吴国盛 | 天文学——中国独立发展的科技文明
▲吴国盛
作者 吴国盛 （本号主编，清华大学人文学院教授）
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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。
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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，要正确的制定历法就需要仔细地观测天象。制历必先测天，这个制历原则在汉初即已确认。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；朔是月亮处在地球和太阳之间以致白天黑夜均不可见的时间，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并不相等。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 天为一年的所谓“四分历”。它以29 天为一朔望月，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，典型的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（24节气中的奇数位为“节”又称“节气”，奇数位为“气”又称“中气”）的月份置闰。这些规定很好的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之多，反映了天文历法事业的发达。中国的天文历法工作一向为皇家所重视。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”（公元前四世纪）。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，可惜的是当时绘制的星图均已失传。现存苏州市博物馆的南宋石刻天文图（刻于1247年）被认为是按1193年的一幅星图刻制的。石刻上面刻有1434颗星，是世界天文学史上珍贵的文物，因为除中国外14世纪之前世界上所有的星图都未保存下来。
▲敦煌星图卷子。
在日月行星的观测方面，可举长沙马王堆汉墓中出土的帛书《五星占》为例。那里详细记录了公元前246年到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）。对于日月食的观测记录，是我国天文学的另一大特色。《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。
▲苏州石刻天文图碑，南宋淳祐七年（1247）刻制，现存苏州文庙。
在异常天象的观测记录方面，中国人做出了无与伦比的贡献。西方人因为受亚里士多德思想的影响，认为天界纯净无瑕、天际恒常不变，对异常天象有意无意的予以忽视。中国天文学家没有这些思想束缚，这方面的记录格外详尽。《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。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，以作实际观测用。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。它由漏壶和浑天仪共同组成。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，被固定在一个轴上转动，转动动力由漏壶的流水提供，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方面发展。宋朝苏颂（1020－1101）等人制造了第一台假天仪。它类似现代天文馆中的天象厅，人们可以进入里面仰面观看模拟的天象。
▲浑仪，明朝正统年间制造，现存南京紫金山天文台。吴国盛摄。
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穹形，之间相距八万里。北极是天穹的中央，日月星辰绕之旋转。盖天说比较符合人们的常识直观，但不能很好的解释精确观测到的天象，因此后来又有浑天说和宣夜说出现。浑天说的代表人物张衡认为，“浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”（《浑天仪图注》）意思是说，天是一个完整的球；地球处在天球之中，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。浑天说可以更好的解释天象，并且可以被用来计算天体的位置，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穹，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。
▲赤道经纬仪，康熙十二年（1673）制造，现存北京古观象台。吴国盛摄。
自秦汉以来，我国出现了一大批杰出的天文学家。他们以精湛的观测技术、高超的计算水平，创造了精确的历法，发现了天体运行的规律，留下了极有价值的天象记录。他们中张衡、祖冲之、一行和郭守敬尤其值得一提。
张衡（78－139）生于南阳西鄂（今河南南阳石桥镇），是东汉时期著名的天文学家和文学家。他的《东京赋》和《西京赋》奠定了他在中国文学史上的地位。他在科学上最为突出的工作是他的浑天理论，以及他所制造的候风地动仪和漏水转浑天仪。张衡的浑天理论见于他的《灵宪》一书。在该书中，他阐明了阴阳辩证的宇宙起源理论，指出虽有天球但宇宙无界。他还用距离的大小解释行星运动的快慢。在《浑天仪图注》和《漏水转运浑天仪记》中，张衡讲解了漏水转浑天仪的原理和应用，奠定了我国天文仪器的制造学基础。《后汉书·张衡传》中记载的候风地动仪更是中外驰名。据说，“地动仪以精铜制成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊”，中有都柱，外有八道，八道连接八条口含小铜珠的龙，龙头下面有一只蟾蜍张口向上。一旦发生地震，都柱因受震动倒向八道之一，该道龙口张开，铜珠落入蟾蜍口中，观测者即可得知地震的时间和方向。据史载，该仪器确实探测到了公元138年在甘肃发生的一次地震，但可惜的是，该仪器已经失传，后人多方复原均未达到理想效果。
▲1955 年中国人民邮政发行的张衡纪念邮票。
祖冲之（429－500）既是伟大的数学家，也是伟大的天文学家，其数学成就在我国家喻户晓。他出生在一个学术世家，祖上数代人对天文、历法和算学都有很高的造诣。祖冲之本人从小专功数术，技艺日精。他最为世人所知的科学工作是求圆周率。运用前辈伟大的数学家刘徽的割圆术，祖冲之求出了精确到第七位有效数字的圆周率：3.1415926＜π＜3.1415927。这一数字在世界上远远领先了1000多年，直到15世纪后，才有阿拉伯数学家突破这一精度。为了计算方便，祖冲之还求出了用分数表示的密率 和约率 。在天文学上，祖冲之的主要贡献是制定了《大明历》，改正了前辈天算历法家的不足之处。首先，他把前人发现并测定的“岁差”现象纳入历法编制中；其次，他制定了每391年设144个闰月的更为准确的置闰周期；再次，他推算出回归年长度为365．2428148日，与今日推算值只差46秒。他还明确提出交点月的长度为27．21223日，与今日推算比较只差1秒左右。“大明历”所用的一些基本天文常数普遍达到了相当高的精度，长时间被后世历法制定者延用。祖冲之不仅是一个杰出的天算家，而且还是一个多才多艺的机械发明家。据说他亲手制造了指南车、千里船和水碓磨等。
▲1955 年中国人民邮政发行的祖冲之纪念邮票。
在中国历法史上，唐代僧一行（683－727）所主持编制的《大衍历》具有特殊的意义。一行俗名张遂，魏州昌乐（今河南南乐县）人，精通历象、阴阳、五行之学，出家之后仍勤奋钻研数学。公元717年，唐玄宗令一行修改现行历法，制定新历。为此，他组织了一大批朝野天文学家进行系统的天象观测，特别是直接观测太阳在黄道上的视运动，以作为改历的基础。首先，一行运用梁令瓒设计的黄道游仪，系统观测记录了日月星辰运动的材料，废除了过时的数据，采用新的更加符合天象的数据。其次，为了使新历法在全国各地均能通行，一行领导了对全国的大地测量。测量的结果，否定了长期以来为人信奉的“南北地隔千里，影长相差一寸”的说法，得出地球子午线一度相隔129．22公里的准确数据（今日测量值是111．2公里）。从725年开始着手编制，直到727年一行死前不久方完成的“大衍历”，是当时最好的历法。它形成了我国成熟的历法体系，为后世所仿效。
▲1955 年中国人民邮政发行的僧一行纪念邮票。
我国的天文仪器在元代达到了其发展的高峰，元代科学家郭守敬（1231－1316）正是这些仪器的监制者。在圭表制造上，郭守敬创造性的运用“高表”以及“景符”，使测影精度大大提高。在浑仪制造上，郭守敬发明了简仪。他改变了过去旋环过多，不利于观测的状况，把浑仪分解为两个独立的装置（赤道装置和地平装置），并且在窥孔上加线，提高了观测精度。
▲简仪，明朝正统年间制造，现存南京紫金山天文台。吴国盛摄。
除此之外，郭守敬还设计制造了仰仪（观测太阳）、七宝灯漏（自动报时）、星晷定时仪（以恒星位置定时刻）、水运浑象、日月食仪等天文仪器。郭守敬不仅是一位杰出的仪器制造家，还是著名的天文观测家。他所参与创制的“授时历”是我国中古时期历法的优秀典范。它定回归年长度为365．2425（与今天世界通用的格里高利历一样），并正确地认识到回归年长度古大今小。授时历所首创的推算日月五星运动的“创法五事”，将天象预测工作推向了高峰。
▲登封古观象台，郭守敬创建于元朝初年。
【本文原载于《科学的历程》。第一版：湖南科学技术出版社，1995年12月；第二版：北京大学出版社，2002年10月；第三版：湖南科学技术出版社，2013年8月。转载请联系作者获取授权，并注明出处。】