古代天文学

许多欧洲人把中国人看作野蛮人的另一个原因，大概是在于中国人竟敢把他们的天文学家——这在我们有高度教养的西方人眼中最没用的小人——放在部长和国务卿一级的职位上。这该是多么可怕的野蛮人啊！         

                                             ——弗兰茨·屈纳特






太阳无疑是人类祖先最先观测的一颗恒星，通过日晷测影，可以确定四时、方位，但它也是一个可怕的光源，它的光芒让其他恒星黯然失色。这是困扰古代天文家的一大难题。古埃及人很早以前便已经知道在日出或日没的瞬间观察天狼星，以预测尼罗河的泛滥。这是天文史上有名的科学观测：偕日法。这种观测并不需要天极、子午线或赤道等知识，也不需要任何计时制，它很自然使人熟识黄道各星座以及黄道附近与黄道星座同时出没的恒星。因此，古埃及人、希腊人、罗马人的注意力总是集中在地平线上和黄道上。



日晷



古代中国人也已经注意到偕日观测法的意义，屈原在他不朽的《天问》中问道：“角宿（室女座α）未旦，曜灵（太阳）安藏？”但是，古代中国的主流天文家却把他们的目光从晦暗的地平线抬离，上升到北天庭上一块深邃澄澈的天空，那里几颗湛亮的星永不垂落，宛如天庭的君王，群星拱卫。这便是北极星与拱极星。他们系统的测定了拱极星的上中天、下中天，建立了以赤道为坐标以时间为计量的天文体系，迥异于西方天文学的黄道坐标与角度计量。由于天体的周日运动是沿赤道方向，因此，自16世纪第谷始，欧洲逐渐使用更为优越的赤道坐标系，直到今天。

地轴进动的方向与地球自转相反，周期约为25800年。反映在天球上就是天极围绕黄极每25800年旋转一周。当北极运行到与某颗星相重合或相接近时，就把这颗星叫作北极星。中国历史上明确记载的极星有三颗，在西汉以前为帝星（小熊座β），帝星距北极最近的年代为公元前1100年。东汉末年，纽星取代帝星成为北极星，正如一个王朝的交替。明朝末年，徐光启改勾陈大星（小熊座α）为极星，也就是我们现在的北极星。

中国古代二十八宿的划分属于赤道坐标系。通过晷影在地平面上确定正南北方向，再引上天空，是建立天球子午圈的原始方法。但是，如果他们在中星观测中
没有发现一颗星总是位于子午圈的某一点，他们就不太可能建立起完善的赤道坐标体系。中国的中星观测的历史可以追溯到五帝时代（距今4500~5000年），那么，中国人是否在五帝时代就发现了北极星呢？

不妨作一个模拟实验，如果用璇玑观测中星，按古籍所载数据恢复璇玑为通高八尺（约合今2米），直径四尺（约1米），用来窥测中星的子午槽宽四分之一尺（约6.22厘米），则在公元前2500年~3000年间的五百年内，极距小于3。5角距的恒星，将彻夜位于璇玑窥缝所见的子午环内，从而导致人们发现北极星！符合上述条件的肉眼可见星的确存在，那就是公元前2750年的紫垣右枢星（天龙座α）。事实上北极星的重大发现只有在五帝时才有可能。因为只有这个时代天空子午圈内才有极星，在此之前和之后的数千年中都没有肉眼可见的星星出现在北极点附近。
天龙座α曾是五千年前的极星[



欧洲人对中国天文的赤道特征认识得较晚，以致于他们得出中国的28星宿是从巴比伦的天文知识演化而来。好笑的是，1674年，耶稣传教士在对中国进行所谓的“科学启蒙”时，竟为北京观象台建造了一座黄道经纬仪。



岁星——农事的指针



木星在中国古代叫岁星。这颗行星对于农耕社会的人民非常重要，它的位置常常指示了旱涝、丰馑。《甘氏》曰：摄提格在寅，岁星在丑……其国有德，乃熟黍稷……其失次，其岁早水晚旱。意思是太岁在寅的年份，岁星在丑，岁星所在方位国家政权稳固，黍稷丰收。如果岁星不在它应该所在的位置，就会出现灾情。古人还把岁星的十二年周期与农事活动的周期联系在一起。《淮南子·天文训》载：岁星之所居，五谷丰昌，其对为冲，岁乃有秧。故三岁而一饥，六岁而一衰，十二岁一康。古人为什么把岁星的十二年周期与农事活动及水旱灾荒联系起来呢？这可能是因为木星的恒星周期11.86年与太阳活动周期11.11年十分相近，现代天文学表明，地球上的降雨量等天气、气候因素与太阳黑子活动密切相关。



岁星在古代是主四时寒暑之神



2000多年前，祝融的后代楚人甘德便是一位孜孜以求的“行星杀手”。他对岁星的观测极为仔细，并留下一本专门著作《岁星经》。而且他无疑是一位视力相当好的人——天文世家的遗传因子乎——他用肉眼发现了木卫三。《开元占经》引《甘氏》曰：单阏之岁，摄提在卯，岁星在子，与虚、危晨出夕入，其状甚有光，若有小赤星附于其侧，是谓同盟。

木卫三是木星卫星中最大的一颗，是颗橙黄色的四等星，当它与木星的角距大于5角分时，视力2。0以上的年轻人可以用肉眼直接看到它。中国科学院院士席泽宗先生根据甘德记录的木星位置，运用现代星历表对其发现年代进行推算，发现最可能的时间是公元前364年夏天。这一天木星正在宝瓶座运行，而女宿一、虚宿二、危宿一等均在宝瓶座范围之内，此与《开元占经》所载相一致。值得庆幸的是，这一年正在甘德的青年时代，否则，他老眼昏花时不太可能发现木星的卫星。要知道2000多年后的伽利略是用望远镜发现了木星最亮的卫星木卫四。




木星与木卫三



天象记录，浩如繁星



1054年，司天监天文历算官杨惟德一丝不苟的记录道：“我见到一颗客星的出现。这颗星微带晕色，发黄光，我恭敬的遵从皇帝的威权占卜，结果是：客星不犯毕宿。这说明皇上圣明，并且国内有伟大的圣贤。我恭请将卜辞交国史馆存档。”

杨惟德因为观测到这一“吉象”而受到皇帝的恩赏，但他断然没有想到，1000多年后会有全世界的天文学家济济一堂，召开专门会议来纪念这一伟大的观测。现代科学表明，我们的银河系大约每隔一、二百年出现一次产生超新星的星体大爆发。超新星见于记载的只有三颗：一颗是1572年第谷观测的“新恒星”，一颗是他的弟子开普勒1604年观察到的。第三颗便是1054年杨惟德所记载的那颗，这第三颗新星便是蟹状星云的来源，现已成为明亮而散乱的星云，一直在膨胀。它大概是在800年前从一个中心点开始的。据中国的记载，这颗客星的最高视亮度与金星相等，因此，很容易推算出，当它爆发时，亮度要超过太阳几亿倍。




蟹状星云是1054年那次超新星爆发的遗迹



无独有偶，科学家发现心宿二附近的强大射电源在历史上也能找到文字记载，它刻在一块3300年前的殷墟卜骨上，说的是己巳日晚上，有一颗巨大的新星和大火星同时出现。这是世界上最古的新星记载。有意思的是这片甲骨上的文字“新大星”的“新”字中有一撇被刻成了一个箭头，指向一个奇特的方向。这显然契刻者对看到的“新大星”中的特殊现象所作的特殊表达。而几天后契刻的另一片甲骨上称这颗“新大星”的亮度已明显降低。




这块甲骨记载：七日己夕有出新大星并火



辽宁宣化辽代张世卿星象图



古代中国人在天文观测史上拥有许多项骄傲的记录。中国古代采用六十干支记日。在殷墟甲骨文中用于干支纪日记载的日食、月食材料与天文计算结果基本相符。尤其是殷高宗武丁时发生的五次日食是惟一组确定无误的组合。孔子著《春秋》起于鲁隐公元年，迄于鲁哀公十六年，在这244年中记载了394个干支日名、37个日食记录，绝大部分有干支日名，并有28次日食记载发生在朔日，这37次日食记录，有33次是可靠的，其中28次记载的年、月、日与现代天文计算结果完全相符。这说明自商代至清末的3000多年的干支纪日法从未间断和错乱，这是一个奇迹！




甲骨文中的干支纪日


记有日食的甲骨



在慧星方面，巴比伦有些楔形文字记录，可追溯到公元前1140年。欧洲古代和中世纪对彗星的观测次数也很多，但是中国的纪录却是为完整。公元1500年以前出现的40颗彗星，它们的近似轨道几乎全部是根据中国的观测推算出来的。




长沙马王堆三号汉墓帛书中有画着各种形态的彗星图29幅



由于欧洲人相信天体是完美无缺的，所以他们对太阳黑子的观测在1610年以前是一片空白。但是中国人很早以前便已注意到太阳中有“黑气”、“黑子”、“乌”的现象。自公元前28年刘向的记载到公元1638年的中国正史中，显著的黑子记载达112次。研究黑子的学者正部分的利用中国的数据来探索太阳黑子的周期及最高值与极光之间的关系。




在中国的记载中，太阳黑子被描述为大如钱、大如卵、如桃、如李等



七月流火，农夫之辞也



在上古时代，中国人的的天文学知识极为普及。顾炎武总结说：三代以上，人人皆知天文，七月流火，农夫之辞也。三星在户，妇人之语也。月离于毕，戍卒之作也。龙尾伏辰，儿童之谣也。后世文人学者有问之而茫然者矣。到了少嗥氏时代，天下大乱，人神混杂。人人都从事与上天沟通的巫术。于是颛顼帝断然采取措施，命专门官员掌握天地这事。这便是著名的“绝地天通”，剥夺了平民研究天学的权利。历代王朝对民间“私习天文“有严厉的禁令，更不用说公开设立天文机构了。这与西方曾有过许多著名的私人天文台颇不相同，但也有个别孤独的天文勇士染指于这一皇家禁脔。



“七月流火”指的是大火星（心宿二）初昏时从南中天向西南下沉



公元526年，北齐发生葛荣农民起义，声势浩大，震动朝野。为躲避战乱，民间天文学家张子信跑到一海岛上隐居起来。在海岛上他制作了一架浑仪，并收纳门徒，罗致智士，专心致志的测量日、月、五星的运动。这或是中国古代唯一可与西方私人天文台相媲美的例子。

张子信在取得大量第一手观测资料的基础上，发现了关于太阳运动不均匀性、五星运动不均匀性和月亮视差对日食的影响的现象，同时提出了相应的计算方法，这在中国古代天文学史上是具有划时代意义的事件。




北齐天文学家张子信



由于中国古代的浑仪主要以测量天体的赤道坐标为主，当用浑仪观测太阳时，太阳每日行度的较小变化往往被赤道坐标与黄道坐标之间存在的变换关系所掩盖，所以古人发现太阳运动不均匀的现象难度较大。



紫金山天文台浑仪



我们知道，从冬至到平春分和从夏至到平秋分均历时91天多，而从冬至到真春分历时88天多，从夏至到真秋分历时93天多。所以张子信用浑仪测算知：在平春分和平秋分时，太阳的去极度都比一个象限要小一度余。由此便不难推知，自平春分到平秋分视太阳所走过的黄道宿度，应小于自平秋分到平春分视太阳所走过的黄道宿度。也就是说自平春分到平秋分视太阳的运动速度要小于自平秋分到平春分视太阳的运动速度，此即张子信所说的：“日行春分后则迟，秋分后则速”。

不但如此，张子信还对太阳在一个回归年内视运动的迟疾状况作了定量的描述，他给出了二十四节气时太阳实际运动速度与平均运动速度的差值，即所谓日行“入气差”，这实际上就是我国古代最早的一份太阳运动不均匀性改正的数值表格：日躔表。张子信关于太阳运动不均匀性的发现以及日躔表的编制，已经为后世历法关于太阳运动不均匀性改正的计算方法，奠定了经典的形式，其贡献是巨大的。



东西南北，其修孰多？



2300多年前的一个夏至日的中午，昔兰尼人埃拉托色尼斯在亚历山大城立下一根杆子，测得杆的投影角度，再量得与位于回归线上的塞里尼城之间的距离，便推算出地球的周长为二十五万埃及里。虽然亚历山大城与塞里尼由于不在同一经度上影响了测量的精度，但这不失为一次伟大的测量。

地球的大小自古是人类渴欲知晓的一件事。屈原在他不朽的《天问》中问道：东西南北，其修孰多？南北顺堕，其衍几何？古人是如何得出地球不是规则的？这已不可考。但自尧帝以来，对地球广深的考察便从未间歇过。相传尧帝派出羲和氏四兄弟率四支科学考察队远征东西南北西个方向。在南北方向上平置土圭，在土圭南端垂直竖立八尺高的表杆。如果这个高度在夏至日正午时的日影长一尺五寸，则说明土圭所在地为“地中”，此地宜建王国都城。再根据土圭每南一千里日影减一寸，北移一千里，日影增加一寸的规律，测量出诸侯都城距王城的距离，并以此为基础划定各诸侯国的疆域。当然，这是一种原始朴素的大地测量。隋朝的刘焯质疑了“千里差一寸”的经验，他上书隋炀帝说：“今交爱之州，表北无影，计无万里南过戴日，是千里一寸，非其实差……请一水工并解算术士，取河南北平地之所，可量数百里，南北使正。审时以漏，平地以绳。随气至分，同日度影。得其差率，里即可知。则天地无所匿其形，辰象无所逃其数”。但隋炀帝不听。

直到开元十二年，僧一行发起了一次大规模的大地测量活动，测量地点多达12处，以今河南省为中心，北起铁勒（今内蒙古自治区以北），南达林邑（今越南中部），测量范围之大前所未有。测量内容包括每个测量地点的北极高度，以及冬至、夏至、春分、秋分那天正午八尺之表的日影长度。




僧一行



这次测量活动，以太史监南宫说等人在河南滑县、开封、扶沟和上蔡四处的测量最为重要。这四个地点的地理经度比较接近，大致是在同一经度上。南宫说等人除了测出四处的北极高度和日影长度外，还测出了这四个地点之间的距离。一行从南宫说等人的测量数据中，计算出南北两地相差351里80步，北极高度相差一度，这个数据就是地球子午线一度的长。同现代测量子午线一度的长111.2公里相比，一行的数据虽然有较大的误差，但这是世界上第一次实测子午线长度的记录，有着十分宝贵的科学价值。



荧惑守心——中国古代天文学曲折轨迹



在浩瀚星海中，有五颗星与众不同——它们是动的！希腊人称之为“漫游者”，分别命名为水、金、火、土、木。中国人则命之为辰、太白、荧惑、岁星、镇星。其中火星荧惑的轨道又是这五颗特立独行的行星中最为诡异的，它不似其它行星以固定的坐标自西向东，居然会偶然发生自东向西的运动。每当火星逆行，天文学家往往沮丧得以头撞墙，只好不停的在托勒密行星轨道系统加上大小不一的独立小周转圆，试图表示所产生的逆行效应，并勉强解释亮度变化。中国古人对荧惑的恐惧感尤甚。每一两百年，荧惑在心宿时可能碰到冲——地球火星最近点。火星湛亮，向前走过心宿时好像舍不得离开，又往回逆行，再次拥抱心宿，才转回上路，这就叫荧惑守心，乃是大凶之兆，暗示着社稷巨变。因心宿二象徵帝王，若火星在心宿二附近逆行则被视为侵犯帝王，占星学指其为“大人易政，主去其宫”。不过据黄一农教授的研究发现，在二十三次荧惑守心的记载中，竟然有十七次均不曾发生。可见在神圣的天象前，愚昧的心智只会导致无谓的恐慌。




火星逆行示意图



中国古代天文学的发展也正似火星的轨道，在五帝时代便取得辉煌的天文学成就，但后世的天学发展一度停滞，甚至出现逆行。中国古代从来不存在一个明确的几何宇宙模型。中国天文与历法的代数性质使得许多天文学研究方法的继承性很差，不能深入揭示天体运行的内在规律，大量详尽的观察数据不能导致开普勒三定律、万有引力定律的发现，许多天象记录仅仅作为占星资料，有时甚至为了统治者的利益而任意捏造。

虽然天文官在中国历史上具有较高的地位，但皇家对天学的垄断严重遏止了民间的天学研究，政府常设专职的天学机构和专职的天学人员，却几乎从来没有产生过具有现代科学精神的探索，即从来没有超出其实用目的和服务对象之外的研究工作，这不能不说是一种遗憾。