度的古今同异以及三家星官位置的古今异同。这样，联系前面卷六十九到卷七十一中甘氏及巫咸中、外官星占的有关内容，使我们对三家星官的原貌有了一个大致的了解。中国古代大量的天象记录常以星官作为天文事件发生地点的参照坐标，因此，对星名和星官演变的研究，不仅有史学上的价值，而且也为有关的现代天文学家所关注。 <hr /> 注释： 第二章 天文 第三节 天文仪器——《新仪象法要》 明代在天文仪器上没有多大发展，所造的仪器也大多是仿制前代的。明末清初，西方天文学传入我国，像南怀仁的《灵台仪象志》、《崇祯历书》等，都大量介绍了西方天文仪器。因此，在天文仪器制造上出现了中西合流的趋势。 在介绍台上所用浑仪结构时，苏颂先介绍了该仪的总体结构和六合仪、三辰仪、四游仪三个主要组成部分，然后又对三个主要部分的零件一一详细描述，包括零件的名称、尺寸与作用等。全部文字共配图17幅，是现存最详细最直观的一部古代浑仪资料。据苏颂的介绍，这架浑仪上增加了一个“天运环”，它实际上是平行于赤道环的一个齿轮，口径比赤道环小。天运环由恒定转速的“枢轮”经过齿轮系统的换向和变速等一系列调节，可以带动浑仪中的四游环的窥管追随天体运动，进行跟踪观测。天运环的功能与现代天文望远镜上的转仪钟的功能大体相似，但它的诞生却比西方出现的转仪钟早好几个世纪。 该书卷中介绍台上所用的浑象，包括三部分内容。首先是浑象结构，有图三幅，仍是按总体到部分一一说明。其次是浑象上的星图，共计五幅。这五幅星图可分为两套全天星图。一套由一幅圆图及两幅连续的横图组成，圆图画的是以北极为中心的拱极的紫徽垣〔yuan原〕星官，横图则以赤道为对称轴，标画出恒显圈到恒隐圈之间的星官。另一套是由两幅分别以南、北极为中心，以天赤道为边界的圆图组成，分别叫做浑象南极星图和浑象北极星图。这五幅星图上共有283官和1464星，是目前我国古代流传下来的最古老、最完整的星图之一。经学者们研究计算，认为这些星图是根据北宋元丰五年(公元1082年)在开封实际测量后绘制的，各星座的相对位置准确无误，是当时世界上最完备的科学星图。另外在绘图技术上，它采用正圆柱投影法和天顶等距投影法，都比西方早四个世纪以上。 《新仪象法要》一书分上、中、下三卷。卷上主要包括两部分内容，一是苏颂所作的“进仪象状”，二是对仪象台上所用浑仪结构的详细介绍。在“进仪象状”中，苏颂首先叙述了他奉命对当时太史局和天文院所用浑仪进行考察的结果，以及水运仪象台制作的始末。随后，苏颂又简单回顾了自张衡以来的仪象发展史，重点介绍了一行、梁令瓒的开元水运浑天俯视图和宋初张思训的太平浑仪。他把古代仪象分作三类，即单纯用于观测的铜候仪，能自动演示恒星中天等天象的浑天仪，以及用以描绘周天星官分布的浑象(天球仪)，指出新制的水运仪象台汲取了各家仪象之长，以自动装置联接浑仪和浑象，达到了“制备二器而通三用”的效果。 卷中的第三部分是介绍四季(春、秋二分，冬、夏二至)昏旦，资料分别取自《礼记·月令》的记载、僧一行的观测和宋代元丰年间的观测结果，共绘有九幅中星图。 <hr /> 和浑仪一样，浑象的发明也是一个谜，我们只知道西汉宣帝时耿寿昌曾制造过浑象。浑象的基本结构是在一个象征地平的圈或框中，架着一个可以转动的象征天球的大圆球；大圆球上布满星辰，画有南北极、黄赤道、恒显圈、恒隐圈、二十八宿、银河等等。由于大圆球的转动带动星辰也转，在地平以上的部分就是可以见到的天象了。东汉时期张衡曾发明了用漏壶中的流水推动浑象与实际天象同步运转的水运浑象，并且附有一个叫的机构，是一个自动的机械日历。《浑天仪注》实际上就是这架仪器的说明书。张衡的发明开创了后代制造自动运转仪器的先声。魏晋南北朝时，又造过多架浑象，刘宋元嘉十七年(公元440年)钱乐之造的小浑象，以白、黑、黄三色珠为星，以区别甘德、石申、巫咸三家星官。当陈卓的著作散失后，这是后世记载三家星官的主要依据。 《新仪象法要》不仅是一本极为重要的天文仪器著作，同时也是一本机械工程著作，对研究北宋时期的机械技术水平有重要意义。该书中有图57幅，其中机械插图采用透视和示意两种画法，准确无误地反映了各种部件的尺寸比例和相互关系，可以说是我国保存下来的最古的完整机械图纸。这些图和文字说明为我们后人研究这一巨大发明提供了宝贵史料。根据《新仪象法要》一书，1958年中国历史博物馆成功地复原了一架木制的、为原大1/5的水运仪象台模型，1989年北京天文馆与福建省同安县科委合作，再次复制成原大1/8的模型。 注释： 浑仪和浑象，前者是观测仪器，后者是演示天象的仪器，两者的理论根据都是浑天说，因为它们都是以圆形的天球作为观测和演示对象。浑仪约创制于公元前4世纪至公元前1世纪之间，据西汉末杨雄《法言》中的记载，汉武帝时落下闳〔hong洪〕曾制造过一架浑仪，另一位天文学家鲜于妄人用它来观测。一般认为原始的浑仪可能由两个圆环组成，一个是赤道环，其平面和赤道面平行，上面刻有周天度数；一个是四游环，也叫赤经环，能够绕着极轴旋转，上面也刻有周天度数。在四游环上附有窥管，可以绕着环的中心旋转。旋动四游环和窥管，当窥管指向某待测天体时，它在各读数环中的位置就是该天体的坐标。为了便于测定太阳的位置，东汉的傅安和贾逵在前人浑仪的基础上又增设一个黄道环。张衡时又增加了一个地平环和一个子午环，至此，我国古代创制的浑仪就基本定型了。东晋时期前赵孔挺制造的一架浑仪，在浑仪发展中有着重要的地位。这架浑仪去掉了黄道环，使浑仪外重变成由地平、赤道、子午三个相交的大圆环组成的固定骨架；内重的四游环则变成直径八尺的双环，双环直径中间夹着可以转动的望筒。孔挺的浑仪是我国最早有详细结构记载的浑仪。 《新仪象法要》的卷下主要介绍仪象台的机械结构和工作原理。机械结构也是从整体到局部，从驱动、传动及控制装置，到演示、报时机构一一剖析，分述其构造、形状、尺寸和功用，并配有插图25幅。依靠苏颂的描述，我们知道：这架仪器高约12米，宽约七米，是一座上狭下宽的呈四方台形的木结构建筑。它分上、中、下三层。最高层为平台，安放着一台浑仪，浑仪上面还覆盖着一个“摘脱板屋”，可以根据观测需要自由启闭。这是世界上最早具有活动屋顶的天文观测室，比公元1561年普鲁士卡塞尔天文台的活动屋顶要早四个多世纪。仪象台的中层是间密室，放置浑象，与天体同步运转。下层是报时系统，有五层木阁，层层有门，层层木阁都有木人可以开门而出，随着浑仪、浑象的运转，它们或敲钟，或击鼓，或摇铃，或示牌，及时报时。整台仪器以流水作动力，漏壶和机械传动装置在木阁后面，通过“天衡”控制，使整台仪器均匀运转。据学者研究，这个叫“天衡”的装置是一组杠杆，类似于现代钟表中的擒纵装置。这项发明又比欧洲早了600多年。 <img src="p:///book/plate.pic/plate_170863_1.jpg" /> 图2 水运仪象台 苏颂(公元1020——1101年)，字子容，泉州同安(今福建同安)人，出生于官宦家庭，受过良好的教育。仁宗庆历二年(公元1042年)中进士，曾担任过馆阁校勘、集贤校理、尚书左丞和尚书右仆射等官职。苏颂博学多才，对“图纬、律吕、星官、算法、山经、本草”等无所不通，曾组织医官增补《开宝本草》，并著有《嘉祐补注本草》和《图经本草》等。苏颂于元祐元年(公元1086年)奉诏“定夺新旧浑仪”。他在前人水运浑象设计的基础上，提出将浑仪、浑象、报时装置结合一起用漏水来运转的设想，并找到了能实现这一设想的吏部令史韩公廉。韩公廉天性机巧，知晓天文，精于算术，在水运仪象台的建造中起过重要作用。水运仪象台建成后，苏颂就水运仪象台的各部分的形制写成一部技术专著——《新仪象法要》。该书于绍圣初年完成，呈进宫廷，一直藏于宫廷秘阁，所以极少流传。宋室南迁后，为重建水运仪象台，曾两次访求本书。南宋乾道八年(公元1172年)吴兴施元之将此书刻印，方使此书流传于世。 <h3>《新仪象法要》</h3> 在我国历史上，天文仪器的种类很多，有测角的，有测时的，有演示性的，有的还将几种仪器联在一起使用。其中圭表、漏刻、浑仪和浑象是最为常用的。我国最早使用的天文仪器大概是表，也就是《周髀算经》中的“髀”，通过测量表杆影子的变化，可以确定方位、时刻和节令。后来为了提高精度，在表下又加了一个平正的标准尺，这就是《周礼》一书中多次出现的“土圭之法”，所以这种测影仪器又叫圭表。由圭表又发展出多种多样的测影仪器，如下面装有罗盘或时间刻度盘等，它们又统称日晷。秦汉时期就已有了专论日晷的著作，《汉书·艺文志》中记有《大岁谋日晷》29卷、《日晷书》34卷。 宋元时代是我国天文仪器发展的高峰。宋代从太平兴国四年(公元979年)至元祐七年(公元1092年)不到百年内，创制了五大浑仪，每架用铜都达两万斤左右，在数量和规模上为历代王朝之冠。据《宋史》记载，燕肃在公元1031年发明了莲花漏壶，首次使用了漫流系统，也就是在漏壶上部开孔，使多余的水由此溢出，以保持水位的恒定。燕肃的发明最终取代了唐宋以来普遍使用的秤漏。宋代对天文仪器的改革是全方位的。1074年沈括向朝廷连上三道奏本——《浑仪议》、《浮漏议》、《景表议》，后人合称《浑仪浮漏景表三议》。这是中国古代重要的天文仪器专著。在三篇奏本中，沈括回顾了历代天文仪器制作的历史及其优缺点，提出了改革建议。如在漏刻上考虑到水流量、水粘滞性、漏管的长度和半径对计时精确度的影响；在测影时建议把圭表放在密室中，让阳光从狭缝中穿入，以减少灰尘对阳光的散射。特别是他在浑仪制作上省去了白道环，将黄道环和赤道环固定，减少了多环对天空的遮挡。沈括的这项改革是浑仪由简至繁，再由繁至简的一个转折点。在宋代，曾两次制造水运仪象，一次是太平兴国四年张思训的“太平浑仪”，用水银代替水作为浑仪的动力是他的一大革新。另一次就是苏颂等人制造的著名的水运仪象台，这是天文仪器史上的一个杰作，其结构苏颂在《新仪象法要》中有详细的说明。宋代的天文仪器专著还有许多，光漏刻专著就有近20种，其中南宋颜颐仲的《铜壶漏箭制度》是中国古代流传至今的所有漏刻著作中最为完整的一部。 《新仪象法要》是北宋科学家苏颂撰写的介绍中国传统天文仪器制作的专门性著作，由于图文并重，也可称是一本古代天文仪器的专门设计书。该书是中国古代最重要的天文仪器专著之一。 唐代是我国天文学发展的一个重要时期，在天文仪器的制作上也谱写了新篇章。在这方面，李淳风也是一个承前启后的重要人物。他所制造的浑仪又加了黄道圈、白道环，而且根据实际天象，二环位置可以转换。从李淳风开始，中国传统浑仪的三重圈结构(即六合仪、三辰仪、四游环)已基本固定下来，成为后代浑仪的定式。李淳风著的《法象志》是一本天文仪器著作，记载了他的研究成果。开元年间，僧一行和梁令瓒〔zan赞〕又造了一架浑仪。这架浑仪在外重的六合仪上去掉赤道而增加了卯酉圈，因而外重为子午、卯酉、地平三圈交合，中间的三辰仪，也由三个大圆构成，赤道上每隔一度打一圆孔，表示赤道与黄道的交点。黄道环根据实际天象放到相应的一对圆孔中固定。这样的装置可使黄道在赤道内游动，故名黄道游仪。一行等人的浑仪达到了完善阶段，但其结构的复杂性也达到了高峰。为了实现唐玄宗要求制作更精巧的天文仪器的愿望，一行和梁令瓒又研制了“开元水运浑天俯视图”。这是继张衡和隋朝耿询之后的第三架水运浑象。这架浑象在天球外又增套了两个环，一个环上运行太阳，一个环上运行月亮，并有木人击鼓敲钟报时。一些研究人员认为这架水运浑象已使用了擒纵装置。关于一行等人的工作，《新唐书·天文志》和《旧唐书·天文志》都有记载。 由前面的叙述我们可以看出，至南北朝时期为止，我国的天文仪器有了很大发展，并且出现了许多专著，可惜除了极少部分外，大多都没能流传至今。像北朝信都芳写的《器准图》，全面介绍了浑仪、候风地动仪、漏刻等天文仪器，且图文并茂，十分珍贵，也没有流传下来。我们今天之所以能了解南北朝以前天文仪器的发展情况，不能不感谢唐代的李淳风，他为我们留下了《晋书·天文志》和《隋书·天文志》两部重要著作。在两书《天文志》中，李淳风对前代仪象的发展情况进行了考证和追述，并作了简要总结。像前赵孔挺的浑仪的详细记载就见于《晋书·天文志》。由此开始，历代史书《天文志》都将天文仪器的制造和发展列为重要内容。 元代是我国天文仪器制作的鼎盛时期。在这一时期对天文仪器的研制做出巨大贡献的功臣当首推郭守敬。他先后设计制造出简仪、高表、窥几、仰仪、正方案、玲珑仪等十几种新天文仪器，其中最重要、最有独到之处的是简仪和高表。为了避免多环遮掩星区，妨碍观测的弊病，他将传统的浑仪分解为赤道经纬仪和立运仪两大部分，并在窥管两端加上十字丝，创造了结构简单奇巧，便于观测，精度更高的简仪，最终完成了我国浑仪发展史上由繁至简的改革。高表是郭守敬在前人基础上的又一大革新。元之前的圭表一般高八尺，而郭守敬大胆地把表高增到四丈，并在表上增一水平横梁，在圭面上设一利用小孔成像原理制成的景符。当太阳、横梁和景符小孔连成一线时，圭面上形成的太阳和横梁的倒影，清晰可见，大大提高了观测精度。郭守敬创制的天文仪器在当时世界上是领先的，《元史·天文志》中为我们保存了较详细的资料。 第二章 天文 第四节 历法——《授时历》 “三月，参星在西方地平线上快要落下去了，这时桑叶萌发，杨柳抽枝，蝼蛄鸣叫，冰已融化，……妇女们要开始养蚕了。”这是《夏小正》中的一段话。由于文字古奥，我们把它译成白话。在天文学史上，称这种通过观测天象和物候来安排一年季节与月份的方法为“观象授时”。“野人无历日，鸟啼知四时”。在历法知识尚不完备的条件下，“观象授时”活动曾持续了相当漫长的一段历史时期。《夏小正》据说就是夏代的历法，虽然现在研究认为该书成书于春秋战国，但书中无疑保存了很久以前人们积累的观象授时资料。除《夏小正》外，《礼记·月令》、《淮南子·天文训》和《逸周书·时则解》等早期月令著作中都有观象授时的内容。 大约在春秋中晚期，我国产生了一种以365¼日为回归年长度，取19年七闰为闰周的历法，我们称之为四分历。四分历的两个基本数据在当时世界上是十分先进的，比古希腊人默冬(Meton)的同样发现要早百年左右，它的出现标志着我国历法已经进入比较成熟的时期。 在中国古代，历法关系着国计民生的各个方面，因此，颁布历法是一件极为重要的事。战国时期，列国争霸，许多诸侯国都颁布了自己的历法，主要有黄帝、颛顼、夏、殷、周、鲁六种。六种历法都是四分历，只是所规定的历法起算年份(历元)和每年开始的月份(岁首)有所不同。秦国使用的是颛顼历，因此当秦扫灭六国，一统江山后，颛顼历就成为秦始皇颁发全国的历法，直到汉初仍在继续沿用。到了汉武帝时，颛顼历已日渐疏漏，影响了农业生产，所以汉武帝组织一批天文人才颁布了新的历法《太初历》。汉武帝的改历，奠定了中国改朝换代时更换历法的传统，而《太初历》的出现则标志着中国古代历法体系的形成。《太初历》首次提出了以没有中气(雨水、春分、谷雨等十二节气)的月份为闰月的原则。这个方法在农历(或夏历)中一直沿用到现在。《太初历》还第一次明确提出了135个朔望月中有23个食季的食周概念，并且依据五星在一个会合周期内动态的认识，建立了一套推算五星位置的方法。可以看出，《太初历》并不是一个单纯的日历，而是综合了气朔、闰法、五星、交食等多项内容，类似于现在天文年历的综合性工具书。它成为后来编撰各种历法的模式依据。 由于中国古代历法有着丰富的内容，因此，历法的改革也是多方面的，它包括新理论的提出和运用，精密数据的测定，计算方法的改进等。历法的改革带动了整个古代天文学的发展，故此有人认为我国古代天文学史，从一定意义上来讲，就是一部历法改革史。在中国古代，先后出现的历法就达100多种。 东汉一代，月亮运动及交食问题是改历活动的一个争论焦点。汉和帝时贾逵用自己造的黄道铜浑仪进行观测时就已经发现月亮的运动是不均匀的。随后相继出现了《九道术》、《月食术》、《月食注》等专门讨论月行和月食的著作。到了东汉末年，刘洪在《乾象历》中第一次将月行迟疾引进历法，定出了比较精确的近点月日数和一个近点月内每天的月亮实际所行度数，由此可以更准确地推算日食和月食。《乾象历》还第一次定出了交食食限的数值，这在交食预报上是个重要的发明。另外，《乾象历》在交点月、回归年长度、黄白道距离等研究上也均有突破，从而开辟了中国古代历法发展的新纪元。 三国两晋南北朝时期，是个社会大动荡的时期，各个民族、各个地区的局部政权更迭迅速，因而也出现了许多新历法。这时的历法进步主要表现在三个方面：首先是三国时魏国杨伟在《景初历》中提出了食分和日食亏始方位的计算方法，促进了交食理论的发展。其次是刘宋时祖冲之在《大明历》中首次把东晋虞喜发现的引入历法计算中，提高了冬至点推算的准确性。第三是北齐民间天文学家张子信在一个海岛上利用自制仪器进行观测，发现了太阳、五星也和月亮一样，它们在天空的视运动速度是不均匀的。它告诉人们一个节气和另一个节气的日数可能是不相等的，而计算日月交食不仅要考虑月亮运动的不均匀，还需考虑太阳运动的不均匀性。这一发现预示着历法史上又一次大变革的到来。 隋唐时期的历法在前代成果积累的基础上产生了新的飞跃。首先是隋代刘焯在《皇极历》中采用了定朔的方法，代替平朔，并创立了二次等间距内插法，用以推定五星位置和日月食起讫(初亏和复圆)时刻及食分等，还采用的方法来计算日行度数和交令时刻。到了唐初李淳风的《麟德历》，定朔法得到肯定，从此代替了平朔法。唐代最著名的历法是一行的《大衍历》。一行为了编制新历，曾进行过大量的实际观测，最为人熟知的是他主持的世界上用科学方法进行的第一次子午线实测。一行的《大衍历》对太阳运动的规律做了比张子信、刘焯等人更合乎实际的描述。他认为冬至时日行最急，夏至时日行最慢；他的太阳运动表(日躔〔缠〕表)是根据定气编的。由于太阳运动的不均匀性，所以两个定气之间所需的时间是各不相同。为了从数学上解决这个问题，一行创立了不等间距二次内插法。《大衍历》在日月食和五星运动计算方面也有较大进步，如考虑到对交食的影响，创立了一套计算视差影响的经验公式。《大衍历》共分七篇，内容和结构都很系统，表明我国古代的历法体系已经完全成熟。之后的各次修历，一般都仿效《大衍历》的结构。中唐以后，曹士蒍〔wei伪〕首先在《符天历》中以一个二次函数式描述太阳周年运动的不均匀性；之后边冈在《崇玄历》中也把二次函数式引入了黄赤道坐标的换算以及月亮黄纬与食差的计算，又在影长计算中应用了三次函数，在太阳赤纬及昼夜漏刻的计算中使用了四次函数。这些工作使高次函数法成为中国古代历法计算的又一重要方法，开创了各种天文数表及其算法公式化的新传统。 宋代，历法计算上又有所发展。周琮《明天历》中的各项计算均使用了高次函数式，并且用到了五次函数。这部历法是中国古代公式化程度最高的历法。以后，姚舜辅在《纪元历》又前进一步，许多经验计算公式，都比以前的历法简便、精密。宋代历法中，最富有创造性的是杨忠辅的《统天历》。该历中的回归年长度为365.2425日，和欧洲于公元1582年以后采用的格里高利历完全一致，但却要早近400年。不仅如此，杨忠辅还提出回归年长度不是固定不变的，它的数值古大今小，这是天文学史上的一个重要发现。 中国古代历法发展的顶峰是元代郭守敬等人编撰的《授时历》。《授时历》吸收了以前历代历法的长处，并有所发展、创新，成为我国古代历法史上划时代的产物。 <h3>《授时历》</h3> 《授时历》是中国古代最优秀的一部历法，由元代王恂、郭守敬等人编撰。历法初稿完成于元世祖至元十七年(公元1280年)，并于第二年颁行天下。而历法的最后定稿则要到至元二十三年(公元1286年)。 早在元世祖忽必烈初登皇位的时候，他的谋臣刘秉忠就曾建议改革历法。1276年忽必烈攻占江南后，下令改革历法，设太史局，任命张文谦、张易为主要领导，而以王恂为实际负责人，郭守敬为副手。王恂(公元1235—1281年)字敬甫，河北唐县人。郭守敬(公元1231—1316年)字若思，河北邢台人。王、郭二人都在少年时代就精通天文、数学，又都是刘秉忠在邢台西南紫金山隐居时的学生。在改历中，王恂主管推算，郭守敬负责制造仪器和观测。后来又先后聘请了南方著名学者许衡、杨恭懿等，从事阐述历理的工作。当时参加改历的南北天文工作人员有数十人之多。经过四年的艰苦努力，新历完成初稿，元世祖赐名《授时历》，取义于“敬授民时”的古语。1281年新历颁行。也就在这一年，王恂病故，而张文谦、张易、许衡也在此前后去世，杨恭懿告老辞归。郭守敬在以后的几年里，独立完成了新历的全部整理定稿工作。后人往往因此认为郭守敬是《授时历》的作者，而实际上《授时历》的完成是当时一批优秀人才集体智慧的结晶。 《授时历》现今只是狭义地指保存在《元史·历志》里的《授时历经》二卷七篇。这七篇分别是：1.步气朔，介绍推算节气、朔、弦、望所在时刻的方法；2.步发敛，推算卦、候、土王及五行用事等项；3.步日躔，求太阳每日在黄道上运行的速度和位置。介绍太阳黄、赤道经度的互推；4.步月离，求月亮的运行和月道与赤道的交点等；5.步中星，计算昼夜长短时刻、影长和昏旦中星的度数；6.步交会，即日、月食的推算方法；7.步五星，推算五大行星的运动和位置。《授时历经》的篇章结构和内容基本上沿用了自《大衍历》以来的历法传统。然而，从广义上说，《授时历》还应包括同授时历法有关的历法理论、天文观测成果等内容，也就是郭守敬整理新历时得到的成果：《推步》七卷、《立成》二卷、《历议拟稿》三卷、《转神选择》一卷、《上中下三历注式》12卷。1286年，郭守敬升任太史令，又写成《时候笺注》二卷、《修改源流》一卷、《仪象法式》二卷、《二至晷影考》10卷、《五星细行考》50卷、《古今交食考》一卷、《新测二十八宿杂坐诸星入宿去极》一卷、《新测无名诸星》一卷、《月离考》一卷，等等。可惜这些书大部分没有流传下来。朝鲜等国保存着《立成》。近年人们又从北京图书馆的明抄本《天文汇钞》中发现了《三垣列舍入宿去极集》，认为是郭守敬《新测二十八宿杂坐诸星入宿去极》一书的改抄本。此外，《元史·历志》保存有李谦奉元世祖之命所撰的《授时历议》，当是根据《历议拟稿》和其他有关材料写成。而《元史·天文志》中记载郭守敬所创制仪器的资料，也有可能是根据《仪象法式》一书改写的。所有这些，都可视为《授时历》的组成部分。 《授时历》是在总结前人历法经验，认真观测推算的基础上创造出来的一部精良的历法。它在天文观测数据的精确度和历法推算的数学方法上都取得了辉煌的成就，一般统称之为“考正七事”和“创法五事”。 郭守敬很重视天文观测在历法改革中的作用。他认为：“历之本在于测验，而测验之器莫先于仪表。”真正抓住了修历的关键所在。为了得到精确的天文数据，郭守敬等人进行了空前规模的天文观测。他们在北京、太原、成都、雷州等27处设立了观测所，比唐代多了一倍。郭守敬还改造和创新了许多天文仪器，如圭表、简仪、仰仪、七宝灯漏、星晷定时仪等，有十几种。这些工作，使《授时历》中天文数据的精密程度大大超越了前人。如《授时历》中的岁实(回归年)取365.2425日，这是郭守敬等人历时近四年的精细测量，并结合前代历法中的可靠资料，加以考证推算而成。它与南宋杨忠辅《统天历》的岁实一样，与现在世界通用的公历回归年数值相同。又如，《授时历》中的朔策(即朔望月)取29.530593 日，现代朔望月的精密值为29.530589日，二者之差为0.000004日，精确度确实很高。 另外该历中的近点月为27.554608日，交点月27.212224日，精确度也很高。 自汉代以来，黄赤交角(即黄道面与赤道面的交角)一直被认为是24度，经过1000多年，始终无人更正。其实黄赤交角在逐年减小。在《授时历》中，郭守敬根据精密的天文测量，归算出的黄赤交角为23°90′30″(古度)折合成今天的360度制为23°33′33″9，而精确值为23°31′58″，误差仅为1.6′。另外，《授时历》中二十八宿的测量平均误差才4′.5，也达到了当时世界最先进水平。 《授时历》中还彻底废除了沿用已久的上元积年。旧历法家推算上元积年，是寻求一个所谓的“祥瑞”的计时起点，要恰逢甲子日、朔旦(朔望月的开始时刻，即夏历初一)和冬至同在一天的夜半发生，还要“日月合璧”、“五星联珠”，即日月五星并见于一方。这些条件全部会齐，作为计时起点，就是上元。积年是从制历这一年上推到上元那一年累积的年数。由此可见这项工作是多么繁重。《授时历》抛弃了这种传统算法，而是以实际观测数据为基础，以至元十八年(公元1281年)辛巳岁冬至为历元，使计算方法更为简便合理。这种方法和近代采用的是一致的。这是对我国古代历法的一次重大改革。 除了根据实测考证天文数据外，《授时历》还把当时最先进的数学知识应用于天文计算。郭守敬等人经过刻苦研究，在《授时历》中创立了天文上五项新的推算方法，即用招差法计算日月运动，推算太阳每日在黄道上运行的速度，推算月亮每日绕地球运行的速度等；用弧矢割圆法互推太阳黄、赤道经纬度，计算月道和赤道的交点。《授时历》中的招差术相当于三次或更高次的内插法，它的天文基础是考虑了日月五星的不等速运动。这个问题隋代刘焯和唐代一行曾分别用等间距二次内插法和不等间距二次内插法来解决，但不彻底。《授时历》采用三次差分的内插法原理，成为历法中的一大创举。弧矢割圆法类似两个球面三角公式，是我国独特的球面三角学，是数学方法在天文学中应用的一大创新。 在《授时历》中，还废除了用复杂分数表示数据的方法。我国古代历法一般用分数来表示天文数据的整数后的奇零部分，运算十分繁琐。唐代南宫说的《神龙历》和曹士蒍的《符天历》中虽然已经引进了十进制的小数概念，但没有被一般天文学家所重视。直到500年后，王恂和郭守敬等人才在《授时历》中采用。《授时历》以一日为100刻，一刻为100分，一分为100秒，秒以下的单位也一律百进位，因此一日的数据可以精确到小数点后面第六位，精度高而且比分数表示法简单明了得多。 《授时历》是我国古代行用最久最精密的一部历法，从1281年到明末，行用了360余年，在明代时改名为《大统历》。《授时历》还传到海外，元朝时朝鲜高丽王朝就原封不动地搬用了《授时历》，日本1684年采用的《贞享历》也利用了《授时历》的原理和方法。 <hr /> 注释： 附录 辅文辅图片 <img src="p:///book/plate.pic/plate_170872_1.jpg" /> 宋刻本《九章算术》 <img src="p:///book/plate.pic/plate_170872_7.jpg" /> 菅生堂本《天工开物》 <img src="p:///book/plate.pic/plate_170872_6.jpg" /> 湖北江陵出土越王勾践剑 <img src="p:///book/plate.pic/plate_170872_4.jpg" /> 明刻本 |
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