中國通史（第四卷） · 第四十四章 天文學

第一節曆法 從太初曆到乾象曆 秦漢時期天文學得到了長足的發展，初步形成了我國的傳統天文學體系。其中尤為突出的是獨具特色的曆法體系的形成。秦統一中國，推行「車同軌，書同文字」。又在全國統一施行顓頊曆，以建亥之月（十月）為歲首，年終置閏。漢承秦制，仍用顓頊曆，但到漢武帝時，顓頊曆漸與實際天象不符，把閏月總是放在閏九月也不能適應農業生產對掌握季節的需要，司馬遷等人提議改歷。武帝於太初元年（公元前104年）下令從全國徵募二十餘人「議造漢歷」。經過實測和推算，共提出了十八種方案，最後確定了鄧平提出的81分法，即每月有294381天，每年有■3653851589天，19年有7個閏月。 新曆在太初元年頒行，是為太初曆。太初曆的原文雖然失傳，但西漢末年劉歆按太初曆改編的三統曆卻完整地保存下來，成為現今能見到的最古老的一部完整的曆法。它不僅包括根據日月運動推算朔望、24節氣，安排曆日的方法，還有推算日月食，預告行星位置等內容，這確立了我國古歷的基本框架。制定曆法必先造儀器，搞天象觀測，按實測來確定數據和檢驗曆法疏密，這一原則在制定太初曆前後得到了充分的體現，也對後世產生了深遠的影響。中國古歷採用陰陽合曆，即以太陽的運動周期作為年，以月亮圓缺周期作為月，以閏月來協調年和月的關係。由太陽運動而確立的24節氣反映了一年四季的變化，與農牧業生產密切相關，在漢初的《淮南子·天文訓》中首次出現了完整的24節氣名稱，與現今通行的名稱一致。24節氣是相間的12個中氣和12個節氣的總稱。太初曆首次確定以中氣所在決定月的名稱，如雨水所在月為一月，春分所在月為二月，..冬至所在月為十一月，等等。而無中氣的月無名稱，只能稱為前一個月的閏月，這一原則稱無中氣置閏。它合理地調整了年和月的關係，使季節與月份大體穩定，從太初曆開始一直延用到現在。 東漢早期發現了月亮的視運動不均勻，即月亮每天的行度不一樣，而且知道了月行最快的地方每月朝前移三度。劉洪在乾象曆（公元206年）里首次把月亮的快慢不均勻編成表，為後世月離表和日躔表的先聲。要計算某一天月亮的位置，應在平均值上再加上快慢多少的改正，又用內插法推算任何時刻的月亮位置。採用了這些數學方法，推算日月合朔和日月食發生的時刻便提高了準確程度。劉洪還發現，月道（白道）和日道（黃道）不在一個平面上，中間有六度夾角，這就造成了不是每次日月合朔都發生交食。他認為合朔時月亮離黃白交點超過十五度半就不會發生交食，這就是發生食的判斷數據，即現代的食限概念，這一數據後代各歷都遵用不改。 中國古歷的特色從太初曆到乾象曆，中國古歷無論在內容、形式、計算方法等方面都形成中國的特色而跟歐洲曆法有了明顯的不同。如歐洲古羅馬公元前46年起實行的格里高利曆，時代同中國的太初曆相當，年長也取用26514天，同戰國時古六歷和東漢四分曆相同。但月是31天和30天兩種，與我國的朔望月不同，它沒有天文意義，與月亮運動無關。格里曆為陽曆，我國古歷為陰陽合曆。歐洲古歷僅包括曆日安排，大小月年年相同，而我國古歷各年不同，且還包括交食、行星、節氣、晷漏等內容，可以說是一種天文年曆，為了編制曆法而帶動了整個天文學的發展。中國古歷以觀測為基礎確定各種天文數據，而以代數學方法處理這些數據，推算天文學問題；歐洲從古希臘天文學以來一般以幾何學系統立論來處理數據。我國古歷以周天36514度的制度劃分全天，度下為分，各歷採用不同的進位制；歐洲以周天360°為分劃，度下為分、秒，皆以六十進位。秦漢以來，由於皇權的加強，而曆法又由皇家頒行，頒歷權成為皇權的一部分。天文曆法事業由皇室經辦，逐漸形成了我國天文事業的官辦性質，而民間研習天文歷算逐漸受到了限制，這也與西方的情況大不相同。 第二節渾儀和渾象渾儀 天文儀器系統也在秦漢時代形成了。為了編制太初曆的需要，製造了觀測天象、測量角度的儀器，這就是渾儀和渾象的研製。西漢時落下閎就製造過渾儀，據記載他是四川人，「武帝征侍太史，於地中轉渾天，改顓頊曆，作太初曆」①。晉天文學家虞喜也說他「為漢孝武帝於地中轉渾天，定時節，作太初曆」②。這裡的「地中」指陽城（今河南省登封縣吉城鎮），古傳此地為地之中央。「渾天」即渾儀，亦稱渾天儀，是用於觀測的儀器，以之測量日月行星恆星在天空的位置，確定兩個天體之間的角度。它應包括一個用來對準天體的管或衡，又有刻有度數的標尺，如地平環、子午環、赤道環等。當窺管或窺衡對準了要觀測的天體時，各種標尺所指示的讀數就是天體的位置。東漢的賈逵還在渾儀上加進黃道環，首次製造了一架「黃道銅儀」。漢代的渾儀雖沒有留傳下來，我們相信後世保留下來的渾儀不會跟它相去太遠。 應該指出，在制定太初曆之前，測量角度的天文儀器已經存在。戰國時代石申編制的星表是基於角度的測量，長沙馬王堆西漢早期墓出土的帛書，記載了秦漢時代幾十年間行星的運動，也是基於角度的測量③。《後漢書·律曆志》曾提到漢初使用一種「圓儀」來量度日月的運動，後來渾儀流行，圓儀失傳。1977年在安徽阜陽一西漢早期墓中出土了帶有28宿距度的圓盤①，可用於測量角度。這一器物的出土為研究早期的測角儀器提供了實物依據。渾象西漢末年揚雄所著《法言·重黎》里說：「或問渾天，曰：落下閎營之，鮮于妄人度之，耿中丞象之。」這裡的耿中丞即漢宣帝時大司農中丞耿壽昌，他製造了一個渾象，模擬渾天的運動情況。這種儀器大體是一個大圓球，在球殼上刻著日月星辰，利用它的轉動演示天象的變化。漢代最著名的是張衡製造的「水運渾象」，又叫「漏水轉渾天儀」，類似今天的天球儀，利用水力來推動儀器的旋轉，速度同天空的周日運動一致，所以把儀器放在室內，根據它的旋轉也能知道室外的天象變化。在此基礎上後來還發明了鐘錶。渾儀和渾象歷代都有製造，從漢代以來，成了我國古代觀測天象的主要儀器。①唐司馬貞《史記索隱》引《益部耆舊傳》。 ②《隋書·天文志》。 ③見《馬王堆漢墓帛書〈五星占〉釋文》，載《中國天文學史文集》，科學出版社1978年版。①阜陽博物館等：《阜陽雙古堆西漢汝陰侯墓發掘簡報》，《文物》1978年8期。 第三節圭表和漏刻時間的計量 隨著生產和生活水平的提高，對時間的要求也在變化，原始社會的那種日出而作、日入而息的作息制度已嫌粗疏，在殷商時代已將白天分成好幾段。甲骨文中有旦、明、小采、大采、中日、昃、昏、夕等字。《左傳》昭公五年（公元前537年）條說：「日之數十，故有十時，亦當十位。」說明古代曾將一天分成十時。《隋書·天文志》在記述古代的時刻制度時說：「晝有朝、有禺、有中、有晡、有夕，夜有甲、乙、丙、丁、戊。」這可能就是一天十時，而五夜之說也許就是五更的來源。《淮南子·天文訓》中有一晝夜分成十五時的記載①，而漢代的十二辰和百刻時制也相當流行②。時刻制度的發展必然伴隨著測時和計時儀器的進步。 圭表甲骨文中有關時間的字大多從日字，說明測時的依據是太陽。根據太陽的運動判斷一天內的時間變遷，圭表是最早使用的儀器。一根竿子立在地上，可以根據影子的長短和方向判斷季節和一天內的時刻，1967年在江蘇儀征的一座東漢墓中出土了一件銅圭表，不用時可以摺疊起來，像一把銅尺，使用時將圭從表的凹槽中立起，使用和攜帶都很方便。在圭表的基礎上發展起來的日晷到漢代已做得很精細，1897年和1932年先後在內蒙、河南、山西出土了三塊秦末漢初的晷儀③，上有69條刻線，占盤面的2/3，其餘部分沒有刻線，當為黑夜見不到日影的部分。三塊出土地點不同，而其結構和所刻字體都相同，這表明秦漢時圭表和晷儀已很流行。 漏刻作為計量時間的儀器，漏壺是最早發明的。古籍載：「漏刻之作，蓋肇於軒轅之日，宣乎夏商之代。」①這可能是一種傳說。較可靠的資料見於《周禮·夏官》，其中載有挈壺氏，由於古代的漏壺上面有一個提梁、故稱挈壺，挈壺氏「掌挈壺，..以水火守之，分以日夜」。西漢以前的漏壺現在未見實物，傳世最早的漏壺為西漢時制，1958、1967、1975年分別出土於陝西興平、河北滿城、內蒙古默特右旗，都是銅鑄圓柱狀，上有提梁，下有漏嘴，樑上方有小孔，是插刻箭的。為了改進單壺漏水不均勻的缺點，東漢時代開始用二級漏壺，以便互相補償，如張衡的漏水轉渾天儀。經過秦漢時代的發展和創造，圭表、儀象、日晷、漏刻等天文儀器得到很大發展，並已普遍使①名稱是：晨明、胐明、旦明、蚤食、晏食、隅中、正中、小還、鋪時、大還、高舂、下舂、懸車、黃昏、定昏。 ②閻林山、全和鈞：《論我國固有的百刻計時制》，《天文參考資料》1977年4期。③李鑒澄：《晷儀——現存我國最古老的天文儀器之一》，《科技史文集》第一輯，上海科技出版社1978年版。 ①《初學記》卷二十五。 用，這些儀器構成了我國二千年間用於天文觀測和時間工作的主要儀器系列。 第四節宇宙論 關於宇宙結構的學說 關於宇宙結構的學說，漢代出現了渾天說與蓋天說的爭論。在秦漢之前，蓋天說比較盛行。自古以來，人們看見蒼天籠罩著大地，產生了天圓地方的蓋天說，而春秋時的曾參就曾提出疑問：「天圓而地方，則是四角之不揜也。」①後來蓋天說又認為天不與地相接，而像圓頂涼亭那樣由八根柱子支撐著。詩人屈原曾問道：「斡維焉系，天極焉加，八柱何當，東南何虧。」公元前一世紀成書的《周髀算經》中提出「天象蓋笠、地法復盤」的新蓋天說，認為天在上，地在下，天地相蓋，二者都是圓拱形，中間相距八萬里，日月星辰隨天蓋旋轉，近見遠不見，形成了晝夜四季變化。 漢代，另一種學說渾天說興起，認為「渾天如雞子」、「地如雞中黃」。以著名天文學家張衡為代表的渾天派提出天是一個整球，一半在地上，一半在地下，日月星辰有時著不見是因為它們隨天球轉到地下面去了，天球繞軸轉一圈就是一晝夜，地面上的人就看見天上的星星轉了一周天。這種看法成功地解釋了晝夜的交替、天體的東升西落和其他許多問題。同渾天說一致的渾儀又能很準確地測定天體位置，渾象能演示天象的變化，這一切對曆法的推算既有用又方便，所以渾天說得到很快的發展並為大多數人們所接受，成為我國天文學思想中長期占統治地位的體系，直到明末西方天文學體系進入我國才開始改變。 值得提到的還有一種宣夜說。宣夜說打破了渾天說認為天象雞蛋殼式的有限概念，蘊涵著宇宙無限的思想。東漢時代的郗萌記道：「天了無質，仰而瞻之，高遠無極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也。..日月眾星，自然浮生虛空之中，其行其止皆須氣焉。是以七曜或逝或住，或順或逆，伏見無常。進退不同，由乎無所根系，故各異也。」①這是元氣學說在天文學上的運用，反映了宇宙無限思想和樸素唯物主義認識論。 關於宇宙生成和天體演化學說關於宇宙生成和天體演化學說，在秦漢時期也產生了比較系統的理論。 《淮南子·天文訓》和張衡《靈憲》都認為，天地還沒有形成的時候是一片渾沌，而「道」始於虛廓，虛廓生宇宙，宇宙生氣；在天地形成過程中，元氣中的「清陽者」稀疏向上成天，「重濁者」凝滯向下為地，於是形成上天下地或外天內地；天地精氣分為陰陽，陰陽精氣形成四時、水火，繼而產生日月星辰和萬物。這種虛物創生的觀點和宇宙萬物是物質的和運動變化的思想，在中國古代思想界和科學界有著長期的影響。 ①《大戴禮記·曾子·天圓》。 ①見《晉書·天文志》。 第五節天象記錄、天文學家和天文典籍天象記錄 秦漢時代對天象的觀測和研究也有重要進展，天象記錄日趨詳備。如征和四年（公元前89年）日食，在《漢書·五行志》中對於發生日期、太陽方位、食分、虧起方向、初虧及復圓時刻等，都記載得十分清楚。《漢書·天文志》、《五行志》等所載西漢河平元年（公元前28年）關於太陽黑子的記錄（成帝河平元年「三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央」），西漢建始元年（公元前32年）關於極光的記錄，西漢元光元年（公元前134年）和東漢中平二年（公元185年）關於超新星的記錄，都是世界上有確切時日記錄中最早的一批。1973年長沙馬王堆出土的《五星占》和《彗星圖》又一次提供了漢初天文學發展情況的重要資料。 天文學家秦漢時期是天文學人才輩出的時代，湧現出眾多的成就卓著的天文學家和精通天文曆法的學者。如張蒼、司馬遷、鄧平、落下閎、耿壽昌、劉歆、編、李梵、蘇統、賈逵、張衡、劉洪、郗萌等，他們在天文理論、天象觀測、制訂曆法、研製儀器等許多領域作出了傑出貢獻，推動了天文學的發展。落下閎，字長公，巴郡閬中（今屬四川）人，明曉天文地理，隱於落下，是一位民間天文學家。漢武帝時，經友人薦舉，徵聘為待詔太史，後拜侍中，辭不受。曾與鄧平、司馬遷等創製《太初曆》，還曾製造渾儀並在陽城（今河南登封）用於觀測。賈逵（30—101），字景伯，扶風平陵（今陝西咸陽西北）人，也是東漢時的著名經學家。曾任左中郎將，侍中領騎都尉。在章帝元和二年（公元85年）至和帝永元四年（公元92年）間，與編、李梵等人集體修訂東漢四分曆，肯定了李梵、蘇統發現的月亮視運動的不均勻性，並指出月行速度最大的位置每個月向前移動三度，從而認識到現代所謂的近點月和近地點的進動。他還主張量度日月運行採用黃道度數比較精確，並倡議製造黃道銅儀。劉洪，字元卓，山東蒙陰人，是我國古代傑出的天文學家之一。曾任校尉、郎中、常山長史、會稽東郡都尉、山陽太守等官職。他所創製的《乾象曆》是一部優秀曆法，曾在三國時的吳國頒行。劉洪在太陽運動、月亮運動和交食研究等方面都取得了重大成就，對後世天文曆法的發展產生了深遠的影響。例如，他最早把月亮視運動不均勻性引進曆法，並確定出相當精確的近點月日數和一個近點月內每天的月亮實際所行度數；首次給出黃道與白道交角值為古度六度一分；改進了回歸年和朔望月數值；用月亮的實際運動修正平朔和平望，得出定朔和定望，從而更準確地推算日月食；最早提出交食食限概念，並給出具體的食限數值為十五度半，這在交食預報上是個重要發明；他所提出的新的交食周期值和各種天文數據表也是當時世界上的先進成果。他曾與著名學者蔡邕一起續補《漢書·律曆志》。張衡（78—139），字平子，河南南陽人，精通天文曆法、儀器製造、地理、數學、文學和繪畫，是中國古代最傑出的科學家之一。曾擔任主簿、郎中、侍中、河間相、尚書等官職，並兩度出任太史令，前後共14年。張衡曾創製世界上最早的自動運轉的天文演示儀器水運渾象和世界上第一架測定地震的儀器候風地動儀，據記載，地動儀成功地記錄了順帝永和三年（公元138年）在甘肅發生的一次強震。在天文理論方面，他是渾天說的一位傑出代表人物，對於宇宙結構、宇宙無限性、天體演化、日月五星運行規律、月食成因以及隕星和彗星等，都有相當精闢的論述。在曆法問題上，他提出了黃道宿度與赤道宿度互相換算的較好的計算方法，對後世曆法有很大影響。張衡重視實踐，勤於觀測，曾對恆星進行了長期的觀測和統計工作，把星空劃分成444個星官，記錄了兩千五百餘顆恆星，這個成果在相當長時間內是很先進的。張衡在數學和地理學方面也都很有研究，他在文學方面也很有成就。本卷丁編第三十二章張衡另有傳。 天文學典籍漢代出現了我國流傳至今的第一本天文學著作《周髀算經》，而在司馬遷《史記》和班固《漢書》中有關天文曆法的章節，是第一批重要的天文學典籍。它們既總結了秦漢以前天文學的發展情況，又開闢了此後天文學發展的道路。《史記·天官書》、《曆書》的編寫，為此後廿四史中天文、律歷諸志作了楷模。此外，漢代科學家張衡的《靈憲》、《渾天儀圖注》都對以後的天文學發展產生了重大影響。秦漢時期是我國傳統天文學發展的重要階段。 第六節氣象 氣象與生產 氣象與生產關係密切，在秦漢時代已成為政府部門關心的問題，湖北省雲夢縣出土的秦簡中記載：「稼已生而後雨，亦輒言雨少多，所利頃數」①。至漢代明文規定：「自立春至立夏盡立秋，郡國上雨澤。」②在除開冬季之外的農業生產季節里，為了上報雨量多少，必定要有計量的器具，但至今還未發現秦漢時代有關的記載和文物。宋代有「天池測雨」和「竹器驗雪」的計算題，其淵源可能是很久的。 測量氣象的儀器關於測風的儀器在漢代已有多種記述。一種是「俔」，此字在甲骨文中就有，《淮南子·齊俗訓》記載：「俔之見風，無須臾之間定矣！」這可能是用帛或鳥羽系在竿子上，見風飄動，以示風向的儀器。還有一種叫「綄」，後漢高誘曰：「綄，候風者也，世所謂五雨。」這可能是同「俔」類似的儀器。還有一種是「相風烏」，據《三輔黃圖》記載，「漢靈台，在長安西北八里。..郭延生《述征記》曰：長安宮南有靈台，高十五仞，上有渾儀，張衡所制。又有相風銅烏，遇風乃動」，「上下有轉樞，向風若翔」。這種風向標做成烏鴉形，頭小尾大，遇風轉動，烏鴉頭即指向風來的方向。李約瑟認為，「上下有轉樞」這句話暗示風向標跟下層的轉動機件相連，可能附著有記錄風速的器件，這是風速計的先驅①。此外，《淮南子·天文訓》中還把風分成八種，指出了它們的季節性。 另一種氣象儀器是測量空氣濕度的。在天平的兩端分別置土和炭，因木炭的吸濕性大於土，當空氣乾燥時，木炭里的水分很容易蒸發掉而變得輕，當空氣濕度增大時，木炭吸收空氣中的水分而變得重，所以結論是「燥故炭輕，濕故炭重」①，這可算是最早的濕度計了。羽毛也有類似於木炭的性質，故同書《說山訓》又說：「懸羽與炭而知燥濕之氣。」琴弦的緊張程度也同空氣的燥濕有關，這一現象在《淮南子》中也有發現。《本經訓》說：「風雨之變，可以音律知之。」為什麼呢？因為「天且雨，琴弦緩」②。燥濕程度能影響琴彈出的音調，這一現象也是後代製造毛髮濕度計的依據。 唯心主義者對氣象的曲解西漢初年，董仲舒倡導的「天人感應論」逐漸流行，這種唯心主義的觀念利用天文氣象等自然現象附會於社會政治和人民的命運，阻礙了學術問題的探討。漢代許多學者如司馬遷、桓潭、張衡、王充等人對此進行了有力的①《睡虎地秦墓竹簡》，第24頁，文物出版社1978年版。 ②《後漢書·禮儀志》。 ①李約瑟：《中國科學技術史》（中譯本），第四卷第742頁，科學出版社1975年版。①《淮南子·天文訓》。 ②《論衡·變動》。 批判。他們指出自然現象的變化，天下常有，無世不然，有規律可循，決沒有神的意志在故意作成。如打雷也有規律：「正月陽動，故正月始雷；五月陽盛，故五月雷迅；秋冬陽衰，故秋冬雷潛」③，反對「夏秋之雷為天大怒，正月之雷為天小怒」的說法。又如下雨也是有徵兆有規律的，「雲氣發於丘山」，「雲散水墜，名為雨矣！夫雲則雨，雨則雲矣！」「雲霧，雨之徵也，夏則為露，冬則為霜，溫則為雨，寒則為雪，雨露凍凝者，皆由地發，不從天降也。」這些認識既加深了對自然的了解，也為破除迷信，反對唯心主義的「天人感應論」提供了武器。 ③《論衡·雷虛》。