中國通史（第五卷） · 第二十四章天文學

三國兩晉南北朝是天文學非常活躍的時期，不僅產生了一系列極為重要的新發現，而且在恆星觀測、曆法計算和天文儀器製造等方面也取得了不少新的成就，從而為中國天文學的進一步發展打下了良好的基礎。 第一節星官體系與全天星圖研究 日月五星運動規律需要建立參考體系，製作渾象需要將星象綴刻在儀器上，因此天體運動的研究和天文儀器的研製，要求加強恆星觀測工作並提供一種含星較多的星官體系。先秦典籍和甲骨卜辭中已記載有不少星官名稱。湖北隨縣曾侯乙墓中出土的二十八宿漆箱蓋圖案，說明在公元前433年以前已經形成了北斗二十八宿這一星官體系。漢武帝時，司馬遷在《史記·天官書》中，綜合以前各星占學派使用的星官，建立起一個有五宮二十八宿共計558顆星的星官體系，這是中國古代第一個完整的星官體系。這一體系中的星官與西方天文學中的星座大同而小異。星座是指許多恆星組成的視覺圖案，星官則有兩個以上恆星組成的組合，也有單個的恆星，所以星官一般比星座小。在此以後，史籍中還有一些關於天文圖籍和星官的零星記載，但總的說來，漢代以前對全天恆星系統的認識僅限於二十八宿及其外的某些星組。此外，社會上使用星官最多的是天文星占家。但長時間形成的不同星占學派，由於對星空的認識和占卜方法的不同，因而各自有常用的星官體系，其中最著名的是甘德、石申和巫咸三大家，於是也就有甘、石、巫咸三派星官體系。《史記·天官書》不區分三家星，在實用中不完全適合不同流派星占家的需要。在魏晉南北朝時期，根據社會需要和在前人成就基礎上，對全天星名、星數進行一次總結，建立一種既能區分三家星又是統一體的新星官體系，已是必要的和條件成熟的工作。這項工作由三朝太史令陳卓完成了。陳卓大約生活在3世紀下半葉至4世紀初，年輕時任孫吳太史令，曾作《渾天論》，其觀點與王蕃大致相同。晉滅吳後，他由吳都建鄴（今南京）到洛陽，任晉太史令，後因年邁離職。316年西晉亡，陳卓重返江東，次年在東晉都城建康（今南京）復為太史令。據《晉書·天文志》載，「武帝時，太史令陳卓總甘、石、巫咸三家所著星圖，大凡二百八十三官，一千四百六十四星，以為定紀」。陳卓把當時主要的三家星匯集在一起，並同存異，編成283官、1464顆星的星表，並繪製出總括三家星官的全天星圖，還寫了占贊文字。陳卓的成果對後世有很大影響，他所總結的全天星官名數一直是後世製作星圖、渾象的依據，在我國歷史上沿用了一千多年。我們現在見到的星圖和星表，如著名的敦煌星圖、蘇州石刻天文圖、常熟石刻天文圖等，其所收星官數都未超過陳卓星圖，直到明末西方星圖和星表知識傳入後才有所突破。另據記載，劉宋元嘉年間太史令錢樂之兩次鑄造渾象，將全天恆星標在渾象上，他所用的就是陳卓所定283官1464星，並用朱、白、黑和黃、白、黑三種不同的顏色來區分三家星。陳卓也是一位大星占家，不僅為星圖加注占讚詞語，而且撰有《天官星占》10卷、《萬氏星經》7卷等星占著作。陳卓的星表、星圖和著作均已失傳，但仍有不少材料為他人所引用，如《開元占經》中收有許多陳卓占語，在敦煌寫本中還發現一首反映他的星官體系的《玄象詩》。寫有《玄象詩》的敦煌卷子現存法國國家圖書館，編號分別為P2512和P3589號，P2512抄於唐武德四年（621），P3589卷末有「太史令陳卓撰」，可知此詩系陳卓所寫。這首詩分別按石氏、甘氏和巫咸氏三段吟誦三家星，最後一段專寫紫微垣。《玄象詩》是研究魏晉時期星官體系的重要資料。唐代學者王希明《丹元子步天歌》也介紹了陳卓所總結的星官體系。 第二節天文儀器的研製和革新 據今所知，三國時期，蜀、魏都沒有製作天文儀器的記錄，而孫吳則在製作儀象方面很有成就，如王蕃依據張衡舊制製成一台小型渾象，葛衡也製造一台渾象，其特點為「使地居於中，以機動之，天轉而地止，以上應晷度」①。天文學家陸績還製造了一台卵形渾象。 西晉末年，中原匈奴族政權前趙製成測量用渾儀。此儀由史官丞南陽孔挺設計製作，成於劉曜光初六年（323）。這台儀器是很重要的，因為對於在此以前使用過的渾儀，僅有片言隻語的記載，而孔挺渾儀則是第一台留下詳細資料的儀器，通過它可以進一步了解漢代渾儀的基本結構。據《隋書·天文志》所載，孔挺渾儀系銅製、由內外兩重組成，外重由三個相交的大圓環構成渾儀的骨架，並由四柱支撐著外重骨架；內重是用軸固定在骨架上的可轉動的雙環，雙環直徑八尺，雙環之間夾置一具可以俯仰的望筒①，也長八尺。由於年重的轉動軸一為天北極，另一為天南極，所以這架儀器可以方便地測量天體的赤道坐標。在孔挺以前時間最近的同類儀器當屬東漢永元十五年（103）左中郎將賈逵的黃道銅議，由於該儀加有黃道，所以必為三重結構，比較繁雜，且不易使用②。孔挺顯然注意到這個問題，於是將自己的儀器改為兩重結構，去掉了黃道環。 東晉義熙十四年（418），宋高祖劉裕於咸陽之戰後，得到孔挺所制渾儀，並在稱帝後，將其運至首都建康（今南京）。劉宋元嘉年間，社會穩定，經濟發展，頗好歷數的宋太祖劉義隆認為這台渾儀雖然很好，但在儀器上著不到日月五星和恆星星象③，是個缺欠，因而詔令太史令錢樂之製作新儀。錢樂之於元嘉十三年（436）鑄成有別於渾儀的渾象。他的新渾象繼承和發展了東吳的渾象製作技術，特別是受到葛衡儀器的影響，其結構與張衡的儀器有所不同。新渾象將地平置於球內，地平面將大圓球一分為二，半覆地上，半沒地下。在球上綴以星象，在黃道上布以日月五星①，以水力推動，昏明中星與天相應。為了與地平放在球外的渾象區別，按宋代蘇頌等人的稱呼可稱之為渾天象②。元嘉十七年（440），錢樂之又製成一台小型的渾天象，直徑只有二尺二寸，便於搬動，使用起來更加方便。渾天象與渾象功能相同，本質上是一回事，但由於結構變化，工藝要求更高一些。球內地平表示人居住的大地，如果要在球外能看到球內的大地和大地上的裝飾，這就要求球必須有相當的透明度。其具體製作方法，現在已難於查考，可能在鑄好的骨架上蒙上細銅絲編成的銅網，做成透明網球；也可能蒙上紡成的細紗，再綴以星體。總之製作難度較大，這也反映了當時工藝水平的提高。 渾天象在當時發揮了很好的作用，因為天包著地，所以它比渾象更形象①見《隋書·天文志》。 ①《隋書·天文志》：「其雙軸之間，則置衡長八尺，通中有孔，圓徑一寸，..衡既隨天象東西轉運，又自於雙軸得南北低仰。..其儀至梁尚存，華林重雲殿前所置銅儀是也。」②《後漢書·律曆志》：「黃道與度數轉運，難以候，是以少循其事。」③《宋書·天文志》：「高祖平長安，得衡舊器，儀狀雖舉，不綴經星七曜。」①《宋書·天文志》：「詔樂之更鑄渾儀..地在天內..規二十八宿..置日月五星於黃道之上，以水轉儀。」 ②見蘇頌《進儀象狀》。 地演示出渾天說的精髓，更符合渾天說者的原話。據《隋書·天文志》載，劉宋天文學家何承天論渾天象體就說過「詳尋前說，因觀渾儀，研求其意，有悟天形正圓，而水居其半，地中高外卑，水周其下」。何承天觀察了儀器演示後對天體渾圓，有了新的領悟，但他仍相信蓋天說的觀點，把地說成中間高四周低的弧面。渾天象實際上並不是單純的演示儀器，它也是研究日月五星運動規律的有力工具。根據實際觀測得到的七曜相對於周圍恆星的位置，可以較準確地將其分別安置在黃道的不同部位，然後通過不斷觀測，可以了解它們相對於恆星的運動規律，從而測算出行星的會合周期。錢樂之的儀器還有一個十分突出的特點。據《宋書·天文志》說，那台小渾天象「安二十八宿中外官，以白黑珠及黃三色為三家星」；而大渾天象，則用朱、白、黑三種顏色分別表示甘、石、巫咸三家星。顯然，他將陳卓的星官體系固化到了儀器上，儘管後來陳卓的圖錄失佚，但錢樂之的儀器卻歷經宋、齊、梁、陳、隋五個朝代，為陳卓星官體系的保存和傳播，起了重要的作用。劉宋以後梁代也製作過渾象，《隋書·天文志》載「梁秘府有，以木為之。其圓如丸，其大數圍。南北兩頭有軸，遍體布二十八宿、三家星、黃赤二道及天漢等。別為橫規環，以匡其外。」這是一台大型渾象。在大木球外匡以地平圓環，所以它與錢樂之的渾天象地平在內結構不同。這一變化也在一定程度上反映了人們天文知識的進步。 在南朝熱衷於製造各種渾象的時候，與南朝對峙的北魏卻對製造渾儀極為熱心。北魏天興初年（398）太祖拓跋珪命太史令晁崇製作渾儀。儀器完成後晁崇升遷為中書侍郎令，可惜後來又為拓跋珪所殺害。永興四年（412）明元帝拓跋嗣又詔造太史候部鐵儀，由鮮卑族天文學家都匠斛蘭鑄成鐵渾儀，這是我國歷史上唯一的一台欽制渾儀。《隋書·天文志》說它分內外兩重，「用合八尺之管，以窺星度」。永興鐵渾儀的基本結構與前趙孔挺渾儀大致相同，但又有新創造。如在底座上鑄有十字形水槽，以便注水校準水平，這是在儀器設備上利用水準器的開端。後魏鐵制渾儀是一台質量很高的儀器，北魏滅亡後，歷經北齊、後周、隋、唐幾個朝代一直使用了二百多年，直到唐睿宗景雲二年（711），天文學家瞿曇悉達還奉敕修葺此儀，可見其使用壽命之長。 除渾儀和渾象的研究和改進外，公元5世紀北魏道士李蘭還發明了秤漏，在改革計時裝置方面作出了新的貢獻。秤漏的原理是用渴烏（虹吸管）將漏壺中的水引入權器，然後稱量水的重量以確定時間，「漏水一升，秤重一斤，時經一刻」①。秤漏簡易、靈敏，可測量很短的時間間隔，並且可隨時開始和結束，測量任意的時間區間，因此在隋唐時曾風行一時。 ①見《初學記》。 第三節歲差的發現 冬至時刻太陽在黃道上的位置叫冬至點。我國早在戰國時期，曆法家們就把冬至點確定在牽牛初度②，意思是冬至點離牛宿距星的赤道宿度不到一度（古1°相當於今0.986°）。公元前104年制定太初曆時，認為元封七年十一月甲子朔旦冬至「日月在建星」。《漢書·律曆志》記載劉歆《三統曆》認為經過一元後，日月五星「進退於牽牛前四度五分」。這說明漢代的實測證明冬至已經不在牽牛初度，而是在牛宿以西靠近斗宿的建六星附近。對於這一觀察事實，思想保守的劉歆並沒有在計算中使用，三統曆中日月起算點仍採用牽牛初度。東漢賈逵測出冬至點既不在牽牛初度，也不在建星，而是在斗二十一度③，明確肯定了冬至點的改變。但他只是想到冬至點位置應予改正，而沒有深究其中的規律。東晉天文學家虞喜（281—356），字仲寧，會稽餘姚（今浙江餘姚）人，「博聞強識，鑽堅研微，有弗及之勤」，畢生專門從事學術研究。虞喜是一位相信天體運動遵從某種規律的天文學家。他注意到冬至點的改變，並且想到僅僅改正冬至點的位置，不能徹底解決問題。在中國上古時代，天文學家利用夜半、黃昏或拂曉時處於正南方的恆星來推算太陽在恆星間的位置，這就是歷史上的昏旦中星方法。虞喜考察了歷史上的觀測記錄並發現，唐堯時冬至日黃昏是昴星在正南方①，而他那個時代（約公元330年），卻移到了壁宿。兩宿之間相距很遠，不可能用觀測誤差來解釋，因此，他領悟到經過一個回歸年之後，太陽並未在天上走一周天而回到原處，應該「每歲漸差」。所以他提出「天自為天，歲自為歲」的新概念。由此他估算從堯到東晉已歷2700多年，從昴到壁有53度，並得出結論，天周與歲終歲歲微差，每50年會差一度，名為歲差。歲差現象是這一歷史時期最重要的天文新發現之一，它使太陽在黃道上運行一周的恆星年和四季變化的周期——回歸年（即太陽在黃道上從冬至點運行至下一個冬至點的時間間隔）這兩個概念區分開來，對於曆法推算和恆星位置的測定都有重大的作用。 ②例如戰國時期使用的一種曆法《顓頊曆》，定立春時刻太陽在營室五度。按古度太陽每日移動一度，立春前四十五日是冬至，可知立春太陽距冬至點45°，又根據阜陽出土式盤可知古度營室與牽牛宿度相差50°，可見太陽距牽牛初度為50°-5°=45°，即冬至太陽在牽牛初度。 ③《後漢書·律曆志》：「於赤道，斗二十一度也」。 ①《尚書·堯典》：「日短星昴，以正仲冬」。 第四節太陽和五星視運動不均勻性的發現 太陽運動不均勻性的發現是繼歲差之後這一歷史時期又一最重要的天文發現。這一發現是公元6世紀天文觀測家張子信作出的。張子信，生卒年不詳，生活於北魏、北齊時代，清河（今河北清河）人。據《隋書·天文志》記載，他「學藝博通，尤精術數，因避葛榮亂，隱於海島中」。在海島上堅持了三十多年的觀測，「專以渾儀測候日月五星差變之數」，從而發現「日行在春分後則遲，秋分後則速」，即太陽視運動的不均勻現象。張子信使用的儀器是渾象還是渾儀，史無明確記載。根據當時北方長於造渾儀，南方長於造渾象的情況判斷，使用測量用渾儀的可能性較大。由於擁有實用的儀器，並進行了長期的觀測，他的研究課題、手段和成果都處在當時一流的水平上。漢代天文學家發現月行有遲疾，劉洪還把關於月亮運動的不均勻性引入《乾象曆》。由於月亮移動快，又有背景恆星作參照，相對來說這項研究比較容易，而太陽一天只移動大約一度，又無恆星直接參照，觀測遠為困難，所以張子信的研究工作，其難度要大得多。月行遲疾的發現導致定朔法的提出，太陽運動不均勻性的發現，導致定氣法的提出，這對曆法改革，特別是對日月合朔的計算和日月交食的預報是十分重要的。此外，張子信還發現了五星運動的不均勻性和視差對交食的影響。他的三大發現在曆法史上都有重大的意義，並很快被具體應用到劉孝孫歷、皇極曆、大業歷等曆法中去。 第五節曆法的進步 三國時蜀漢一直沿用後漢《四分曆》，吳用《乾象曆》，曹魏於景初元年（237）頒用《景初歷》。晉改《景初歷》為《泰始歷》繼續使用，後秦使用姜岌《三紀曆》，北涼用趙■《元始歷》。南朝劉宋於元嘉二十二年（445）頒用何承天《元嘉歷》，南齊《建元歷》實為《元嘉歷》。梁天監九年（510）改用祖沖之《大明曆》，陳繼續使用到南朝亡。北魏自頒的曆法有李業興為主編制的《正光歷》，東魏時用過李業興新編《興和歷》，北齊頒用《天保歷》，北周頒用過《天和歷》和《大象歷》。 在以上提到的曆法中，劉洪的《乾象曆》以引進月行遲疾為其創新，在計算日月交食時，用月亮的實際運動位置代替平均位置；楊偉的《景初歷》也論述了月離運動不均勻，提出了求日食食限的方法；趙■的《元始歷》改變了一直使用的十九年七閏法，提出章歲600年設置221個閏月的新閏周，但其中最好的曆法當數《元嘉歷》和《大明曆》。 何承天（370—447），東海郯（今山東郯城）人，曾任劉宋衡陽內史、著作左郎、太子率更令領國子博士、御史中丞等。少時曾隨舅父徐廣學習天文歷算。徐廣堅持對日月五星的觀測長達40年，他去世後，何承天又堅持觀測40年，積前後80年的實測資料而編《元嘉歷》，可見該歷有較好的觀測基礎。《元嘉歷》的改革和成就主要有以下幾個方面：利用日月食確定日度，這個方法是後秦姜岌發明的，何承天加以應用和推廣，成為後世曆法普遍採用的方法；根據實測中星和歷史資料，推得歲差每百年差一度，改進了虞喜的歲差值，元嘉歷採用回歸年長度為365.2467日，優於漢代以來頒用過的各種曆法；特別是何承天創用定朔算法，使朔望與月球實際位置相符，是中國曆法史上的一大進步；據記載，何承天還創立了調日法的算法，在數學史上和曆法計算上都有重要的意義。 祖沖之《大明曆》的主要成就是：肯定「冬至所在，歲歲微差」，是第一部將歲差引入曆法的創新曆法，並為後世歷家所遵循。祖沖之經實測定出當時冬至點已移到斗十五度，，經與後秦姜岌的觀測值比較，發現不到百年冬至點已移動了二度，因而定歲差為45年11月差一度。他也認為十九年七閏不夠精密，應該採用新閏周。他提出的新閏周是391年144閏，根據這一閏周推算出的交點月長為27.21223日，與今測值27.21222日只差十萬分之一日；推算出的近點月為27.554688日，與今測值27.554550日相差不到十萬分之十四日。大明曆定回歸年長為365.2428日，與今測值只差萬之六日，朔望月長為29.53059日。《大明曆》採用的其他一些數據也都是當時最好的數據。祖沖之於大明六年（462）上書劉宋政府獻上《大明曆》，但因遭到寵臣戴法興的反對而未能頒行。他逝世後，他的兒子祖暅又於梁天監三年（504）和天監八年、九年三次上書，要求採用《大明曆》。經實測檢驗新曆為密，這部當時最好的曆法終於在天監九年（510）正式頒用，實現了祖沖之的遺願。，所以有「天周歲終」的說法。虞喜發現冬至點每歲都西移一小段距離，則太陽在黃道上經過一年到達下一個冬至點，需要再運行一小段距離才能回到原出發點，於是一周天就不等於一歲了。 第六節宇宙論 有關天地結構的討論 在南北朝時代也是相當活躍的。漢代之前基本上有三家，就是蓋天說、渾天說和宣夜說。南北朝時期又提出三種看法：「昕天論」、「穹天論」和「安天論」。前二種在歷史上影響不大，值得一提的是「安天論」。它的作者就是發現歲差的虞喜。「安天論」的提出是有針對性的，因為當時社會上對宣夜說提出的觀點難以接受，產生了一些誤解，其中最突出的就是杞人憂天的故事。 東晉張湛為之作注的《列子·天瑞》篇載，有一位杞國人聽到宣夜說認為日月星辰自然浮生虛空之中，就害怕天會掉下來，而地也會崩壞，於是，終日寢食不安，身無所寄。懂事的人解釋說，日月星辰是積氣所致，不會掉下來，即使掉下來也不會造成什麼傷害；地是積塊而成，到處都塞滿了，人們僅僅在地上行走，怎麼也踩不壞的。這則故事也反映出當時人們對天地的一種看法。虞喜的「安天論」發展了宣夜說的宇宙無限思想，認為天高沒有邊際，地深無法勘測，天在上有安定的形態，地在下有靜止的實體，天地彼此覆蓋，形象相似，天圓地方的說法是不對的。日月星辰各自運行，有它們自己的規律，就象江海有潮汐，萬物有行止一樣（見《晉書·天文志》）。除了上述看法，還有一派可稱作「渾蓋合一」派。北齊的信都芳和南朝梁代的崔靈恩都屬這一派，他們認為渾天和蓋天是一致的，只是一個仰觀，一個俯觀，觀測角度不同而已。渾天說和蓋天說是人們對天地結構的不同階段或不同角度的認識，各有其優點和局限性。各種學說可以取長補短，互相補充，以取得對自然現象的深入認識。但是，採取掩飾矛盾的作法甚至遷就錯誤的觀點，將兩種對立的看法。勉強地合而為一，則是不正確的。