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中国古代科技成就







初版序言


茅以升


  正当全国人民努力奋斗、争取在本世纪末实现四个现代化、赶超世界科 学技术先进水平的时候,出版这本介绍我国古代科学技术成就的书,是否会 有不急之务的感想或疑问呢?水有源,树有根,科学技术也有继承发展的问 题。毛泽东说:“中国的长期封建社会中,创造了灿烂的古代文化。清理古 代文化的发展过程,剔除其封建性的糟粕,吸收其民主性的精华,是发展民 族新文化提高民族自信心的必要条件”①。列宁也说:“马克思主义??并 没有抛弃资产阶级时代最宝贵的成就,相反地却吸收和改造了两千多年来人 类思想和文化发展中一切有价值的东西。”②因此,这本书的出版,正是为 了鉴古知今,来加强我们当前为了那宏伟目标而奋斗的信心。从这本书的内 容来看,我国古代的科学技术,长时期处于世界上的前列,有过惊人的辉煌 历史,只是在近二二百年前,才开始走下坡路。正如英国学者李约瑟在他所 著的《中国科学技术史》的序言中所说:“中国的这些发明和发现往往远远 超过同时代的欧洲,特别是在十五世纪之前更是如此(关于这一点可以毫不 费力地加以证明)。”①
科学技术的成就,并非纸上谈兵,而应该是确实无疑地表现在活生生的
各种事实上。如果一项科学创见或技术发明不能最终反应到人民生活上来推 动历史前进,那就不能算是成就。这本书所介绍的成就,都可以在我国历史 上得到验证,都可以算是当之无愧的成就。
首先,几千年来,我国除短暂时期外,政治上始终统一,尽管民族众多
而未分裂成欧洲那样;更不像罗马帝国或蒙古帝国,只是盛极一时,以后就 衰亡下去。我们中国和它们不同。我们中华民族上下四千年,屹立于大地, 而且日益繁荣昌盛。主要原因之一,正如本书的内容所体现的,就是由于我 们有自己的科学文化的辉煌成就。
在今天的世界上,我国国土并非最大,但是人口最多。这不能说只是由
于地理条件如气候、土地、资源等比较优越的缘故,因为有同样优越条件的 国家,人口都比我国少得多。这应当主要归功于我国古代的农业和医药科学 的成就。当然,其他文化和经济方面也有重大影响。
在国内人口增长的同时,海外华侨人数也很多,到今天已有三四千万 人,散布在世界各地,主要在东南亚一带,在当地作出多方面的贡献。他们 依靠祖国的文化,形成团结的力量,这文化里就有科学技术,是华侨立足海



① 毛泽东:《新民主主义论》,《毛泽东选集》,人民出版社 1991 年第二版,第二卷,第 707、708 页。
② 列宁:《论无产阶级文化》,《列宁选集》,人民出版社 1972 年第二版,第四卷,第 36 页。
① 李约瑟:《中国科学技术史》,科学出版社、上海古籍出版社 1990 年版,第一卷,第 2 页。





外的一种凭借。
  说到华侨,不由地想到两千年来我国科学技术在国际文化交流中的地位 和影响。汉代张骞使西域,开辟了“丝绸之路”,通往中亚、西亚各国;唐 代鉴真和尚去日本;明代郑和“下西洋”。不少的探险先驱,都带去了祖国 的科学技术。当然,这也同时开辟了我国吸收外国文化的途径。
  从十七世纪耶稣会传教士来到北京以后,“西方”的科学技术开始输入 我国。到了清代末期,封建统治者崇洋媚外,五四运动后又有人提倡“全盘 欧化论”,结果西方的科学技术就逐渐占领了我国的文化阵地。直到解放以 后,由于毛泽东主席和周恩来总理的关怀,我国古代科学技术才逐步恢复到 它应有的地位。因而全国各地都特别重视出土文物的发掘、整理、研究、展 览等工作,并对古代遗留下来的建筑、桥梁、古迹等贯彻执行由国家重点保 护的方针。从大量的古代文物中,可以验证我国古代的科学技术对我国悠久 文化所起的重大作用。
  建国不久,1950 年,我中央人民政府就颁布法令,规定古迹、珍贵文物 图书和稀有生物保护办法,并且颁发古文化遗址的调查发掘暂行办法。二十 八年来,出土文物的数量之多,价值之高,都非常惊人,使我们对我国各民 族的文化遗产有了广泛和深切的认识,特别是对古代科学技术,能亲眼看到 它成就的伟大。比如:河北满城西汉刘胜墓中的“金缕玉衣”;湖北江陵凤 凰山西汉文帝年间的古墓里有非常完整的男尸一具,外形和内脏的保存都胜 过长沙马王堆汉墓里的女尸;陕西岐山、扶风交界处发掘出西周大型建筑遗 迹;陕西咸阳发掘出秦始皇时代宫殿遗址;广州市发掘出秦汉造船工场遗 址;等等。数不胜数的两千年前的遗物中,哪一项里没有科学技术的贡献呢! 当然,从这许多文物和遗址中,首先接触到的是当时手工艺的水平,在 某些方面,两千年前劳动人民的技巧,竟可以同今天的技巧相比。手工艺表 现在物质上的成品,必定牵涉到各种材料的生产和利用,如铜铁、玉石、木 材等等。在材料的制成和使用中,结构和装配等等里面,就都有技术,有属 于冶金工程的,有属于采矿工程、土木工程、机械工程的,甚至还有化学工 程。我国两千年前就有了这样的技术,这是很可以引为自豪的。至于科学水 平,这是表现在技术上的,技术之所以成功,必定暗含科学道理,这就证明
了,当时劳动人民的生产实践已经掌握了自然界里物质运动的一些规律。
  在秦汉以后的文化高潮推动下,我国的科学技术逐步发展,如本书中所 介绍。更可贵的是,在自然科学方面,如天文、数学、物理、化学、地学、 生物学、医学、药物学等等,有的成就超过西方一千年,如祖冲之的圆周率; 以及气象学、地震学方面,也处于世界的最前列。至于技术,对人类的贡献 就更多了。如造纸、指南针、火药、印刷术等等都是我们祖先发明的。在各 种工程上的成就更是数不胜数。所有古代科学技术的成就,都是我国人民几 千年来勤劳勇敢、机智奋斗的结果。我国人民有无穷的智慧和力量,富于创 造性,不但表现在政治、经济、军事、文艺方面,也表现在科学技术方面。
  




由于长期的封建统治,我国人民的聪明才智几千年来并未得到充分发
展,特别表现在科学技术上,否则成就一定会更加伟大。也因为这个缘故, 古代科学技术上有过特殊贡献的学者、技师和劳动人民,大都是没没无闻 的。然而名虽不传,他们的功绩是不朽的。他们的辛勤成果,犹能重见于今
日。
  现在看来,我国古代的科学技术,是否都已经陈旧、不值一顾了呢?如 果把今天的新科学、新技术好好分析一下,往往可以看到旧科学旧技术的痕 迹,因为新的总是从旧的发展而来的。从整体看来,当然已经面目全非,但 是从它组成的部分或零件来深究,穷源探本,往往能看出它的脉络所在。即 使是从西方传来的东西,也会发现有的部分原来是从我们传过去的旧东西里 继承来的。从实践来的旧技术,有的形成传统,到今天还有它一定的价值, 所以还能古为今用。最突出的例子,河北省的赵州桥可以算一个。它已经有 一千三百多年的历史,但是它的“敞肩拱”技术,今天桥梁工程上还在广泛 应用,并且在它的基础上,发展出新型的“双曲拱”。由此可见,在科学技 术上,优良传统是很可宝贵的。
我国古代的科学技术,在当时的世界上是领先的。在科学技术的竞赛场
上,我国是得过锦标的。我国有过这样的历史,在今天的同一竞赛场上,对 世界的先进水平,我们是能够赶上并且超过的。我们不但有信心,而且有能 力。这本书就是有力的鉴证。
1978 年一月





内容提要


  本书初版于 1978 年,曾获 1980 年“新长征优秀科普作品奖”。这次重 版,除对原有各篇根据近十多年来我国科技史研究方面的新发展作较大修订 补充外,还增加五篇。本书按科学分类列题,比较全面地介绍中国历史上的 科学技术成就,让读者了解中国往昔在科学技术上作出过哪些贡献,以增强 我们的民族自信心,而且如茅以升氏为本书初版所写序言中所说,“还能古 为今用”,读者可从我国古代科技成就中得到启迪,加以发扬光大为今天的 我国科技发展和经济建设服务。各篇由对各专题有研究的专家学者撰写,具 有相当高的学术性,但写法上力求通俗易懂,真正做到深入浅出。
  




中国古代 科技成就







一天文学

中国古代的天文学名著简介
自然科学史研究所 刘金沂 具有辉煌成就的中国古代天文学孕育了丰富的天文典籍,古代天文学家
以他们饱蘸知识的笔墨写下了许多著名的篇章,给我们留下了十分珍贵的天 文学遗产。

历法著作


  历法是中国古代天文学的重要内容,它不仅包括年、月、日、时、节气 的安排,还包括日、月、行星运动,交食,晷影,漏刻,恒星出没,天空分 区,等等。因此,中国古代历法有现今天文年历的性质。
现在保留下来最古老的典籍之一《夏小正》相传是夏代(约公元前二十
一世纪到公元前十六世纪)的历书。其中记载有人们由观察天象和物候决定 农时季节的知识。它原是《大戴礼记》中的一篇,后来单独成册流传。据考 证,正文只有四百多字。就天文知识来说,它按十二个月的顺序记述了每月 的星象,如早晨和黄昏出现在南方的星星,北斗柄的指向,银河在天空的位 置,太阳到了恒星间什么地方等。此外还有每月的气象、物候以及应该做的 农事和政治活动。例如:“正月,启蛰,??鞠则见,初昏参中,斗柄悬在 下,??”这里“鞠”和“参”都是星名,“斗柄”就是北斗七星组成勺子 形的把子。这部书是否夏代的历书,学术界还没有定论,但它至迟在春秋时 期(公元前 770 年到公元前 476 年)已经成书,而且根据书中反映的天象等 情况,说明确有更早时代的资料。
自汉代(公元前 205 年到公元后 220 年)起,就有完整系统的历法著作
留传到现在,包括在各历史朝代中颁行过的和没有颁行过的历法共约一百 种,绝大部分收集在《二十四史》的《律历志》中,这是研究中国历法的资 料宝库。现择要略作介绍。
《三统历》,西汉刘歆(?-23)作,一般认为是根据汉武帝太初元年
(公元前 104 年)邓平、落下闳等人创作的《太初历》稍加修改而成。这是 现存最早的一部完整历法,后世历法的基本内容这时大体都已具备。《三统 历》共有七节:统母,纪母,五步,统术,纪术,岁术,世经。统母和统术 讲日月运动的基本常数和推算方法,包括回归年、朔望月长度、一年的月数、 交食周期、计算朔日和节气的方法等;纪母、纪术和五步讲行星的基本常数 和推算方法,包括五大行星的会合周期、运行动态、出没规律、预告行星位





置等;岁术讲星岁纪年的推算方法;世经讲考古年代学。《三统历》还明确
规定,以无中气的月份置闰,并选取一个“上元”作为历法的起算点。《三 统历》的这些内容,对后代历法影响极大,有的沿用至今。清代学者钱大昕
(1728—1804)、李锐(1773—1817)、董佑诚(1791—1823)等人都曾对
《三统历》做过详细研究,日本、法国学者还把它译成日文和西方文字。
  《乾象历》,汉献帝建安十一乍(公元 206 年)刘洪(约 135—210)作。 它对月亮运动的研究有了新进展,首次提出月亮近地点的移动(过周分), 从而算出近点月长度,并在一近点月里逐日编出月离表,又首次提出黄白交 角是六度(兼数),首次提出交食计算中推算食限的方法,这些都对后代历 法影响很大。
  《皇极历》,隋文帝仁寿四年(公元 604 年)刘焯(544—610)作,未 颁行。《皇极历》考虑太阳和月亮视运动不均匀来计算日月合朔的 3 时刻,创立了等间距二次差内插法①。为了求得任意时刻的定朔改正值,又 创立了任意间隔二次差内插法的公式。这在中国天文学史和数学史上都有重 要地位,后代历法计算日月五星运动使用的内插法多继承《皇极历》的方法 并继续发展。
《大衍历》,唐玄宗开元十五年(公元 727 年)僧一行(683—727)作,
后经张说(667—730)和陈玄景整理成文,开元十七年(公元 729 年)颁行, 使用到天宝十年(公元 751 年)。开元二十一年(公元 733 年)传入日本, 在日本使用近百年。《大衍历》结构严谨,条理分明,共有历术七篇,讲具 体计算方法。另有历议十二篇(其中略例三篇),讲历法的理论问题,是一 行为《大衍历》写的论文,通称《大衍历议》。《大衍历》的制定是从制造 仪器开始的,经过实际观测确定基本天文数据,这是科学的方法。经过《大 衍历》的制定,对太阳月亮运动不均匀现象有了正确全面的了解。通过实际 观测,破除了一千年来流传的“寸差千里”的谬说。在计算方法上,《大衍 历》创不等间距二次差内插法的公式,比起《皇极历》来又是一个进步。
《授时历》,元世祖至元十七年(公元 1280 年)郭守敬(1231—1316)
作,次年颁行。明代《大统历》继续用它的方法,前后共使用三百六十多年, 是古历法中行用最久的,也是在天文数据、计算方法各方面发展到高峰的一 种历法。中国古典系统的历法到此为止,以后就有西方天文知识传入并影响 到历法的编算。现存《元史·历志》里的《授时历经》上下篇是郭守敬在王 恂(1225—1281)初稿基础上重新编定的。当时《授时历》虽已颁行,但各 种数据用表、推步算法没有定稿。元至元十八年(公元 1281 年)王恂不幸 去世,由郭守敬一人主持完成。他“比类编次,整齐分秒,裁为二卷”。《授 时历》共有七部分,内容相似于《大衍历》;但采用等间距三次差内插法计 算日月五星位置,又用弧矢割圆术和类似球面三角的方法根据太阳黄经求它



① 关于内插法,参看本书第 126—130 页。





的赤经赤纬,这两种方法在天文学史和数学史上都具有重要地位。目前,有
许多中外学者在对《授时历》进行研究。
  《崇祯历书》,明末徐光启(1562—1633)主编,李天经(1579—1659) 续成,从崇祯二年到七年(公元 1629 年到 1634 年)前后共用五年时间完成。 它从多方面引进了欧洲古典天文学知识,内容包括天文学基本理论,三角 学,几何学,天文仪器,日月和五大行星的运动、交食,全天星图,中西单 位换算等,共四十六种,一百三十七卷,采用第谷(1546—1601)的太阳系 结构系统,计算方法中翻译了哥白尼(1473—1543)《天体运行论》中的许 多章节,还有开普勒(1571—1630)《论火星的运动》一书中的材料,历法 计算中不用中国传统的代数学方法而改成几何学方法,这是中国天文学史和 历法史上一个重要的转折。中国古代天文学体系开始向近代天文学转变。
  明末未能根据《崇祯历书》来编算民用历书,清代开始使用根据《崇祯 历书》编算的历书——《时宪历》,直到清末。在《四库全书》中有一百卷 本的《西洋新法算书》是传教士汤若望(1591—1666)根据《崇祯历书》删 改而成的。

天文星占著作


  在中国古代天文学的发展过程中,星占术曾超过它独有的作用。正是因 为星占术的需要,古代许多星占家大量观测记录天空现象,编写星象著作, 其中包括许多天文知识。所以中国古代不少天文著作都同星占术结合在一
起。
《石氏星经》是现在见到的最早的一本天文星占著作,战国时期(公元
前 475 年到公元前 221 年)魏国石申所著。书的原名叫《天文》,内容涉及 太阳、月亮、行星、交食、恒星、古代天文名词、宇宙概念等多方面,尤其 是恒星部分价值更高。①
《五星占》是 1973 年在长沙马王堆汉墓中出土的一份帛书,专讲五大
行星运动和一些天文知识,共有九部分,八千字。书大约写于汉文帝前元年 间(公元前 179 年到公元前 164 年),书中对五大行星运动有详细的描述, 成为后代历法中“步五星”工作的先驱。书中对金星、土星的会合周期定得 比较准确,对秦始皇元年(公元前 246 年)到汉文帝前元三年(公元前 177 年)七十年间木、土、金三星的动态有逐年的记载,这是研究古代行星问题 的一份重要资料,受到了中外学者的广泛注意。
  汉代还有两本重要的天文著作应该提到,这就是《天官书》和《周髀算 经》。《天官书》是《史记》中的一篇,公元前一世纪司马迁《前 145 或前
135—?)著,可算是当时有关天文知识的总结。尤其是恒星部分记录了当



① 参见本书第 21 页。





时所认识到的全天恒星,共九十多组名称,五百多颗星,是关于全天恒星的
最早一篇完整文献。后来许多恒星的命名都受它影响。《天官书》内容除恒 星外,还有行星、分野、日月占候、奇异天象、云气、岁星纪年、天象记录 和占验等,是研究秦汉天文学乃至先秦天文学的一篇权威性文献。《史记·天 官书》开创了后代史书中撰写天文志的传统。《二十四史》中有十几篇天文 志,为研究中国天文学史提供了系统全面的资料。其中李淳风(602—670) 所撰《晋书·天文志》,内容丰富全面,已被翻译成英文,在巴黎出版。
  《周髀算经》,成书于西汉后期公元前一世纪,作者不可考,是《算经 十书》中的一部,名曰算书,实际上主要是一部天文学著作。书有上下两卷, 重点讲述当时的一种宇宙结构学说——盖天说,详细阐述盖天说计算天地结 构、太阳视轨道大小、周天里数、北极璇玑的方法,还有圆形盖天式星图的 制作等等,是有关盖天说的一本系统详尽的典籍。
  《步天歌》是一本以诗歌形式介绍全天恒星名称、数目、位置的天文学 著作,相传是唐代王希明撰,丹元子是他的号,所以有时也称《丹元子步天 歌》①。诗文七字一句,有韵,把全天恒星按三垣二十八宿的分区法编在诗 句中,读着诗句就好像漫步在点点繁星之间。“句中有图,言下见象”,便 于辨认和记忆全天恒星,是古人学习天文学的必读书。在宋代重修的《灵台 秘苑》一书中又把步天歌配上星图,星空景象更加清晰明了。
《灵台秘苑》原是北周庾季才撰,据《隋书·经籍志》载,共有一百二
十卷,现在见到的只有二十卷,北宋王安礼等人重修。书中有三百四十五颗 恒星的赤道坐标值,是我国现存第二份星表,它的观测年代是北宋仁宗皇祐 年间(公元 1049 年到 1053 年),这对研究宋代的恒星观测很有帮助。
《开元占经》,一百二十卷,唐代瞿昙悉达撰,成书于唐玄宗开元六年
到十四年(公元 718 年到 726 年),所以又称《大唐开元占经》。唐以后失 传,明神宗万历四十四年(公元 1616 年),安徽歙县人程明善在古佛像腹 中偶然发现,始得再次流传至今。它是一本唐以前天文星占著作大全,把当 时能见到的古代七十多种天文星占书按内容分别摘录编撰,内容涉及天文星 象、气候、奇异现象等各方面。天文方面有名词解释,宇宙理论,日月行星 运动,二十八宿距度,甘德、石申、巫咸三家对全天恒星名称、星数、位置 的描述和占验,包括有石氏的恒星星表。此外还有当时使用的《麟德历》、 作者翻译的印度《九执历》和其他十六种古代著名历法的基本数据。这一著 作为我们提供了唐代以前天文学史的重要资料。由于《开元占经》的辑录, 许多古代失传了的天文星占著作的内容得以保存下来,就凭这一点,《开元 占经》也是一本极有价值的书。
唐代另一本天文星占著作《乙巳占》是李淳风所著,也摘编了许多现已 失传的古代星占著作的片断,包括天文、气象、星占,内容也很广泛。明代



① 有人认为丹元子是隋代隐士,跟王希明没有关系。





还有一本《观象玩占》,作者不可考,也是天文星占书中一本有价值的著作。
  天文星占著作有一些迷信的成分夹杂在中间,作为糟粕固然应当扬弃, 但透过大量的天文现象和奇异天象的记载,使我们可以了解历史上许多有价 值的天文事件,如新星超新星的爆发,彗星的出现和分裂,流星雨的变迁, 变星的光变,日食景象,黑子日珥日冕在历史年代中的变化,行星运动,地 月系的变迁等,这对现代天文学的理论研究有很大的价值。在《二十四史》 天文志和其他天文星占书中保留了大量古代天象记录,为现代天文学研究提 供了不可代替的古代信息,全世界的天文学家都非常珍视它,由于这些古代 资料的现代利用而形成了一门新的天文学分支——历史天文学。这也是中国 古代天文学现在特别受到全世界科学界重视的原因之一。

天文仪器著作


  天文仪器是进行观测的工具,在古代天文学的发展中起了重要作用。中 国古代创制了多种精巧的天文仪器,如圭表、漏壶、浑仪、浑象等,不仅有 实物保留到今天,还有一些专门著作,描写它们的结构和原理。这不仅在天 文学上,而且在机械设计技术上,都有重要价值。
汉代大科学家张衡(78—139)是水运浑象的制造者。他的《浑天仪注》
既是浑天说的重要著作,也是制作浑象的一本说明书。清代洪颐煊辑录的《经 典集林》卷二十七中辑有全文,并附漏壶部分的结构说明。它提供了浑天说 的基本观点、浑象的制作、多级漏壶的结构等古代资料。
《新仪象法要》是宋代苏颂(1020—1101)为水运仪象台所作的设计说
明书,成书于宋哲宗绍圣元年到三年(公元 1094 年到 1096 年)间,是有关 水力运转天文仪器的一本专著。书中共有图六十种,详细介绍北宋水运仪象 台的总体和各部结构、尺寸。卷首有《进仪象状》,说明这种仪器的建造缘 起、经过和它的特点。卷上介绍浑仪,卷中介绍浑象,卷下介绍仪象台总体、 台内各原动和传动机械、报时系统,最后还有一段介绍整个仪象台动作起来 的过程,是中国现存最古的机械设计图纸。根据这部书的描述,中国历史博 物馆在王振铎(1912—1992)的主持下复原了水运仪象台。在复原研究过程 中证明,书中一点一线都有根据,尺寸大小准确无误,反映了公元十一世纪 中国天文学和机械制造技术的成就。《新仪象法要》还记述了永运仪象台的 三项重要发明:活动屋顶,自动转仪装置,钟表擒纵器。这几项都比欧洲同 类发明早几百年。此外,书中还有星图两套五幅,是两种全天星图的表示法。 一种是北极圆图加赤道带横图,共三幅;一种是以赤道为界、以两极为圆心 的半天球圆图,共二幅,南极附近天区在中国看不到,图中是空白,这种星 图画法在中国还是首创。
有关中国古代的几种重要天文仪器,在《宋史·天文志》中可以看到沈
括 ( 1031 — 1095 )的三篇论文,是他在宋神宗熙宁七年 (公 9





元 1074 年)写的《浑仪议》、《浮漏议》和《景表议》。这三篇论文可算
是有关仪器的专门著作。《浑仪议》讲到了浑仪和浑象的制造历史,指出浑 仪和浑象是两类不同的仪器,接着讲到各代所制浑议的结构,他对制作浑仪 的心得体会。《浮漏仪》讲到了在他之前的燕肃对平水壶的最新发明,详细 记录漏壶的结构和尺寸、漏壶用水的选择等等。《景表议》讲述了多表测景 的的方法和景表安装制造问题,讨论了大气能见度的影响。这些使我们对古 代天文仪器的认识提高了一步。
  郭守敬对天文仪器的重要发明都记载在《元史·天文志》中,他对简仪、 仰仪、正方案、景符、窥几等都有详细介绍,包括它们的结构、尺寸和用法。 这些仪器都在天文仪器史上有重要地位,元代之后没有专文给以介绍,因而
《元史·天文志》的有关部分实在是天文仪器的又一篇名著。
  《灵台仪象志》是清代初年为观象台制造六件大型天文仪器的设计使用 说明书,由比利时来华的耶稣会士南怀仁(1623—1688)主编,完成于清圣 祖康熙十三年(公元 1674 年)。这六件天文仪器现仍保存在北京建国门古 观象台上,它们是天体仪(浑象)、黄道经纬仪、赤道经纬仪、地平经仪、 地平纬仪(象限仪)、纪限仪(距度仪)。


  除了上述介绍的天文学名著,中国古代还有许多有价值的天文著作,这 里特别应该提到《畴人传》,这是一本天文、数学家的传记集,收集了几百 位天文、数学家的生平和科学业绩,是研究中国天文学史的重要资料集。它 同其他许多著作一起系统全面地反映了中国古代天文学的成就,它的本身也 是这成就的一部分。
  




中国古代的天象记录
          北京天文馆 陈晓中 我国是世界上天文学发达最早的国家之一。早在四千年前就有可考的文
字星象记载。我国古代的天象记录,不但年代连续,而且相当丰富,其中有 一些,在现代天文学问题的研究中起着重要的作用。这里,我们介绍有关古 代太阳黑子、彗星、流星雨和客星的记载。

日中有“黑气”


  太阳,是我们地球上光和热的源泉。我们祖先善于实践,勤于观测,对 太阳上的细节都进行详细描述,精确记载,见于史书。现今世界公认的最早 的黑子记事,是西汉成帝河平元年(公元前 28 年)三月所见的太阳黑子现 象,载于《汉书·五行志》:“成帝河平元年??三月己未,日出黄,有黑 气大如钱,居日中央。”这一记录把黑子的位置和时间都叙述得很详尽。
事实上,在这以前,我国还有更早的黑子记载。在约成书于汉武帝建元
元年(公元前 140 年)的《淮南子》这一著作的卷七《精神训》中,就有“日 中有踆乌”的叙述。踆乌,也就是黑子的现象。而比这稍后的,还有:汉“元 帝永光元年四月,??日黑居仄,大如弹丸。”(《汉书·五行志》引京房
(前 77—前 37)《易传》)。这表明太阳边侧有黑子成倾斜形状,大小和
弹丸差不多。永光元年是公元前 43 年,所以这个记载也比前面的记录为早。


  黑子,在太阳表面表现为发黑的区域,由于物质的激烈运动,经常处于 变化之中。有的存在不到一天,有的可到一月以上,个别长达半年。这种现 象,我们祖先也都精心观察,并且反映在记录上。《后汉书·五行志》有这 样的记载:“中平??五年正月,日色赤黄,中有黑气如飞鹊,数月乃销。” 灵帝中平五年是公元 188 年。《宋史·天文志》也记有宋高宗“绍兴元年二 月己卯,日中有黑子,如李大,三日乃伏。六年十月壬戍,日中有黑子,如 李大,至十一月丙寅始消。七年二月庚子,日中有黑子,如李大,旬日始消。 四月戊申,日中有黑子,至五月乃消。”绍兴元年是公元 1131 年。
  黑子,不但有存在时间,也有消长过程中的不同形态。最初出现在太阳 边缘的只是圆形黑点,随后逐渐增大,以致成为分裂开的两大黑子群,中间 杂有无数小黑子。这种现象,也为古代观测者所注意到。《宋史·天文志》 记有宋徽宗政和二年(公元 1112 年)“四月辛卯,日中有黑子,乍二乍三, 如栗大。”这一记载,就是属于极大黑子群的写照。
  我们祖先观测天象,全靠目力。对于太阳只有利用日赤无光、烟幕蔽日 之际,或太阳近于地平、蒙气朦胧之中,以及利用“盆油观日”方法,始可
  




观望记录。从汉代到明代共一千六百多年间,黑子记载超过一百次。
  上述史书所载的黑子“如钱”、“如栗”、“如飞鹊”、??都是表示 黑子的形状;至于“数月乃销”、“三日乃伏”等等,是表明黑子的消长过 程的。因为黑子大小相间,此生彼灭,存在时间长短不一,在望远镜未发明 之前,史书所载的一定是大而易见的,所以至多不过二三枚,存在几天或几 月而灭,这是和近代精密观测结果相符合的。至于“日赤无光”、“昼昏日 晡”等等,乃是描写观测时候的情景。这些都是合乎科学的。对于前人精察 天象的实践,外国学者也多有赞扬。美国天文学家海耳(1868—1938)就曾 经指出:“中国古人测天的精勤,十分惊人。黑子的观测,远在西人之前大 约二千年。历史记载不绝,而且相传颇确实,自然是可以征信的。”
  欧洲发现太阳黑子,时间比较晚。他们最早的黑子记事是公元 807 年八 月十九日。这已经是公元九世纪了:但是还被误认为是水星凌日。太阳黑子 的发现是伽利略(1564—1642)使用望远镜完成的天文学进展之一;他在公
元 1610 年才看到黑子,直到 1613 年才把结果公开发表。 黑子的消长,有它的盛衰周期。平均周期十一年这数字是 1843 年德国
业余天文学家施瓦贝(1789—1875)首先得到的。但是,如果引用我国古代
太阳黑子的记录加以分析,也完全能够得到相同的结果。
  1975 年,我国云南天文台编集我国从公元前 43 年到公元 1638 年的黑子 记录,共一百零六条,进行计算,得出周期是一○·六±○·四三年;同时 还存在六十二年和二百五十年的长周期。这一重要结果,是研究我国古代黑 子记录、探索它的规律的良好收获。
历代古记录已经表明:黑子出现最多的年月,也是极光出现频繁的时
期。黑子和极光互有关系。1977 年七月,云南天文台又利用我国黑子和极光 古记录,同时进行分析得出:极光和黑子都存在约十一年的周期,并且得出
结 论 : 太 阳 活 动 和 极 光 的 约 十 一 年 周 13
期,并不是近三百年才有的暂时现象。这对于研究地球物理学和天文学的一 系列问题,将是很有益的启示。这同时也说明我国古代黑子资料是相当宝贵 的。

彗星记事


我国很古就有彗星记事,并给彗星以孛星、长星、蓬星等名称。古书《竹 书纪年》上就有“周昭王十九年春,有星孛于紫微”的记载。但是因为这本 书真实年代有待考证,对这件事暂且存疑。最可靠的记录,开始见于《春秋》: “鲁文公十四年秋七月,有星孛入于北 斗。”鲁文公十四年是公元前 613 年,这是世界上最早的一次哈雷彗星①记录。《史记·六国表》载:“秦厉



① 哈雷彗星是英国天文学家哈雷(1656—1742)于 1705 年预报出回归年份的第一颗彗星,指出它的回归周





共公十年彗星见。”秦厉共公十年就是周贞定王二年,也就是公元前 467 年。
这是哈雷彗星的又一次出现,不过《史记》没有记载它出现的时间。


  哈雷彗星绕太阳运行平均周期是七十六年,出现的时候形态庞然,明亮 易见。从春秋战国时期到清末的二千多年,共出现并记录的有三十一次。其 中以《汉书·五行志》汉成帝元延元年(公元前 12 年)记载的最详细。
  “元延元年七月辛未,有星孛于东井,践五诸侯,出河戌北,率行轩辕、 太微,后日六度有余,晨出东方。十三日,夕见西方,??锋炎再贯紫宫 中。??南逝度犯大角、摄提。至天市而按节徐行,炎入市中,旬而后西去; 五十六日与苍龙俱伏。”
  这样生动而又简洁的语言,把气势雄壮的彗星运行路线、视行快慢以及 出现时间,描绘得栩栩如生。其他的每次哈雷彗星出现的记录,也相当明析 精确,分见于历代天文志等史书。在西洋关于哈雷彗星记载,一般书籍认为 最早是在公元 66 年,但是还可上溯到公元前 11 年,欧洲已有哈雷彗星的观 测记载。不过,也还比我国《春秋》可靠记载晚了几百年。
我国古代的彗星记事,并不限于哈雷彗星。据初步统计,从古代到公元
1910 年,记录不少于五百次,这充分证明古人观测的辛勤。 哈雷彗星的来临,姿态固然十分雄伟,但是其他彗星的出现,气势也相 当壮观。《新唐书·天文志》:“上元??三年七月丁亥,有彗星于东井,
指北河,长三尺余,东北行,光芒益盛,长三丈,扫中台,指文昌。”唐高
宗上元三年是公元 676 年。这种记录,不但形象描绘逼真,而且位置准确, 所经过的亮星都加注记,这正是我国古代天象记录的优点。
在古代,我们祖先不仅观测彗星的形态和位置,对彗星的成因也有见
解。《晋书·天文志》载有:“彗体无光,傅日而为光,故夕见则东指,晨 见则西指。在日南北皆随日光而指,顿挫其芒,或长或短。”这种解释也是 正确的。《晋书》修于唐太宗贞观十八年到二十年,就是公元 644 年到 646 年。而在欧洲直到公元 1532 年才有类似的认识。
在我国古代,还记录到彗星分裂现象。《新唐书·天文志》就有:“乾
宁??三年十月,有客星三,一大二小,在虚、危间,乍合乍 15 离,相随东行,状如鬥①,经三日而二小星没,其大星后没。”唐昭宗乾宁 三年是公元 896 年。像这样的观测记录是很细致的。在这里所说的客星,指 的是已经分裂的彗星。
我们祖先重视彗孛,有些虽然不免泥于占卜,但是观测勤劳,记录不断, 使后人得以查询。欧洲学者常常借助我国典籍来推算彗星的行径和周期,以 探索它们的回归等问题。哈雷彗星就是明显一例。



期是七十六年。
① 这一“鬥”字只能保留繁体字,如简化作“斗”,会发生误解。





二十世纪初,英国的克罗梅林(1865—1939)和考威耳(1870—1949)
曾利用我国古代哈雷彗星记录,跟计算所得的每次过近日点时间和周期相比 较,最古记录上推到公元前 240 年。对照结果都比较符合,足证古代记录的 可靠。前人辛劳记录的功绩未可泯灭!
  近年来美国学者勃勒德,研究从 1682 年到二十世纪的哈雷彗星运动, 曾经引用我国有关古代记录,来探索 1986 年哈雷彗星的回归,并且研究太 阳系中是否还存在第十颗大行星在对哈雷彗星的运动施加影响。在爱尔兰天 文台工作的中国天文学者江涛,也研究哈雷彗星的运动,并且在 1971 年发 表《哈雷彗星的从前轨道》一文。1977 年,我国天文学家张钰哲(1902—
1986),利用我国古代的哈雷彗星记录,上推到公元前 1057 年,通过电子 计算机进行运算,发表《哈雷彗星的轨道演变趋势和它的古代历史》一文, 所得结果,比较理想。他解决了我国历史界关于“武王伐纣”的准确年代的 疑问;初步得出这日期是公元前 1057 年,丰富了史学上年代学的论证内容。 可见我国古代的彗星记录到现代仍然焕发出它的光辉!
法国人巴耳代在本世纪五十年代研究一千四百二十八颗的《彗星轨道总
表》之后断定说:“彗星记载最好的(除极少数例外),当推中国的记载。” 这种评语,无疑是公允的!

星陨如雨


  流星雨的发现和记载,也是我国最早,《竹书纪年》中就有“夏帝癸十 五年,夜中星陨如雨”的记载。最详细的记录见于《左传》:“鲁庄公七年 夏四月辛卯夜,恒星不见,夜中星陨如雨。”鲁庄公七年是公元前 687 年, 这是世界上天琴座流星雨的最早记录。
我国古代关于流星雨的记录,大约有一百八十次之多。其中天琴座流星
雨记录大约有九次,英仙座流星雨大约十二次,狮子座流星雨记录有七次。 这些记录,对于研究流星群轨道的演变,也将是重要的资料。
流星雨的出现,场面相当动人。我国古记录也很精彩。试举天琴座流星
雨的一次记录做例: 南北朝时期刘宋孝武帝“大明五年??三月,月掩轩辕。??有流星数
千万,或长或短,或大或小,并西行,至晓而止。”(《宋书·天文志》) 这是在公元 461 年。当然,这里的所谓“数千万”并非确数,而是“为数极 多”的泛称。
  而英仙座流星雨出现时的情景,从古记录上看来,也令人难以忘怀。请 看:
  唐玄宗“开元二年五月乙卯晦,有星西北流,或如瓮,或如斗,贯北极, 小者不可胜数,天星尽摇,至曙乃止。”(《新唐书·天文志》)开元二年 是公元 714 年。
  




流星体坠落到地面便成为陨石或陨铁,这一事实,我国也有记载。《史
记·天官书》中就有“星陨至地,则石也”的解释。到了北宋,沈括更发现 陨石中有以铁为主要成分的。他在《梦溪笔谈》卷二十里就写着:“治平元 年,常州日禺时,天有大声如雷,乃一大星,几如月,见于东南。少时而又 震一声,移著西南。又一震而坠在宜兴县民许氏园中,远近皆见,火光赫然 照天,??视地中只有一窍如杯大,极深。下视之,星在其中,荧荧然,良 久渐暗,尚热不可近。又久之,发其窍,深三尺余,乃得一圆石,犹热,其 大如拳,一头微锐,色如铁,重亦如之。”宋英宗治平元年是公元 1064 年。 沈括已经注意到陨石的成分了。
  在欧洲直到 1803 年以后,人们才认识到陨石是流星体坠落到地面的残 留部分。
  在我国现在保存的最古年代的陨铁是四川隆川陨铁,大约是在明代陨落 的,清康熙五十五年(公元 1716 年)掘出,重五八·五千克。现在保存在 成都地质学院。

“客星见于房”


  有些星原来很暗弱,多数是人目所看不见的。但是在某个时候它的亮度 突然增强几千到几百万倍(叫做新星),有的增强到一亿到几亿倍(叫做超 新星),以后慢慢减弱,在几年或十几年后才恢复原来亮度,好像是在星空 作客似的,因此给以“客星”的名字。在我国古代,彗星也偶尔列为客星; 但是对“客星”记录进行分析整理之后,凡称“客星”的,绝大多数是指新 星和超新星。
我国殷代甲骨文中,就有新星的记载。见于典籍的系统记录是从汉代才
开始的。《汉书·天文志》中就有:“元光元年六月,客星见于房。”房就 是二十八宿里面的房宿,相当于现在天蝎星座的头部。汉武帝元光元年是公 元前 134 年,这是中外历史上都有记录的第一颗新星。但是西洋没有记载月 日,也没有注明方位,远不如《汉书》详细。在上世纪,法国的比奥编《新 星汇编》,就把《汉书》这颗新星列为第一颗。
自殷代到公元 1700 年为止,我国共记录了大约九十颗新星和超新星。
其中最引人注意的是宋仁宗至和元年(公元 1054 年)出现在金牛座ζ
星(天关星)附近的超新星,两年以后(嘉祐元年,公元 1056 年)变暗。
《宋会要》这部史书中就这样写着:“嘉祐元年三月,司天监言客星没,客 去之兆也。初,至和元年五月,晨出东方,守天关,昼见如太白,芒角四出, 色赤白,凡见二十三日。”


  十八世纪末,有人通过望远镜观测,在天关星附近,发现一块外形像螃 蟹的星云,取名叫蟹状星云。1921 年发现这星云在不断向外膨胀,根据膨胀
  




速度可以反回推算出,这星云物质大约是在九百年前形成的,是超新星爆发
的产物。这星云既有光学脉冲,也有射电脉冲,同时又发射 X 射线和γ射线。 这些辐射都有一个周期极短(大约是千分之三十三秒)的稳定脉冲。对这现 象进行多方面研究之后,人们普遍认为:它的来源就是过去理论上所预言的 一种超新星爆发后的残留核心,也就是中子星。这已经是恒星演化到晚期的 阶段了。这颗超新星就是我国《宋会要》所记载的公元 1054 年的“客星”。 明穆宗隆庆六年(公元 1572 年)出现在仙后座的超新星,最亮的时候 在当时的中午肉眼都可以看见。《明实录》载有:“隆庆六年十月初三日丙 辰,客星见东北方,如弹丸,??历十九日壬申夜,其星赤黄色,大如盏, 光芒四出,??十月以来,客星当日而见。”我国的记录,比当时丹麦天文
学家第谷还早发现三天,而且多观测了约两个月。 至于明神宗万历三十二年(公元 1604 年)的超新星,出现的时候亮度
不比金星逊色。《明史·天文志》记载:“万历??三十二年九月乙丑,尾 分有星如弹丸,色赤黄,见西南方,至十月而隐;十二月辛酉,转出东南方, 仍尾分。明年二月渐暗,八月丁卯始灭。”
现代由于射电天文学的飞跃发展,世界上有关学者都以极大兴趣研究我
国古代的新星和超新星记录,他们的目的在于寻找银河系里射电源和超新星 的对应关系。我国天文工作者在五十年代以后,先后把我国古代新星记录整 理发表,在国际上获得好评。其中分析我国古代十二个超新星记录中,有八 九个对应于射电源。这应该看成是我国古代在恒星观测上的一项重大成就, 同时也是对现代天文学问题的探索的一项卓越贡献。
岁月推移,天象更迭。我们祖先辛勤劳动,留下宝贵的天象记录,无一
不反映出先人孜孜不倦、勤于观测的严谨态度,无一不闪烁着我们民族智慧 的光辉。这些,是我国古代丰富的文化宝库中的一份珍贵遗产。
观测唯勤,探微唯精;前人记实,后人求真。在今后更深刻的认识宇宙、
探索规律的过程中,我国古代天象记录将起到应有的作用。





中国古代在天体测量方面的成就
自然科学史研究所 薄树人 天体测量是研究怎样测定天体的位置和天体到达某个位置的时间(包括
使用的仪器、工具和方法)来为各种实用的和科学的目的服务的一门科学。 它是天文学中最古老、也是最基本的一个分支。恩格斯(1820—1895)在《自 然辩证法》一书中指出,自然科学中最先发展的天文学起源于游牧民族和农 业民族定季节的需要①。而决定季节的科学方法,最早就是从观测天体的位 置和到达某个位置的时间开始的。在我国,在很古很古的时候设有“火正” 这样的专门人员,他的任务是观测“大火”星(就是心宿二)的出没来向人 们颁告时令。
我国古代在天体测量方面的成就是极其辉煌的。

世界最古老的星表之一——石氏星表


  星表是把测量出的若干恒星的坐标(常常还连同其他特性)汇编而成 的。它是天文学上一种很重要的工具。我国古代曾经多次测编过星表。其中 最早的一次是在战国时期。它的观测者叫石申,是魏国人。他的活动年代大 约在公元前四世纪。
石申编过一部书,叫《天文》,共八卷。因为这部书有很高的价值,所
以被后人尊称为《石氏星经》。《石氏星经》这部书已经在宋代以后失传, 今天我们只能从一部唐代的天文学书籍《开元占经》里见到《石氏星经》的 一些片断摘录。从这些片断中我们可以辑录出一份石氏星表来。其中有二十 八宿距星(每一宿中取作定位置的标志星叫做这一宿的距星)和其他一些恒 星共一百十五颗的赤道坐标位置①。
石氏星表的赤道坐标有两种表达方式。一种是二十八宿距星的,叫做距
度和去极度。距度就是本宿距星和下宿距星之间的赤经差;去极度就是距星 赤纬的余角。还有一种是二十八宿之外的其他星,叫做入宿度和去极度。所 谓入宿度就是这颗星离本宿距星的赤经差。不论哪一种方式,它的实质和现 代天文学上广泛使用的赤道坐标系是一致的。而在欧洲,赤道坐标系的广泛 使用却是在十六世纪开始的。

恒星的赤道坐标会作缓慢的变动,这种变动的绝大部分是岁差造成的。



① 参见《马克思恩格斯选集》,人民出版社 1972 年版,第三卷,第 523 页。
① 按《开元占经》所编星号看,《石氏星经》原文应该有星一百二十一颗,但是其中六颗在今本《开元占 经》中缺佚了。





因此,按照岁差规律,比较一颗恒星古今坐标的变化,可以推求出这个古赤
道坐标的测定年代。 运用这个方法对石氏星表的数据进行推算,结果表明:其中有一部分的
确是公元前四世纪测定的,而另一部分却是在东汉大约公元二世纪重新测定 的。
  古希腊最早的星表是希腊天文学家依巴谷(约前 190—前 125)在公元 前二世纪测编的。依巴谷之前还有两位希腊天文学家也测量过一些恒星的位 置,但是那也是在公元前三世纪。他们都比石申的工作要晚。
  《开元占经》中辑出的石氏星表里,在二十八宿部分还附有二十五个“古 度”的数据。它们都是距度方面的量。
  1977 年在安徽阜阳出土了一件汉初的器物,是两块中心相通、叠在一起 的圆盘。稍小的上盘,边缘均匀分布三百六十五个小孔。下盘边缘写有二十 八宿名称和距度数,彼此间距和距度数相当。这些距度数和《开元占经》所 列古度大体一致。上述圆盘的出土,证实了中国古代确实曾用过古度数据。 据王建民同志研究,古度数据和石氏星表距度的不同,是由于两者所取 的距星不相同。古度的距星以亮星为主,这个体系的确定比石氏二十八宿距
星体系原始。潘鼐同志认为古度的测定时代下限在公元前六世纪初。
  古度数据只有赤经方面的量。因此,严格说来,这还不是一份完整的星 表。但是,它的存在说明了中国古代天文学的发达,有力地证明了石氏星表 的出现并不是偶然的。
石氏星表是后世许多天体测量工作的基础。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度的数据。这是我国天文历法中一项重 要的基本数据。
从这个意义上讲,石氏星表也是战国到秦汉时期天文历法发展的一个重
要基础。

星图的绘制


  星图是恒星观测的一种形象记录,又是天文学上用来认星和指示位置的 一种重要工具。它的意义就好像地理学上的地图。
  在星图的绘制上,我国古代有悠久的传统。不算那些示意性的星图或仅 仅画出个别星组的图形,作为恒星位置记录的科学性星图,大约可以追溯到 秦汉以前。
  我国的星图起源于古代盖天说的一种示范仪器,这个仪器叫盖图。它有 点类似今天天文教学上用的活动星图。盖图的底图就是一张全天星图。西汉 后期(公元前一世纪)成书的讲“盖天之学”的《周髀算经》上有所谓“七 衡图”,这个图上有七个等间距的同心圆,圆心就是天北极。最小的圆相当 于今天所说的夏至圈,最中间的圆就是天赤道,最大的圆相当于冬至圈。盖
  




图的底图也就是七衡图,在夏至圈和冬至圈之间有一个和它们相内切的圆,
那就是黄道。黄道附近画上了二十八宿等恒星。如果在这张图上蒙一块薄丝 绢,绢上画一个表示人目所见的范围的圆圈,那么把底图绕着天极反时针方 向旋转,就可反映出一天内和一年内夜晚所见星空的大概情况。
  盖图随着盖天说的过时,到两汉以后也逐渐消失。但是它的底图作为星 图却逐渐发展起来,成为一种独立的重要的天文学工具。
一个发展是图上星数的增多。 从《汉书·天文志》的记载可以知道,东汉初年的星图上所载的恒星有
一百一十八组,每组一个名称,中间包含一颗或一颗以上的星,一共有七百 八十三颗星。
  星数最多的是三国时期吴太史令陈卓所画的星图。陈卓把当时天文学界 存在的石申、甘德、巫咸三家学派所命名的恒星,并同存异,合画成一张全 天星图。图上一共有星二百八十三组,一千四百六十四颗。陈卓的工作一直 被后世的天文学家奉为圭臬。
另一个发展是画法本身的改进。
  七衡的形式被取消了,代之以三个同心圆。最小的叫恒显圈,又叫内规。 它的半径就是观测地的地理纬度。在这个圈里的恒星是在一年四季的夜晚都 可以看得见的。中间的仍然是天赤道。最外面的叫恒隐圈,又叫外规。这个 圈之外的天区是永远没在地平线之下看不见的。恒隐圈和恒显圈离赤道的距 离相等。这种形式最早见之于东汉蔡邕(132—192)在《月令章句》一书中 所描述的“官图”。它是我国古代星图中最常见的形式。
这类星图中留存到现在的最早的实物是近年从五代的时候吴越王钱元
瓘(?—941)墓和他的次妃吴汉月墓中出土的两块二十八宿星图刻石。每 个图上大约有星一百八十颗。它们的位置刻得相当准确,是古星图中的珍贵 品。
举世闻名的苏州石刻天文图也是属于这一类型。它的原图绘于南宋光宗
绍熙元年(公元 1190 年),到理宗淳祐七年(公元 1247 年)刻石。星图约 比上述五代石刻小一半,但是仍有直径大约八十多厘米。图上还画有银河; 内、外规之间还画有通过二十八宿距星的经线二十八条。图上的星数,由于 石刻年久缺损,各家统计不一。最近的一次统计是共一千四百三十四颗星。 但是看来还不确切。
据研究,苏州石刻天文图主要是根据北宋神宗元丰年间(公元 1078 年
到 1085 年)的观测结果绘制的。它的绘刻比较精确,所包含的星数比较全, 为我们提供了了解古代恒星知识的比较可靠的资料。因此,它是我国最重要 的科学文物之一。
  盖图式的星图,它的坐标系是极坐标式的,可以叫它做圆图。星体离北 极的距离就是它的去极度;星体和二十八宿距星对天极所张的圆心角就是星 体的入宿度。采用极坐标式的画法能使北极附近的恒星相对位置表达得比较
  




好。但是它有个根本的缺点,就是离开北极越远,恒星相对位置的失真程度
也越大。 我国古代还有非极坐标式表示方法,是一种直角坐标式的方法。它以经
度方向的量作横轴,纬度方向的量作纵轴。如果所取的单位都一致的话,横 轴方面将占纵轴方面二倍的地位,因此,古代叫它做横图。《隋书·经籍志》 中记有:“天文横图一卷,高文洪撰”,就属于这个类型。
  在横图中,赤道附近恒星的相对位置失真比较小。可是在北 极附近和 南极附近失真仍然很大。南极附近还不打紧,因为中原地区看不到。可是北 极附近却正是最关紧要的观测区域。于是人们又想出了新的办法。把内规以 内的天区画成圆图,而把内外规之间的天区画成横图。这种分区画法的原则 是和现代星图的画法一致的。
  这种圆、横图结合的星图流传到现在的最早作品是敦煌发现的唐代星 图。它大概绘制于初唐时期,图上画有一千三百五十来颗星。画法是把北极 周围紫微垣附近的星画成圆图,而把其他的星按照太阳在十二个月中的位置 所在,沿着赤道均分成十二块,每块用横图的方式画出来。从图中所记太阳 在十二个月中的位置以及昏、旦中星的星宿来看,和《礼记·月令》中所记 载的完全一样,而和初唐时期的实际情况有很大的差别。从这一点看,很可 能这份星图是个更古老的星图的抄本。不管怎样,即使是初唐的作品,它也 是当今世界上留存的古星图中星数最多而又最古老的。
敦煌星图有个特点,那就是不画坐标框架。圆图上的内规,横图上的赤
道和竖直的经线,都没有画。因此,从绘制的准确性来说不免稍差。这一点 也说明,它可能是一个抄本。
这份星图已经于 1907 年被英国考古学家斯坦因(1862—1943)盗走,
现存于英国伦敦博物馆。 画得比较精确的圆、横结合星图是苏颂《新仪象法要》中的插图。圆图
叫“浑象紫微垣星之图”。横图分成两段:从秋分到春分一段叫“浑象东北
方中外官星图”;从春分到秋分一段叫“浑象西南方中外官星图”。它们也 是根据元丰年间的测量绘制的。
还有一种减少失真的办法,那是把天球循赤道一分为二,画两个分别以
北极和南极为中心的圆图。这种画法的一个典型也见于《新仪象法要》。苏 颂这部书作于北宋哲宗绍圣元年到三年(公元 1094 年到 1096 年)间。这是 部介绍他领导创制的水运仪象台的构造的说明书。书中的星图是为了介绍仪 象台中的浑象(就是现今的天球仪)而绘制的。正是在把球面上的图象绘在 平面上的时候,苏颂注意到了失真问题(书中有明确的说明),因此他不厌 其烦地搞了两套画法。而两个圆图的画法可以说是他和他的同事们发明的。 总之,我国古代有优良的星图绘制传统,留下了丰富的有价值的历史遗
产。我国古代在星图绘制方面的成就的确是值得我们引以为自豪的。





子午线长度的测定


  子午线,也就是地球的经度线。测量子午线的长度可以确定地球的大 小。子午线长度是地理学、测地学和天文学上的一项重要基本数据。
  早在公元前三世纪和公元前一世纪,古希腊的天文学家曾先后两次进行 确定子午线长度的工作。但是,他们并没有全部经过实际的测量,例如,在 距离方面,他们都是根据商队或商船的估计而得的。
真正用科学方法实际测定子午线长度的,最早是我国的天文工作者。 那是在唐玄宗开元十二年(公元 724 年),由著名的天文学家僧一行发
起进行的。他发起这项工作是为了制定历法的需要。 我国古代的历法不但包含了年、月、日的安排,而且还包含了日、月食
的预报和各个节气日的昼夜时刻长度等等。而这些项目都跟观测地的纬度有 关。唐代初年,为了使编出的历书能在全国各地使用,曾经到全国各地进行 天文观测。
这次观测共去了十二个地点。观测的项目包括:这一地点的北极出地高
度,冬夏至日和春秋分日太阳在正南方向的时刻八尺高表的影子长度。 在这次测量中,以南宫说等人在今河南省的四个地点进行的一组最重
要。他们除了测量北极高度和日影长度外,还测量了这四个地点之间的距
离。这四个地点是白马(今河南滑县)、浚仪(今河南开封)、扶沟和上蔡, 它们的地理经度几乎完全相同,误差很小。一行根据这些地点实测所得的数 据算得:从白马到上蔡,距离五百二十六里二百七十步(唐代尺度),夏至 日表影的长度差二寸挂零。这次观测再一次证明了古代流传的“南北地隔千 里,影长差一寸”的说法是错误的。“千里一寸”的说法早在南北朝刘宋文 帝元嘉十九年(公元 442 年)就被天文学家何承天(370—447 )所否定了。 但是何承天还认为,影差一寸的任意两地,其间南北距离总是相等的。这个 说法实际是认为地是平的。这其实是不正确的。隋代的刘焯就提出过,影差 和南北距离的比率是不固定的。唐初的李淳风也认为这个比率不是个常数。 现在一行根据南宫说等人的实测证实了刘焯、李淳风等人的说法。他完全废 弃了地隔若干里影差一寸的概念,而代之以北极高度差一度南北距离差多少 里的概念。
根据南宫说等人所得的测量数据,很容易就求出,南北距离三百五十一 里八十步,北极高度相差一度。这个数据就是地球子午线上一度的长。化成 现代的度量单位,子午线一度长一二九·二二公里。①按现代的测量,一度 长一一一·二公里。一行所得数据的误差是百分之一三·九。
一行数据的误差虽然稍大,但是它是世界上第一次子午线长度的实测。



① 中国古代一里等于三百步,一步等于五尺。唐代的天文测量用尺,据北京天文馆伊世同同志考证,一尺
等于二四·五二五厘米。古代分一周天为三百六十五又四分之一度,而现今通用的是一周天三百六十度。





它开创了我国通过实际测量认识地球的道路;它彻底破除了日影千里差一寸
的谬见;它把地理纬度测量和距离结合起来,既为制定新的历法创造了条 件,又为后来的天文大地测量奠定了基础。
  通过这次测量,一行认识到一个重要的科学真理,那就是:在很小的、 有限的空间范围里探索出来的正确的科学规律,如果不加分析地、任意地向 很大的、甚至无限的空间条件下去推广,那就会是荒谬的。日影千里差一寸 的错误就在于把只在小范围平地上总结出来的平面测量理论主观地推广到 大面积去应用了。可是,在大面积的条件地球表面就不能认为是平面,而必 须用球面的概念来处理。一行对古人这个错误的纠正在科学思想史上是一个 进步。

航海天文学的应用


  我国古代的劳动人民很早就开始了航海活动。在长期的航海实践中,我 国勤劳勇敢的船工们发展了一整套航海技术。其中,天文导航是极重要的一 项。
早在西汉前期公元前二世纪的著作《淮南子》卷十一《齐俗训》中就记
载着:“夫乘舟而惑者不知东西,见斗、极则悟矣。”(乘船的人分辨不清 方向,但是只要观测到北斗和北极星就可以明白了。)这个经验的产生无疑 是很早很早的。
西汉时期,我国的海船就到了印度洋上的南亚地区。东晋的著名僧人法
显(约 337—约 422)①访问印度和斯里兰卡回国的时候就是乘的海船。他记 述那段历程的时候说到:“大海弥漫无边,不识东西,唯望日、月、星宿而 进。若阴雨时,为风逐去,亦无准。??至天晴已,乃知东西,还复望正而 进。”可见,天文学是当时指导航行的最重要的知识。
唐、宋以后随着我国生产的发展,兴盛的海外贸易推动了我国航海技术
的飞跃发展。指南针开始应用到航海上,把导航仪器罗盘和航海天文学结合 起来,引起了航海技术的大发展。
指南针可以很好地指示方向。而位置的确定却须依靠航海天文学。具体
记述了航海天文学资料的最早著作是明初郑和(1371—1434)②“下西洋” 留下的《郑和航海图》。图收载在明茅元仪编的《武备志》中。
《郑和航海图》包括横条形海图一幅,长达二十页。还有四幅星图,称 为“过洋牵星图”。从海图上可以看出,郑和船队从苏州刘家港起航,出长 江口,经我国浙江、福建各省和南海诸岛,到达印度尼西亚的苏门答腊岛北 端。在这一段海路上都是用的指南针定向。从苏门答腊往西到锡兰(今斯里



① 关于法显的生卒年,说法不一,一说是 334—420,一说是 342—423。
② 关于郑和的卒年,说法不一,一说卒于 1433 年,一说卒于 1435 年。





兰卡)的途中开始用天文定位。从锡兰往西到南亚、西亚和非洲东海岸等地
就都尽量利用星辰定位,并且和指南针针位相参照。海图上共记录六十四处 关于各地所见北辰星(就是北极星)和华盖星(就是小熊座β星、γ星等共 八星)的高度。过洋牵星图却标出了途经印度洋各地的时候所见的许多星辰 的方位和高度,其中方位也是用的图示法。
  《郑和航海图》告诉我们,我国古代航海用的是牵星法。在明人李诩的 著作《戒庵老人漫笔》中记述了牵星法所用的观测工具——牵星板。这是十 二块方形的乌木板,最大的叫十二指,每边长大约二十四厘米。其次是十一 指、十指、??最小到一指。每块的边长是等差递减的。另有一块挖去四角 的象牙板,每个缺口标明半指、半角、一角和三角等。一角是四分之一指。 根据北京天文台和广东师范学院等四单位组成的“航海天文调查研究小 组”的研究,牵星板的使用方法是:观测者手持牵星板伸向前,使板和海平 面垂直,板下边和海平线相合,上边缘和所测天体相切。如不能相切,就从 略大的那块板边上细分划处观测,可以得到指和角的读数,它是天体地平高 度的反映。为使板和人目之间的距离保持固定,可以用另一只手从板下端引 出一根长度固定的绳,牵引到人目。观测一般取被测星正在天球子午线上的 时候进行。这时,被测星的地平高度、它的赤纬和观测地的地理纬度之间有
个简单的关系:
         地理纬度=90°+赤纬-地平高度。 对每个测定的恒星来说,在相当长的时期里,可以认为,“90°+赤纬”是 个常数。因此,恒星在子午线上的时候的地平高度就直接反映了地理纬度。 所以,只要观测恒星正在子午线上的时候的指、角数,就可以知道船的位置 是在什么地方了。
特别值得注意的是,“航海天文调查研究小组”研究了“指”这个名称
特殊的角度单位,证明早在秦汉时期我国的天文观测中已经有过这种记载
(例如):唐《开元占经》中摘录的汉代著作《巫咸占》中就记载有关于金 星和月亮纬度相去最远是五指,用现代方法计算,这个差数是九·四度), 而且它们所代表的角度量和《郑和航海图》上所反映出来的完全一致,都是 一指等于一·九度。这是一个极其重要的发现。因为过去国内外的学者一般 都认为牵星板和牵星法是阿拉伯人的发明,尽管这个论断和我国古代远洋航 行的发达是不协调的。现在找出了“指”这个单位的起源,这就证明牵星法 是我国最早发明的。
  以牵星法为代表的我国古代航海天文学在保障远洋航行的安全、准确上 起了巨大的作用。正因为这样,它也是我国古代人民为世界文化发展作出的 又一卓越贡献。
  




浑仪和简仪——中国古代测天仪器的成就
自然科学史研究所 席泽宗 在十七世纪发明望远镜以前,浑仪是所有天文学家测定天体方位的时候
都缺少不了的仪器。不过中国的浑仪和古希腊的不同。我国最原始的浑仪可 能是由两个圆环组成。如下图,一个是固定的赤道环(ErRE′R′),它的 平面和赤道面平行,环面上刻有周天度数。一个是四游环(PMRP′M′R′), 也叫赤经环,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。观测某一 天体 M 的时候,先按东西方向旋转四游环使它对准 M,再把窥管上




字母δ表示。显然 P+δ=90°。图上的 r 表示春分点,从春分点起沿赤道量


a1 叫距度,如果 M1(a1,δ1)是二十八宿的距星,那么 a2—a1 就是 M2(a2, δ2)的入宿度。我国古时就用入宿度和去极度来表示天体的位置,战国时期 公元前四世纪中叶成书的《石氏星经》中就有这些数据了,这证明那时就已 经有浑仪了。在欧洲,首先系统地观测恒星方位的人是约公元前三世纪上半 叶的古希腊天文学家阿里斯提鲁斯和铁木恰里斯,他们比石申约晚六十年, 而所用的仪器,现在已经是一无所知了;据托勒玫(约 90—168)《天文学 大成》中的叙述,他们用的可能是以黄道坐标为主的浑仪。
  利用沿赤道量度的大圆弧来表示恒星的位置是很方便的,因为所有恒星 的周日运动(就是每天的东升西落)都是平行于赤道进行的;但是对于太阳 来说就不合适了,因为太阳在恒星背景上的视运动轨道——黄道——和赤道 有个二十三度多的交角。为了更方便地测量太阳的位置,东汉中期的傅安和 贾逵(30—101)就又在浑仪上安装了黄道环。可能是张衡又加上地平环(NFSF
′)和子午环(NPE′SP′E),于是便成了完整的浑仪。《隋书·天文志》
中介绍的东晋时候的前赵的孔挺于光初六年(公元 323 年)所作的浑仪是这 种仪器结构方面的最早记载。北魏的斛兰于永兴四年(公元 412 年)用铁铸 浑仪,在底座上添置了十字水跌,用来校正仪器的水准,这又是一个进步。 到唐代初年,由于工艺水平和科学技术的发展,李淳风进一步把浑合仪 由两重改变成三重,就是在六合仪和四游仪之间再安装一重三辰仪。李淳风 把张衡浑仪的外面一层——地平圈、子午圈和赤道圈固定在一起的一层叫做 六合仪,因为中国古时把东、西、南、北、上、下这六个方向叫做六合;把 里面能够旋转用来观测的四游环连同窥管叫做四游仪。在这两层之间薪加的 三辰仪是由三个相交的圆环构成的,这三个圆环是黄道环、自道环和赤道





环。黄道环用来表示太阳的位置,白道环用来表示月亮的位置,赤道环用来
表示恒星的位置。中国古时把日、月、星叫做三辰,所以新增的这一重叫做 三辰仪。三辰仪可以绕着极轴在六合仪里旋转;而观测用的四游仪又可以在 三辰仪里旋转。现在保存在南京紫金山天文台的明代正统二年到七年(公元
1437 年到 1442 年)间复制的浑仪,基本上就是按照李淳风的办法做的,所 不同的是把三辰仪中的白道环取消了,另外加了二分圈和二至圈(过春分、 秋分点和冬至、夏至点的赤经圈)。二分圈和二至圈是宋代的苏颂加上去的, 白道环是同时代的沈括取消的。


  沈括取消白道环,是浑仪发展史上的一个转折点,具有重要意义。在沈 括以前,往往是增加一个新的重要天文概念,就要在浑仪上增加一个环圈来 表现这个概念,仪器发展的方向是不断地复杂化,仪器上的环越来越多。这 样就产生了一个缺点:环圈相互交错,遮掩了很大天区,缩小了观测范围, 使用起来很不方便。为了克服这个缺点,沈括一方面取消白道环,把仪器简 化、分工,再借用数学工具把它们之间的关系联系起来(“当省去月环,其 候月之出入,专以历法步之”);另一方面又提出改变一些环的位置,使它 们不挡住视线,他说:“旧法黄赤道平设,正当天度,掩蔽人目,不可占察; 其后乃别加钻孔,尤为拙谬。今当侧置少偏,使天度出北极之外,自不凌蔽。”
(《浑仪议》,见《宋史·天文志》)
  沈括把浑仪发展的方向由综合和复杂化改变为分工和简化,为仪器的发 展开辟了新的途径。元代郭守敬于元世祖至元十三年(公元 1276 年)创制 的简仪就是在这基础上产生的。简仪不但取消了白道环,而且又取消了黄道 环,并且把地平坐标(由地平圈和地平经圈组成)和赤道坐标(由赤道圈和 赤经圈组成)分别安装,使除了北天极附近以外,全部天空一望无余,不再 有妨碍视线的圆环。
简仪的赤道装置是:北高南低的两个支架托着正南北方向的极轴,围绕
着极轴旋转的是赤经双环,就是浑仪中的四游仪。赤经双环的两面刻着周天 度数,中间夹着窥管,窥管可以绕着赤经双环的中心旋转。窥管两端架有十 字线,这便是后世望远镜中十字丝的祖先。这样,只要转动赤经双环和窥管, 就可以观测空中任何方位的一个天体,并且从环面的刻度上读出天体的去极 度数。把去极度数乘以 360/365.25,再从 90°减去这个乘积,就得到现代 用的赤纬值。
  至于赤经数值,可以由安放在旋转轴南端的赤道环求出。这种把赤道环 不放在旋转轴的正中腰而搁在南端的方法,在今天各国的天文台上安装望远 镜的时候,还广泛地使用着。当然,今天的赤道环很小,而不是像简仪中那 样,赤道环的尺寸和四游环的完全一样。赤道环的环面上刻有二十八宿的度 数;另有两根“界衡”,每条界衡的心就是赤道环的中心,可以绕中心沿环 面移动。每条界衡的两端都用细线和极轴北端连接起来,构成两个三角形,
  




两个三角形平面的夹角就是赤经差。观测的时候把一个界衡形成的平面对准
某宿的距星,把另一个界衡平面对准所要观测的天体,就得到这个天体的入 宿度。把入宿度加上从这个天体西侧宿起到春分点所在宿止相应各宿的距 度,并且减去春分点位置的宿度,然后乘以 360/360.25,就是现代用的赤经 值。


  在赤道环的内部,还固定着一个百刻环,用来承托赤道环,使它旋转方 便。百刻环等分成一百刻,又分成十二个时辰,每刻又分作三十六分,这是 古代任何仪器上都没有过的。用界衡来观测太阳,从百刻环上得到的读数就 是真太阳时时刻。(由于太阳的视运动沿黄道,而百刻环和赤道面是一致的, 因此,从简仪上读到的时刻和用漏壶测得的时刻实际上会有一些差别。)
  至于地平装置,简仪把它安放在赤道装置北面支柱的横梁底下。它由一 对圆环组成。一个是平铺的“阴纬环”,代表地平圈,环面上刻着方位。一 个是“立运双环”,代表地平经圈,垂直立于阴纬环上,并且可以绕轴旋转。 双环中间夹有窥管,窥管可以绕立运环的中心旋转。这样,只要转动立运环 和窥管,就可以测出任一天体的地平经度和地平纬度。
简仪的设计和制造水平,在世界上遥遥领先三百多年,直到公元 1598
年丹麦天文学家第谷所发明的仪器才能和它相比。著名的《星云星团新总星 表》(NGC)的作者丹麦德雷耶尔(1852—1926)在评价简仪的历史重要性 的时候指出,不少伟大的发明,常常在西方国家享有它们以前的许多世纪, 中国人民就已经作出了。我们看现代化天文台里大望远镜的赤道装置,尤其 是英国式的类型,简直就是从简仪脱胎而来,不过和四游环、赤道环、百刻 环相当的刻度盘不太注目而已。近代工程测量、地形测量和实用天文测量所 用的经纬仪,从它的型式来看,方位角和仰角的地平装置,也是简仪阴纬环 和立运环的结构。而航空导航用的天文罗盘,构造也和简仪属于同一类型。 因此可以说,简仪是所有这些近代仪器的原始形态。
郭守敬等创制的简仪,于清康熙五十四年(公元 1715 年)被传教士纪
理安(1655—1720 )当作废铜给熔化了。现今保存在南京紫金山天文台上 的简仪,和浑仪一样,也是明代正统年间的复制品。就是这两件复制品也是 饱历风霜。清光绪二十六年(公元 1900 年)八国联军侵入北京,法军把简 仪抢去,运进法国大使馆,过了几年才归还;德军把浑仪运到德国波茨坦, 第一次世界大战战败后才归还我国。
  公元 1921 年浑仪才由欧洲运回北京,1931 年又发生了“九·一八”事 变,国民党政府又把浑仪和简仪南迁南京。1937 年 12 月南京沦陷,日本侵 略军到了紫金山,又把仪身损坏,龙爪砍断,把许多附属仪表和零件弄得荡 然无存。“萧瑟秋风今又是,换了人间。”解放以后,党和政府在积极发展 现代科学的同时,也高度重视保护古代文物。天文台、系、站、馆不断新建 和扩充,保存在南京紫金山天文台的浑仪和简仪以及其他天文文物也受到着
  
中国古代科技成就的下一页
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