深扒中国古代科技史,历史中记载的天文历法,古人智慧结晶
《五星占》是1973年底在湖南长沙马王堆三号汉墓发掘出土的大批帛书中的一篇。
《五星占》约8000字,共分木星、金星、火 星、上星、水星、五星总论、木星行度、土星行度和金星行度等九章,内含大量天文星占的文字,多是战国时期甘德《天文星占》8卷和石申夫《天文》8卷中占文 的遗存,其中以甘氏的占文最多。《五星占》载有自秦始皇元年(前246年)至汉文帝三年(前177年)间木星、土星和金星的位置,还记载了3颗行星的会合 周期,分别是:金星:584.40日,该值与理论值之差为0.48日;木星:395.44日,该值与理论值之差为3.44日;土星;377日,该值与理论 值之差为1.09日。这表明当时对行星运动的观察已有相当高的水平。
《五星占》被认为是目前所知年代确切可考的中国星占文献中最古老的。
石氏星表是世界最古老的星表。星表是把测量出的恒星的坐标,常常还连同其他特性加以汇编而成的。石氏星表是今人根据唐代的天文着作《开元占经》中记录 的《石氏星经》中的一些片段整理而成的,仅仅是《石氏星经》的一部分内容。《石氏星经》是中国战国时代天文学家石申所编,它到宋代以后就失传了,其中有二 十八宿距星和115颗恒星的赤道坐标位置,这是世界上最古老的星表。
“石氏星表”是后世进行许多天体测量的基础。诸如测量日、月、行星的位置和运动,都要用到其中二十八宿距星的数据,因此,它是我国天文历法中重要的基本数据。希腊最早的星表要比“石氏星表”晚得多。
水运浑象是世界上最早的自动天文仪器。汉代着名的天文学家张衡(78~139年)创制。
水运浑象的主体是一个大空心铜球,代表天 球,上面布满了星辰,球的一半隐没在地平圈下面,另一半显露在地平圈上面,就像人们看到的天穹一样。水运浑象是以补偿式漏壶的流水作为动力,通过在浑象内 部设置的一套齿轮系机械传动装置,实现可自动和近似正确地演示天体的周日运动。此外,浑象还带动着一个称为“瑞轮蓂荚”的机械日历,可随月亮的盈亏演示一 个朔望月中日期的推移,是一种自动的机械日历。
圭表是我国古代度量日影长度的一种天文仪器,由“圭”和“表”两个部件组成。
很早以前,人们发现房屋、树木等物体在阳光照射下会 投出影子,这些影子的变化有一定的规律。于是便在平地上竖立一根竿子或石柱来观察影子的变化,这根立竿或立柱就叫做“表”,用一把尺子测量表影的长度和方 向,则可知道时辰。后来,人们发现正午时的表影总是投向正北方向,就把石板制成的尺子平放在地面上,与立表垂直,尺子的一头连着表基,另一头则伸向正北方 向,这把用石板制成的尺子叫“圭”。正午时表影投在石板上,古人就能直接读出表影的长度值。
经过长期观测,古人不仅了解到一天中表影 在正午最短。而且得出一年内夏至日的正午,烈日高照,表影最短,冬至日的正午,煦阳斜射,表影则最长。于是,古人就以正午时的表影长度来确定节气和一年的 长度。譬如,连续两次测得表影的最长值,这两次最长值相隔的天数,就是一年的时间长度。难怪我国古人早就知道一年等于365天多的数值。
浑仪是我国古代的一种天文观测仪器。在古代,“浑”字含有圆球的意思。古人认为天是圆的,形状像蛋壳,出现在天上的星星是镶嵌在蛋壳上的弹丸,地球则是蛋黄,人们在这个蛋黄上测量日月星辰的位置,因此,把这种观测天体位置的仪器叫做浑仪。
最初,浑仪的结构很简单,只有三个圆环和一根金属轴。最外面的那个圆环固定在正南北方向上,叫做“子午环”;中间固定着的圆环平行于地球赤道面,叫做 “赤道环”;最里面的圆环可以绕金属轴旋转,叫做“赤经环”,赤经环与金属轴相交于两点,一点指向北天极,另一点指向南天极。在赤经环面上装着一根望筒, 称为窥管。窥管可以绕赤经环中心转动,用窥管对准某颗星星,然后。根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该星在天空中的位置。
后来,古人为了便于观测太阳、行星和月球等天体,在浑仪内又添置了儿个圆环,也就是说环内再套环,使浑仪成为多种用途的天文观测仪器。
西汉落下闳、东汉贾逵、唐李淳风等都设计制造过浑仪,陈列于南京紫金山天文台的浑仪是明正统年间所造的。
简仪是我国古代的一种天文观测仪器,元初天文学家郭守敬创制。因是将结构繁复的唐宋浑仪加以革新简化而成,故称简仪。
简仪与浑仪一样也用于测量天体的位置,但是,浑仪的结构比较繁杂,观测时经常发生环与环相互交错阻挡视线的现象,使用极不方便。郭守敬将浑仪简化为两个独立的观测装置,安装在一个底座上,每个装置都十分简单实用,而且除北极星附近以外,整个天空一览无余。
简仪的主要装置是由两个互相垂直的大圆环组成,其中的一个环面平行于地球赤道面,叫做“赤道环”;另一个是直立在赤道环中心的双环,能绕一根金属轴转 动,叫做“赤经双环”。双环中间夹着一根装有十字丝装置的窥管,相当于单镜筒望远镜,能绕赤经双环的中心转动。观测时,只要将窥管对准某颗待测星,就可以 在赤道环和赤经双环的刻度盘上直接读出这颗星的位置值。有两个支架托着正南北方向的金属轴,支撑着整个观测装置,使这个装置保持着北高南低的形状。简仪是 我国首先发明的赤道装置,要比欧洲人使用赤道装置早500年左右。
简仪的结构,不仅在当时居于世界领先地位,而且也是现代赤道式天文 望远镜的鼻祖,这是我们的先人对世界天文学的一个重大贡献。非常可惜的是,郭守敬创制的简仪,1715年(清康熙十四年),竟被在钦天监任职的法国传教士 纪理安当作废铜熔化了。简仪比西方丹麦天文学家第谷(Tycho Brahe)的同类仪器早300多年。
最早的天象记录
古代中国的天象记录,堪称世界一绝,拥有一系列堪称世界之最的独家文献。天象,泛指各种天文现象,如太阳出没、行星运动、月相变化、彗星、流星、流星 雨、陨星、日食、月食、极光、新星、超新星、月掩星、太阳黑子等。中国早在4000年前就注意观测和记录天象,此后历代的天文官和民间的天文学家也都始终 注重观测天象。中国古代的天象记录内容丰富、资料翔实,在世界上是独一无二的。
二十四节气
节气就实质而言是属于阳历范畴,从天文学意义来讲,二十四节气是根据地球绕太阳运行的轨道(黄道)360度,以春分点为0点,分为24个等分点,每2个等分点相隔15度,每个等分点设有专名,含有气候变化、物候特点、农作物生长情况等意义。
二十四节气在我国是逐渐确立完善起来的。我国周朝和春秋时代是用“土圭”测日影的方法来定夏至、冬至、春分、秋分。琴朝《吕氏春秋》的《十二纪》中所记 载的节气已增加为8个,即立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬、冬至。还有一些有关惊蛰、雨水、小暑、白露、霜降等节气的萌芽的记载。到了汉朝《淮 南子·天文训》中已有完整的二十四节气记载,与今天的完全一样。
《太初历》和《授时历》
历法是确定年、月、日等计时单位的长度,并使之依一定的关系组合,供计量较长时间间隔之用的计时系统。
《太初历》(又称三统历) 是我国古代流传至今的第一部完整的历法,是西汉时期由邓平、落下闳制订的。汉武帝太初元年(前104年),由于原来实行的颛顼历越来越不符合实际天象,汉 武帝从各地召集通晓历法、算术和仪器制造等方面的专家20多人,议造新历,后来太初历人选。《太初历》规定一年为365.250164日,一月为 29.53086日;将原来以十月为岁首改为以正月为岁首;开始采用有利于农时的二十四节气;首次提出了以没有中气的月份为闰月的原则,把季节和月份的关 系调整得十分合理;它重新测定了二十八宿的距离;第一次明确提出了交食周期的概念和数值;测定了比以前准确得多的五星会合周期值,并且制定了五星在一个会 合周期里的动态表,建立了一套定量预报任一时日五星位置的方法。《太初历》的制订是我国历法上一个划时代的进步。《太初历》不仅是我国第一部比较完整的历 法,也是当时世界上最先进的历法,它问世以后,一共行用了189年。
公元1280年,元代王恂(1235~1281年)、郭守敬 (1231~1316年)等制订《授时历》,废除古代历法,是中国历法的第四次大改革,该历已和现代公历性质基本祥。郭守敬等人通过3年多的200次测 量,经过计算,采用365.2425日作为一个回归年的长度,这个数值与现今世界上通用的公历值相同,而在六七百年前,郭守敬能够测算得那么精密,实在是 很了不起,比欧洲的格列高里历早了300年。《授时历》于1281年颁布,施行了364年,是我国古代最精确和使用最长久的历法。
最早的气象探测仪器
西汉时出现的一种天平式的湿度计是世界上最早的测湿仪器。在西汉初年《淮南子》一书中,记载了用羽毛、木炭测湿以预测降雨的实例:“悬羽与炭而知燥湿 之气。”并指出这种仪器测湿的原理。因为炭吸湿性强,也易蒸发,它极易随空气湿度大小而产生重量变化,“燥,故炭轻;湿,故炭重”。而羽毛或土的吸湿性较 差,其重量受温度变化的影响甚小,可以说保持不变。把羽毛或土和炭在一定时间内悬挂在天平的两端,使之处于平衡状态,当湿度发生变化时,炭随湿度大小而产 生重量变化,羽毛或土的重量几乎不变,这样,天平便失去平衡。再由天平倾斜角度的大小,可以知道湿度的大小。西汉发明的天平式湿度计,比15世纪达·芬奇设计的湿度计早1500多年。
《乙巳占》(最早给风力定级)
《乙巳占》是一部综合性的占星学着作,是我国店代学者李淳风(602~670年)于唐显庆元年(656年)稍后所撰成的。他在(乙巳占》中依据风力对 树木的影响和损坏程度将其分为8级,据(乙巳占》卷十《占风远近法》的描述,这8级分别为:一级动叶,二级鸣条,三级摇枝,四级堕叶,五级折小技,六级折大枝,七级折木飞沙石,八级拔材及根。李淳风认为不同大小的风其所由来的远近也不同,风力越大,其所由来的距离越远。李淳风讲了8级风速,加上静风、和风 则是10级。这与1804年英国蒲福(SirF·Beaufort)所定风级相近,但李淳风比蒲福早1100多年。