古代世界最先进的天文观测工具──浑仪和简仪
http://www.newdu.com 2024/11/24 12:11:34 人民教育出版社 佚名 参加讨论
古代世界最先进的天文观测工具──浑仪和简仪 人民教育出版社 马执斌 中华民族自古以农业为立国之本。农业生产受到自然季节变化规律的支配，春季播种，夏季耕耘，秋季收获，冬季贮藏，农事活动总要跟季节变化紧密配合，而季节变化的周期是一年。所以，历代统治者都把观测天象，编制历法，敬授民时，作为一件头等大事来抓。在古代中国，正是历法的编算带动了整个天文学的发展。 编制历法依赖精密地观测天象。古代中国天文学家对天象，观测唯勤，探微唯精，留下了丰富、可靠的星象记录。观测唯勤，需要辛苦的劳动和坚强的毅力，而探微唯精，必须借助先进的观测工具。古代中国天文学家用来观测星象最重要的工具是浑仪。在望远镜发明以前，浑仪是世界上最先进的天文观测工具。现今存世最早的浑仪是明代正统七年（1442）制成的，陈列在南京紫金山天文台。它作为中国古代科技成就的代表，被印在邮票上，印在宣传画上，传播到全世界。 浑仪起源于何时，目前尚未弄清。《尚书·舜典》有“在璿璣玉衡，以齐七政”的说法。意思是：“舜利用璿璣玉衡观察、确定日月五星的位置。”疏“《说文》云：璿，美玉也。玉是大名，璿是玉之别称。璣衡俱以玉饰。……璣衡者，璣为转运，衡为横箫，运璣使动於下，以衡望之，是王者正天文之器。汉世以来谓之浑天仪者是也。”《说文》是《说文解字》的简称。《说文解字》是中国古代集周秦两汉文字训诂之大成的文字学宝典，其字义解释，皆本六书。《说文解字》的作者是东汉许慎，字叔重。时人称“五经无双许叔重”。许慎对“璿璣玉衡”的解释，应当是有根据的。按照许慎的解释，“璿璣玉衡”就是浑天仪的雏形。古代中国有两种天文仪器有时都叫浑天仪，一种是测量天体球面坐标的浑仪，另一种是演示天体运动的浑象。许慎在解释“璿璣玉衡”时提到“衡为横箫”、“以衡望之”，由此可知，“衡”就是浑仪上的窥管，又叫望筒，浑象上用不着它。所以，“璿璣玉衡”依照许慎的说法，就是浑仪的前身，也可称为原始浑仪。这种原始浑仪在虞舜时期就有了。 原始浑仪可能是由两个圆环组成的，一个圆环是固定的赤道环（ErRE’R’），  其平面和赤道面平行，环面上刻有周天度数（365.25度）；另一个圆环是四游环，也叫赤经环（PMRP’M’R’），能够绕着极轴（POP’）旋转，赤经环上也刻有周天度数。在赤经环上附有窥管（M’OM），窥管可以绕着赤经环的中心旋转。用浑仪观测某一天体M的时候，先由东向西旋转四游环令其对准M，再将窥管上下旋转令人眼从窥管中看到M。此时，大圆弧  便是天体M与北极星的距离P，古人称为“去极度”。 便是天体M与赤道的距离，天文学上称为“赤纬”，用希腊字母δ表示。由《浑仪示意图》上可以看出，P+δ=90o。示意图上的r表示春分点，从r起沿赤道量度的大圆弧 ，称为天体M的赤经，用希腊字母α表示。两个天体的赤经差(α2-α1)，称为“距度”。为了测定天体的坐标位置，古人就沿黄道和赤道，自西向东把周天划分成二十八个大小不等的区域，每个区域叫做一宿，总计二十八宿；又在每一宿中选取一颗星作为测量的标准，这颗被选定的星叫做距星。假若M1(α1δ1)是二十八宿的距星之一，那么α2-α1，就是M2(α2δ2)的入宿度。中国古代天文学家就用入宿度和去极度来表示天体的位置。虞舜是古史传说中著名的部落联盟首长。虞舜时期处于新石器时代晚期。估计那时的原始浑仪是用玉石制成的。东汉学者郑玄说：“其转运者为玑，其持正者为衡，皆以玉为之。”玉石耐腐蚀，如今出土的新石器时期的玉器数量不少，可是没有一件浑仪。因此有人怀疑许慎对《尚书·舜典》中“璿璣玉衡”的解释是否正确。围绕这个问题，肯定者和否定者辩论了一千多年，至今悬而未决。 战国时期的天文学家石申在公元前4世纪中叶著成《石氏星经》。后来，《石氏星经》失传了。但是，石申测量的一百多颗恒星的赤道坐标数据，保存在瞿昙悉达主持编纂的《开元占经》中。例如说：“角为苍龙之首……去极九十三度半。”就是说：“角宿到北天极的角距离是九十三度半。”我们知道，地球是椭圆形的，赤道部分较为突出，两级部分呈扁平状。由于太阳和月亮对地球赤道突出部分的吸引作用，使得地轴绕黄极作缓慢地移动，相应地春分点沿黄道以每年50’’.24速度西移，大约25800年移动一周，这种现象称为“岁差”。按照岁差规律，比较一颗恒星古今坐标的变化，可以推算出这颗恒星古赤道坐标测定的年代。现代天文学家运用这个方法检验石氏星表的赤道坐标数据，结果表明，其中有一部分是公元前4世纪测定的。反过来，这些数据也证明战国时代中国理应已有浑仪。英国学者李约瑟在《中国科学技术史》中写道：“我们有充分的根据相信，石申和甘德确实在公元前4世纪就已用度数定下恒星的位置；假如没有某种刻度的浑环，这种测量是完全不可能的。” 在西方，最早的星表是古希腊天文学家伊巴谷于公元前2世纪测编的。在他之前，古希腊的天文学家阿里斯提尔和提莫恰里斯也测量过一些恒星，但那也是公元前3世纪的事。他们至少也要比石申的测量工作晚几十年。 制造浑仪依据的原理是浑天说。浑天说思想体系的完整表述，见于《浑天仪注》：“浑天如鸡子，天体如弹丸，地如鸡子中黄，孤局于内，天大而地小。”作者用寥寥数语，就让一个宇宙结构模型生动地展现在我们面前。 浑天说的精髓有三点：第一点，天体浑圆，是正球形，不是半球形，像“鸟卵”或“弹丸”。第二点，地居天球之内，“天大而地小”，犹“壳之裹黄也”。第三点，地如蛋黄，也是圆球形的。 浑天说起源于何时呢？学术界存在两种观点：一种是起源于战国时期；另一种是肇端于西汉落下闳，学说体系形成于东汉张衡。 学术界一般认为，《浑天仪注》是东汉张衡所作。《浑天仪注》讲“地如鸡子中黄”，这是地圆思想的形象表达。张衡还著有《灵宪》。据《隋书·天文志》说：“张衡为太史令、铸浑天仪，总序经星，谓之《灵宪》。”可见，张衡铸浑天仪在先，撰《灵宪》在后；《浑天仪注》是为铸成的浑天仪所写的说明书，理应成书于《灵宪》之前。可是，张衡在《灵宪》中说：“天体于阳，故圆以动；地体于阴，故平以静。”在这里，张衡又说天体是圆的，地是平的，这显然是盖天说，与《浑天仪注》中的地圆思想产生了矛盾。那么，《浑天仪注》的作者是不是东汉张衡呢？值得怀疑。《宋书·天文志》引三国时天文学家王蕃的话说：“前儒旧说，天地之体，状如鸟卵，天包地外，犹壳之裹黄也。周旋无端，其形浑浑然，故曰浑天也。”由此可见，王蕃并不认为《浑天仪注》中“地如鸡子中黄”是张衡的创新思想。笔者以为，浑天说肇端于西汉落下闳，学说体系形成于东汉张衡的观点，恐怕与事实不符，而浑天说萌发于战国时期的观点是有根据的。 在战国时期的诸子著作中，我们可以找到一些朴素的“浑天”思想萌芽。例如《文子·自然》：“天圆而无端，故不得观其形”；“轮转无穷，象日月之运行，若春秋之代谢，日月之昼夜终而复始，明而复晦”等等。这就是说，天是一个正球形，不是半球形，日月星辰不可能在半球形的天穹进行周而复始的运行，从而突破了“苍天如圆盖，陆地如棋局”的盖天说。《汉书·艺文志》的注释说：文子是“老子弟子，与孔子并时。”今人据1973年河北定县汉墓出土竹简，证明《文子》是战国时期的著作。生活在公元前4世纪的赵国人慎到，是当时法家的代表人物。他曾在齐国的稷下讲学，久负盛名，著有《慎子》。书中讲道：“天形如弹丸，半覆地上，半隐地下，其势斜倚，故天行健。”这句话，用弹丸比喻天，明确地表达出作者认为天体是球形的；“半覆地上，半隐地下”，就是讲天大地小，天包地。战国中期的名家代表人物惠施曾说：“南方无穷而有穷”（《庄子·天下》）。怎么能够既是“有穷”，同时又是“无穷”呢？只能是把大地想象为一个圆球，一直向南走，可以回到出发点，周而复始，无穷无尽。这种“有穷”和“无穷”的朴素辩证关系中已经包含有地圆的思想。惠施还说：“天与地卑”（《庄子·天下》）。按盖天说：“如天之无不帱也，如地之无不载也”（《庄传·襄公二十九年》），那么，天在上、地在下，是天经地义的事情，天是无论如何也不能“与地卑”。只有按浑天说，从天地俱圆的思想出发，附丽于天球内壁的日月星辰，每天周而复始地运转，一半时间在地平线上面，另一半时间在地平线下面，这样才能理解“天与地卑”的真实含义。总之，浑天说的三点精髓──天圆、地圆与天包地的思想萌芽在战国时期都出现了。 汉朝建立后，“用颛顼历”，“袭秦正朔”，采取传统历日制度，以冬季十月为岁首，即十月为每年的第一个月，但仍称十月而不称正月；第四个月，因避秦始皇名讳，称端月，汉代改端月为正月；最后一个叫做九月；每年按照冬、春、夏、秋的顺序安排。颛顼历创立于公元前4世纪，使用时间一长，误差加大。汉武帝元封七年（公元前104年），大中大夫公孙卿、壶遂、太史令司马迁等建设修改历法。这年五月，汉武帝命令公孙卿、壶遂、司马迁等议造新历。他们编制的新历法就是《史记·历书》所载的《历术甲子篇》。汉武帝为施行这部新历法颁布了诏书。但新历法施行后，遭到朝野人士的激烈反对，汉武帝不得不把施行诏书撤回，又从朝野请出治历邓平及长乐司马可、酒泉侯宜君、侍郎尊及民间治历者方士唐都、巴郡落下闳等二十余人重新研制历法。在研制新历法过程中，浑天说与盖天说展开激烈辩论。当时献计修改历法的方案有十八家。其中，由民间天文学家方士唐都负责天象观测，民间浑天派天文学家落下闳负责历法推算，他们所编历法符合朝廷负责历法的官员邓平提出的“八十一分律历”原则。所谓“八十一分律历”，是指朔望月日数的分母为八十一。古历一月为  日，它的策余，即日的小数部分比1/2大。邓平想把它化简，倘若化作17/32，则大于古历的策余；倘若化为26/49，则又小于古历的策余；于是，邓平把分子分母分别相加，得43/81，他认为这是最佳值。每个朔望月日数的分母是历法基本常数。这样，唐都和落下闳编制的历法得到初步认定，汉武帝又指定宦者淳于陵渠核实。结果证明，唐都和落下闳所编历法，“晦朔弦望，皆最密。”特别是推算出太初上元甲子夜半朔旦冬至时，“日月如合璧，五星如连珠”的罕见天象，准确无误。最终，在十八家修改历法方案的较量中，唐都和落下闳的方案胜出，这就是《太初历》。据陈寿《益都耆旧传》说：落下闳应召赴京都，于“地中（今洛阳）转浑天，改颛顼历作太初历。”在陈寿之前，西汉文学家杨雄所著《法言·重黎》记载：“或问浑天，曰：落下闳营之，鲜于妄人度之，耿中丞象之。”这段话的意思是，“有人询问浑天说的理论，回答说：浑天是落下闳营造的，鲜于妄人度量过它，耿中丞用铜铸造出浑仪。”鲜于妄人是西汉昭帝时的天文学家，他检验过落下闳的浑天说数据。耿中丞是西汉宣帝时的大司农中丞，他依据浑天说用铜铸造出浑仪，在甘露二年（公元前53年）曾以“以圆仪度日月行，考验天状”。在杨雄看来，落下闳、鲜于妄人和耿寿昌，是制造铜浑天仪的关键人物。 以上两种说法有一个共同点，那就是落下闳是史籍记载中最有事实根据、最可信的与浑仪有关系的人物。笔者倾向于落下闳制造过浑仪，但不是创制，他编制太初历时使用的浑仪，可能是用传统材料玉石制的。 自西汉制造出铜浑天仪以后，历代都有人改进、完善它。例如东汉中期，天文学家傅安、贾逵提出在浑仪上添加黄道环的建议，获得批准，于永元十五年（103年）制出名为“太史黄道铜仪”的浑仪。浑仪原本是利用赤道坐标系统来度量恒星位置。在地球上，无论你站在哪里，天空总像一个硕大无朋的半球，笼罩着大地。日月星辰就镶嵌在天球的内壁上，而你总会觉得自己处在整个天球的中心。古代中国天文学家以北极星为天球北极。因为北极星跟地理北极相对应，所以天球赤道就是地球赤道在天球上的投影。这样，用浑仪观测恒星位置很方便，因为所有恒星每天东升西落都是平行于赤道面的。但是，由于太阳在恒星背景上的视运动轨道──黄道，与赤道有一个23度多的夹角，所以用浑仪观测太阳的位置就不方便了。傅安、贾逵给浑仪添加黄道环，观测太阳的位置就容易了。太史黄道铜仪诞生以后，继续设计、改善浑仪的还有东汉张衡，三国时期的王蕃、葛衡，南朝的钱乐之、陶宏景，隋唐的耿询、僧一行、梁令瓒等。到宋代，天文学家苏颂集众家之长，于元祐七年（1092）制成最宏伟、最复杂、最精密的“水运浑天”──“水运仪象台”。它包括浑仪、浑象、报时三部分，可以说是近代天文台的雏形。浑仪设置在水运仪象台的最上层。 苏颂所设计的浑天仪分三层：外层名叫“六合仪”，由地平、子午、外赤道三个环组成，主要用于测定一天的时间和经纬度，因测量的范围包括东西、南北、上下六个方向，称六合，故名。中层名叫“三辰仪”，由黄道环、白道环和内赤道环组成，可以绕极轴旋转，主要用于测定一年四季变化和日月、星辰的位置。黄道环用来表示太阳的位置，白道环用来表示月亮的位置，内赤道环用来表示恒星的位置。中国古代称日、月、星为三辰，故名。内层名叫“四游仪”，环中设窥管，以备观测。四游仪可在三辰仪里旋转，三辰仪又可绕极轴在六合仪里旋转。 现存南京紫金山天文台的明代正统年间的浑仪，基本上就是按照苏颂设计的模式复制的。它的底座长246厘米，通高280厘米，由铅锡青铜合铸而成。拱托仪器的四条青铜龙，腾跃欲飞，形态生动。铜龙内设铁芯，加强了铜龙柱的抗变能力。这件古代天文仪器不仅是科学上的杰作，而是罕见的艺术精品。 浑仪作为中国古代最重要的天文观测工具，它在构造上存在两大缺点：一是装配复杂，众多环圈中心都相重合，装配起来难免产生中心差，二是环圈交错，彼此遮掩，给观测带来不便。从北宋开始，就出现了简化浑仪的趋势。金元时，简仪应运而生。金章宗承安四年（1276），一个叫丑和尚的民间天文家向朝廷进呈天文仪器图纸，“简仪”就是其中一项。但这设计仅停留在图纸上，并没有制做成功。设计并制造成功简仪的是元代天文学家郭守敬。 至元十三年（1276），元世祖忽必烈基本统一天下。他考虑到对于一个新王朝，颁布新历法是一件重大措施，于是决定建立太史局，编制新历法，并将建立太史局的具体工作交给“以算术冠一时”的太子赞善王恂。忽必烈授权给王恂，太史局人员悉听他挑选安排。王恂挑选数十人入太史局，其最主要的一位是他的老同学、工部郎中郭守敬。不久，朝廷正式任命王恂为太史令、郭守敬为同知太史院事，成为王恂的副手。郭守敬提出：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表。”（《元史·郭守敬传》）。意思是，编制历法的根本在于实际观测，观测必须准备好精确适用的仪表。王恂采纳郭守敬的意见，让郭守敬负责制造仪器和观测天象，自己负责历法计算。 郭守敬设计、制造的简仪，打破了传统浑仪的模式，是一种崭新的测量天体位置的仪器。  简仪废弃了传统浑仪众多圈环的同心圆构造模式，设计出互相独立的赤道经纬仪和地平经纬仪，每个仪器结构都十分简单，除去北极附近一小块区域以外，整个天空可以一览无余。 简仪的上部有四道圈，由上至下，依次是定极环、四游环、赤道环和百刻环。赤道环与百刻环紧挨在一起。位于顶部的是定极环，环口内径约当天球上6度。当时，以天枢星为北极星，并测定它离天球北极还有3度。在简仪南下方观测时，天枢恰好沿定极环内缘每昼夜转动一周。定极环中有十字斜交的两根档子，中心相交处有个直径5厘米的小孔，这个小孔正对着天球的北极。定极环下面是四游环。四游环是测定天体去极度用的。利用四游环和赤道环及附属的界衡，可以测定天体的入宿度。利用百刻环与四游环跟界衡，可以测定地方真太阳时。通过数学计算，可以推算出黄道坐标来，所以能够省略掉黄道圈。四游环独立于赤道环之上，从而避免了多环遮掩的弊病。赤道环可以在固定的百刻环上转动。一个扁平的大铜圈在另外一个扁平大铜圈上旋转，滑动摩擦的阻力很大，旋转起来必然很费劲。郭守敬在“百刻环内广面卧施圆轴四，使赤道环旋转无涩滞之患”，即在两环之间平放四个圆筒形的短铜棒，让两个接触面之间，由原来的滑动摩擦改变为滚动摩擦，旋转起来非常灵便。它可以说是近代滚球轴承和滚筒轴承的祖先。郭守敬发明和应用的轴承，比西方文艺复兴时期达·芬奇（Leonardo da Vinci）设计滚筒轴承大约要早两个世纪。 简仪的下部有两道圈，是地平经纬仪。竖直的由东向西转动的是立运环，当旋转窥衡瞄准日月星辰时，可以测量天体的地平高度。平卧在下面的是阴纬环，用以测量天体的方位角。原先的浑仪只能测天体在中天时的地平高度，无法用来测量天体的方位角和处于其他位置的地平高度。 简仪是按赤道坐标系统制造的天文观测工具，但通过数字计算完全可以求出黄道坐标系统的数据。郭守敬于至元十六年（1279）制成的简仪，在天文学史上，是一项伟大的发明创造。它比西方同类仪器早诞生三百多年。 在古代，黄道比赤道难确定。因为恒星都是东升西坠的，所以黄道坐标不如赤道坐标观测天体运动方便。古代欧洲天文学家采用黄道坐标系统观测天象，这就妨碍了他们对宇宙形体的精确测量。在西方，丹麦天文学家第谷被誉为“星学之父”。西方人认为第谷奠定了近代天文观测的基础。其实，第谷是间接从一位了解中国天文科学技术的阿拉伯人那里得到启发，在汶岛设立天文台，抛弃黄道坐标，采用赤道坐标，依照中国浑仪原理，于1598年制造出西方第一台大型赤道式天文仪器，进行星象观测，获得丰硕成果。后来，第谷的观测资料传给约翰内斯·开普勒，帮助开普勒发现了行星运行规律，而行星运行规律又给提出万有引力定律的英国科学家牛顿以重要启迪。事实证明，近代西方天文学家取得的巨大成就，或直接或间接地受惠于古代中国天文学家的发明。英国学者R·坦普尔在《中国的创造精神》一书中指出：赤道坐标体系是一项几乎无人了解的、中国人对近代西方科学的一个贡献。 (责任编辑：admin) |