第2章 中国古代科技史(1)
天文历法
《五星占》
《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
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著作《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。
水运浑象水运仪象台
水运浑象是世界上最早的自动天文仪器。汉代著名的天文学家张衡（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“瑞轮冥荚”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。
张衡首创的这一水运浑象，是现代天象仪的前身，这是古代天文仪器的重要创造。是后世进一步发展的机械天文钟的先声，欧洲到12世纪才有机械性计时器。水运浑象是有明确记载的世界上第一架用水力推动运转的天文仪器。
水运仪象台是北宋时代把浑仪、浑象（天球仪）和报时装置结合在一起的大型天文仪器。公元1086~1092年由苏颂、韩公廉等人创制。
水运仪象台台高约12米，宽约7米，呈上窄下宽的正方形木建筑。全台分为3层，最上层放置浑仪和圭表，用来观测天象；中层放置浑象，用以演示天象；最下一层放置报时仪器和全台的动力机构等。
报时装置在台南部，有5层木阁，可以通过摇铃、打钟、敲鼓、击钲或出现木人等声像形式，报告时、刻、更、筹的推移。下层后部是动力装置，有一个直径3米多的巨大枢轮。上面装有36个水斗，枢轮边上有一个漏水相当快的漏壶，壶水流入水斗，斗满后，枢轮即往下转，在枢轮顶部有一个擒纵装置，它控制枢轮只能转过一个水斗。枢轮转动后，带动一根贯通上、中、下3隔的转动轴，并通过齿轮装置带动浑仪跟踪天体，带动天球仪按24小时一周转动，带动报时装置准确报时。
5层木阁里的木人能够表演出这些精彩、准确的报时动作，是靠一套复杂的机械装置“昼夜轮机”带动的。而整个机械轮系的运转依靠水的恒定流量，推动水轮做间歇运动，带动仪器转动，因而命名为“水运仪象台”。
水运仪象台是11世纪末我国杰出的天文仪器，也是世界上最古老的天文钟。国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价，认为水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动的屋顶，这是今天天文台活动圆顶的先声；浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪器械——转仪钟的雏形；水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件，因此它又是钟表擒纵机构的鼻祖。
我国古观象台
洛阳灵台是东汉光武帝于中元元年（56年）在洛阳南郊（今河南偃师）建造的。
夏代的天文台称为清台，商代的天文台称神台，而周代则改称为灵台。洛阳灵台占地44000平方米，东西各有墙垣，墙垣内的中心建筑是一座方形高台，即灵台，台高约20米，台基约50米见方。台的四周有上下平台两层，平台间有坡道相连接，两层平台内各建有10余间房间。灵台顶部是观测天象的场所，四周的建筑则是观测人员处理观测资料的办公室。该灵台规模庞大，项目齐全，为我国汉代天文学的发展做出了宝贵贡献。著名天文学家张衡直接领导过灵台的观测工作，设计并制造了浑天仪和候风地动仪，并写出了《浑天仪图注》和《灵宪》等不朽的天文学著作。
据史料记载，洛阳灵台在曹魏和两晋时期还一直沿用，到北魏时才被废弃不用。1974年冬季至1975年春，中国有关部门发掘时，发现了这个宝贵的天文古迹。
登封观星台是中国现存最古老的天文台，也是世界上现存最早的观测天象的天文科学建筑物之一。观星台始建于元代至元十三年（1276年），距今已有700余年历史，登封古观星台坐落在洛阳东80多公里远的登封县告成镇。
观星台由台身与石圭、表槽组成。砖石结构的观星台由台身和石圭两部分组成。台身上小下大，形似覆斗。台面呈方形，用水磨砖砌造。耸立着的高台和台下的一条长堤恰好组成一具特殊的圭表。高台即为立表，高9.46米；长堤相当于土圭，称为量天尺，长31.19米，位于正南北向。
在中国乃至世界现存所有的天文建筑中，在登封观星台进行观星、测影等天文活动的时问最长。从公元前1060年的西周初年。周公姬旦在这里“以土圭之法，测土深，正日影，求得地中”开始，一直到元代末年，时间长达2400多年。
作为中国现存最早的天文建筑，登封观星台是古代天文文物的典型代表，其经历朝代之多，年代之久，在中国乃至世界天文科技发展史上都是极其罕见的。观星台在编制历法方面做出了重要贡献，对后代天文、历法学的发展产生了极其深远的影响。观星台在中国乃至世界天文科技发展史上具有承上启下的重大作用。
北京古观象台，是世界上古老的天文台之一，位干北京市建国门立交桥西南角，始建于明朝正统年间（约1442年）。它以建筑完整、仪器精美、历史悠久和在东西方文化交流中的独特地位而闻名于世。
北京古观象台在明朝时被称为“观星台”，台上陈设有简仪、浑仪和浑象等大型天文仪器，台下陈设有圭表和漏壶。清代时观星台改称“观象台”，辛亥革命后改为“中央观星台”。清代康熙和乾隆年间，天文台上先后增设了8件铜制的大型天文仪器，均采用欧洲天文学度量制和仪器结构。
从明朝正统年间起，到1929年止，北京古观象台连续从事天文观测达500年，在世界上现存的古观象台中，保持着连续观测最久的历史记录，而且，它还以建筑完整和仪器配套齐全而在国际上久负盛名。清代制造的8件大型铜制天文仪器体形巨大，造型美观，雕刻精湛，除了造型、花饰、工艺等方面具有中国的传统特色外，在刻度、游表和结构方面还反映了西欧文艺复兴以后大型天文仪器的进展和成就，成为东西方文化交流的历史见证。这8件铜制天文仪器不仅是实用的天文观测工具，还是珍贵的历史文物。
圭表
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
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
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。
日食是人们最为关注的异常天象。夏代，我国已经很重视天象的观察，“观象授时”成为一种国政。据《尚书·夏书》记载，夏代仲康时期，负责观测天象的官员羲和失职，没能及时预告日食，以致当这次日食现象出现时，人们不知发生了什么怪异的事变，惊慌失措，乱成一团。这次日食约发生在公元前2137年10月22日，是天文学家公认的世界上最早的日食记载。
彗星是绕太阳运行的云雾状的小天体，有很长的尾巴，俗称扫帚星。中国古代还有孛里、妖星等几十种称谓。西汉的马王堆彗星图说明，2000多年前中国已有了认真的观测记录。约公元前700年，中国甲骨文（河南安阳出土）上已有彗星观察的记载。在周期彗星中有颗很明亮的慧星，叫“哈雷彗星”，每75年就出现一次，因17世纪英国天文学家哈雷发现它的运行轨道而得名。实际在我国早就发现了这颗星。据《春秋》一书记载，“鲁文公十四年秋七月，有星孛人于北斗”。鲁文公十四年是公元前613年。距今已有2600年，这是世界上关于哈雷彗星的最早记录。西方对这颗彗星的记录最早是公元66年，比我国要晚670余年。
流星群是一群小行星的散体，它沿一定轨道绕太阳转动。当地球接近它们的轨道时，地球四周的空气对这些散体产生摩擦，致使其生热发光，在地面上看起来就是流星群（又叫流星雨）。《竹书纪年》中载有夏桀十年（约前1580年）“夜中星陨如雨”，这是世界上最早的关于流星雨的记载。据《春秋·庄公七年》记载：“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，距今已有2600多年。这是世界上关于天琴座流星雨的最早记录，而且它还开启了中国古代对流星雨观测与记录的先河。
太阳黑子是太阳光球上经常出没的暗黑斑点，是最先观测到的日面现象之一，是太阳活动的最基本标志。《汉书·五行志下之下》记载，西汉“河平元年（前28年），三月己未，日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”。它对黑子出现的时间、形状、大小、位置都做了说明，距今已有2000余年。这次太阳黑子的记录，是世界公认的最早的明确的太阳黑子记录。欧洲最早的太阳黑子记录是公元807年，当时还误认为是水星凌日。