中国隋唐时期天文学

中国是世界上天文学发达较早的国家之一,在天文学的许多方面都曾处于领先地位。无论在天文仪器、历法、天象观测、宇宙理论方面都取得了不少成就,有一些至今还在研究工作中发挥作用,这是世界公认的。同时也涌现了一批天文学家,他们的许多科学发现至今还有现实意义。

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中国古典天文学有人归结成4个特点,不同于世界其他文明古国的天文学系统,具有鲜明的独特性。

①整个天文学的发展以历法的编纂为基础。中国的历书不仅包括历日的安排,还有太阳、月亮和行星的运行,日月食推算,各节气日影长短等,是一部天文年历,内容比西方的历书远为丰富。中国天文学由国家官办,颁历权是皇权的象征。

②中国天文学家一般使用代数方法计算日月行星的位置,处理天文数据,而西方一般常用的是几何方法。

③中国占星术的哲学观点以阴阳五行、天人感应学说为基础,大多占卜国家兴衰、政治事变,掌握于皇室;西方占星术多占卜个人命运,流行于民间。

④中国古代天文学勤于观测,详细记录,对异常天象尤其重视,使中国保存有最系统、最丰富的天象记录。

这些特点有力地证明了中国古代天文学的独立起源和发展。

中国天文学的理论渊源于中国古代的宇宙理论——盖天说、宣夜说、浑天说。

盖天说是中国最古老的一种探讨天体结构的学说。最早的盖天说主张天是圆的,象一只扣着的大锅,地是方形的,象一张棋盘,也就是通常说的"天圆地方"。后来的盖天说,把天比喻成一个斗笠,而把地比喻一个倒扣着的盘子,二者呈平行的拱形。

宣夜说是中国古代一种朴素的无限宇宙学说。这个学说可以上溯至战国时代的《庄子》,认为根本不存在有形质的天,天色苍苍,是因为它"高远无极",不存在一个有形体、有颜色的亮层。日月众星自然地飘浮在无限的太空之中,它们的速度各不相同。宣夜说进一步发展以后,认为日月星辰也是由气组成的,只不过是发光的气。这个学说的思想虽然很先进,但作为一个宇宙结构体系,没有提出独立的计算天体坐标及其运动的量度办法,它的数据是借自浑天说。

浑天说的一些看法大约在战国时期就已形成,对这个学说的详细记述的最早著作是东汉时期的天文学家张衡的《浑天仪》。他认为天好象一个鸡蛋壳,地好比鸡蛋黄,天大地小,天地各乘气而立,载水而浮。天有一个硬壳,但硬壳不是宇宙的边界,它以外的宇宙在时空上是无限的。浑天说在中国流传甚广,天文学家和历算家观测和测量天体视运动时,都以它为基础。所以它不仅是一种宇宙学说,而且是一种测量天体视运动的计算体系。

中世纪的中国天文学大致也可以分为隋唐和宋元两个时期。

隋唐是两个大一统的帝国。南北朝在天文历法方面的许多创造,经隋唐两代确立和巩固下来;由于统一和疆域的扩大,给天文测量带来许多方便;与周围各国关系的加强,使古老的中国文化又吸收了一些新的营养。这些使得隋唐的天文历法都比南北朝进一步发展了。

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这一时期最著名的天文学家是僧一行(683-727),俗名张遂,魏州昌乐县(今河北省南乐县)人,是唐朝开国名臣张公谨的重孙。他的主要贡献是制订了《大衍历》。此外,他在天文测量如圭表测影技术和理论的改进、对地球子午线长度的首次测量方面都作出了卓越的贡献。

圭表是发明得最早也是最简单的仪器。它就是在地上直立的一根竿子(称为表)和地面上南北方向平放着的尺(称为圭)的总称。根据表投下的日影长度,可以求得许多天文数据,有很多实用价值。圭表测影的功能主要有两方面:1.由日影长短定二至、二分的所在,验证历法的精确性;2.在汉代和南北朝之前,人们曾由日影千里差一寸的原则,通过圭表量日影长短,计算天体大小。

唐朝建立后,疆域空前扩大,社会安定。于是,开元年间(713-714),在僧一行的主持下进行了大规模的日影测量。结果表明日影与距离的关系随地区而不同。南部变化小而北部变化大;而且随季节不同而异,夏季变化小,冬季变化大。这就证明了用日影长短计算天体大小是不可能的。自唐以后,不再有人用日影长短测天大小,这在天文学理论和实践上都是一个进步。

在普测天下日影的过程中,僧一行在世界上第一次测量了地球子午线的长度。他首先选择4个观测点:滑台白马(今河南滑台县)、浚仪岳台(今河南开封西北)、扶沟(今河南扶沟)、上蔡武津(河南上蔡县东),这四个观测点几乎在同一经度上。他归算出南北两地相距351里80步,两地的北极出地高相差1度,这个数据就是地球子午线1度的长度。他的误差虽然很大,但却是世界上第一次的子午线长度实测。

隋唐时期,天文仪器也得到了进一步的发展与完善。如李淳风于665年制造木浑天图,用来测黄道;公元679年姚元按古法在阳城测景台立8尺的表;公元723年,僧一行和梁令瓒造黄道铜浑仪等仪器。唐代梁令瓒制造的水运浑天俯视仪是历史上的一项重要发明。水运浑天俯视仪用水激轮,每昼夜自转一周,一半在木柜内,表示在地平线下。另立两木人,每刻击鼓,每辰敲钟。水运浑天俯视仪机械精巧,安装在柜内,已粗具近代自鸣钟的规模。比欧洲于13世纪后半期发明的自鸣钟要早500多年。

另外,唐代以前的浑仪只有三辰、四游两种重环,唐代的李淳风又加上六合,形成三环;最外为六合仪,中为三辰仪,内为四游仪。这样就可以测定黄道坐标、赤道坐标和地平坐标。至此,中国历代传统制造并使用的浑仪,就成了一架比较完备的天文观测仪器了。

隋唐时期的历法也有了长足进步。历法是人们为了生产实践的需要而创立的长时间的计时系统。具体地说,就是年、月、日、时的安排。中国最迟在殷商时代起采用于支纪日。它以十天干即甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸,和十二地支即子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥顺序而成。从甲子、乙丑……直至癸亥,一日一个干支名号,日复一日,循环使用。中国的历史很长,但只要顺着干支往上推,历史时期就清清楚楚,这是中国古代创用干支法的功绩。此外,中国历法还有纪年、纪月、纪时的方法,并创造了24节气和闰月。历法是中国古代天文学的主要部分,在二十四史中有专门的篇章,记载历代历法的资料,称为"历志"或"律历志"。南北朝是中国历法史上发生重大变革时期,许多重要理论和实践都是在这个时期提出和实现的。但是由于政治的分割与不稳定,许多成果没有固定下来。隋唐时期的统一和稳定,为以往成就的巩固提供了条件,出现了两部能集南北朝历法理论之大成的历法:隋代刘焯的《皇极历》,唐代僧一行的《大衍历》。

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刘焯(544-610),字士元,信都昌亭(今河北武强县西南)人。隋开皇二十年(公元600年),他制定了《皇极历》。这一历法的优点是:①同时考虑了月球视运动和太阳视运动的不均匀性,创立二次差内插公式来计算定朔校正数,用定朔代替平朔;②改岁差为75年相差1古度,这比虞喜和祖冲之的推算更接近真值;③首次提出了"当食不食"和"不当食而食",实际上是涉及到视差对交食的影响问题;④首次提出用定气来制历的设想,他设想从冬至开始将周天分成24等分,太阳每到一个分点就是差一"气",以此代替把一年时间等间隔地分成二十四"气"的平均方法,这就更符合太阳的实际运动和能更准确地预报交食。

僧一行从开元九年(公元721年)开始《大衍历》的制订工作,到727年编成,呕尽了他全部的心血。书成的同年,他不幸去世。《大衍历》共有历术7篇,略例3篇,分别包括了平朔望和平气、七十二候、太阳和月亮每日的位置和运动,每天看到的星和昼夜时刻,日食、月食和五大行星的位置等,这种编排方式成了后世历法家的典范。《大衍历》采用平气注民用历谱,而以定气来计算太阳视运动,推算交食。僧一行还在《大衍历》中提出了"食差"的概念,并对不同地方、不同季节分别创立了被称为"九服食差"的计算公式。这些经验公式实际上是对周日视差影响交差的一种修正,使日月食的预报更精确了。《大衍历》对日、月食的食分和亏起方位角都作了既简洁又具体的阐明。它还指出,日月交食时,由于月亮比太阳近,当某地见到全食时,另一地只能见到偏食,这实际上是有关"食带"问题的首次记载。

总之,历法的许多重大理论开始产生于南北朝时期,然而到隋唐时才变成一种制度确定下来。自隋唐起,对历法的贡献主要是改进算法,如参数的选择、内插法的使用和改进等。因此有人认为南北朝历法的进步是理论的,隋唐是方法的;南北朝是天文的,隋唐是数学的。这也间接表明,到隋唐时期旧历已经成熟。

尽管隋唐时期的天文历法有了高度的发展,中国学者仍然对唐代传入的印度天文历法进行了研究,吸取了其中一些可以借鉴的东西。中国对这一时期来华的印度天文工作者十分尊重。他们当中许多人在当时的中央天文机构——司天台任负责工作。唐代的历法也传入了朝鲜和日本,对朝鲜和日本两国天文历法的工作有着良好的影响。

隋唐天文学延续到五代十国,尽管处在分裂割据的状态下,但天文学工作的广泛传播仍在继续。例如在后晋、后周、蜀、南唐、闽等地区,都编制过各自的历法。各地也涌现出一些民间天文历法家,这为宋元时期天文学的高度发展奠定了群众基础。