1.3 中国古代天文学

1.3.1 中国古代天文学的基本知识

简 史

（1）天文机构和人员

☆在我国古代，天文观测、历法编制等天文活动由专门的机构负责运作。这种专门的天文机构是中央政府的一个部门。在隋代之前叫做太史令、太史局或是太史监。唐代的皇家天文机构名称变动较多，前后分别叫过太史局、浑天监、浑仪监、太史监、司天台等。宋元之际称为司天监、司天台或天文院。明清两代基本叫做钦天监。

☆历代天文机构的规模没有定数。唐朝武则天时浑天监的规模最大，达824人；元代司天监116人，回回司天监33人，太史院110人，共259人；明代钦天监定员41人，后又裁减多人，最少时23人；清代钦天监154人。

☆天文机构工作人员进行观天的地方，在古代通常叫做灵台或观象台。

（2）天象的观测和记录

☆中国古代史籍中存有的天象记录，从类型上大致可分为日食、月食、掩星等特殊天象；与行星有关的天象；彗星、新星、流星及太阳黑子等异常天象。

☆中国保存有世界上最为完整的日食记录，根据《中国古代天象记录总集》的整理，从甲骨卜辞里的日食记录开始，中国古代史籍中关于日食的记录包括1600多条，这是中国古代天文学遗产的重要组成部分。

☆《中国古代天象记录总集》载有中国古代文献中的月食记录1100多条。

☆《中国古代天象记录总集》收录了古代月掩行星记录共200多次。

☆据《中国古代天象记录总集》统计，中国古代文献中有新星记录100余次、流星记录4900余次、流星雨记录400余次、太阳黑子记录270余次。

（3）天文仪器的研制

☆中国古代的天文仪器主要包括圭表、漏刻、仪象三大类。

☆圭表由表和圭两部分组成，表是一种竖立于地面的柱体，最简单的表可以是一根木棍；圭比表稍晚才出现，它是一把标有刻度的长尺，正南北方向水平放置，一端与表在地面的一头连接。表用以投射日影，圭用以测量日影的长度。

☆元朝郭守敬为修《授时历》，首次打破了表高八尺的定制，建造了四丈高表，并创造景符、窥几等专用测影附件，使测影精度大大提高。

☆日晷利用表的投影在平面上的方向变化以测定时间。

☆在历代天文文献中漏刻均被当做天文仪器。漏刻由漏和刻两部分组成，漏指漏壶，刻是标有时间刻度的标尺，通常是一支竹箭。漏刻主要根据漏壶中的水量变化来确定时间。

☆仪象分为浑仪和浑象两类，是中国古代浑天家测候和演示天象的基本仪器。

☆东汉张衡著有《浑天仪注》。

☆元代郭守敬针对浑仪结构的缺陷做了一次革命性的改进，他将浑仪分解成两个独立的仪器，安装于同一个底座上，合称间仪。间仪的结构比浑仪更加先进合理，铸造更简单，用于测天也更方便易行。

☆浑象是古代浑天家用以演示天球周日运动的仪器，类似于现代的天球仪，其基本结构是一个圆球，在球面上标有星辰及黄道、赤道等圈线。

（4）天文典籍的编制

☆中国古代最系统、最完整、记载资料最丰富的天文典籍当首推历代官史中的《天文志》、《律历志》、《五行志》等。

☆《天文志》的内容通常包括该朝天文大事记、天文仪器的建造情况、天象记录以及天象对应的星占占辞和事验等，《天文志》是古代天象记录的主要来源。

☆《律历志》的内容通常先叙述该朝与制定历法有关的大事，然后给出该朝主要历法的推算原理和基本数据，这些原理和数据是后人研究古代历法重要而且几乎是唯一的史料来源。

☆《五行志》专述该朝灾异、祥瑞情况，为各地灾异、祥瑞报告的汇总。

人物小史与趣事

郭守敬

郭守敬，字若思，汉族，邢州龙岗（今河北省邢台）人，元朝著名的天文学家、数学家、水利专家及仪器制造专家。郭守敬曾担任都水监，负责修治元大都至通州的运河。1276年郭守敬修订新历法，经过4年时间制订出《授时历》，通行360多年，是当时世界上最为先进的一种历法。1981年，为纪念郭守敬诞辰750周年，国际天文学会以他的名字为月球上的一座环形山命名。郭守敬编撰的天文历法著作包括《推步》、《立成》、《历议拟稿》、《仪象法式》、《上中下三历注式》和《修历源流》等14种，共105卷。郭守敬为修历而设计和监制的新仪器包括：简仪、高表、候极仪、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪以及星晷定时仪等。

☆巧制天文仪

1276年，元军攻下了南宋的首都临安，元世祖迁都大都，决定改订旧历，颁行元朝自己的历法。于是，元政府下令在新的京城里组织历局，调动了全国各地的天文学者，另修新历。这件工作名义上以张文谦为首，但实际负责历局事务和具体编算工作的是精通天文、数学的王恂。当时，王恂便想到了老同学郭守敬。郭守敬就是由王恂的推荐，参加修历，奉命制造仪器，进行实际观测。郭守敬首先检查了大都城里天文台的仪器装备。这些仪器均是金朝的遗物。其中浑仪还是北宋时代的，是当年金兵攻破北宋的京城汴京（今河南开封）之后，从那里搬运到燕京来的。当初大概搬来了3架浑仪。因为汴京的纬度和燕京相差约4度多，无法直接使用。金朝的天文官曾经改装了其中的一架。这架改装的仪器在元初也已经毁坏了。郭守敬就将余下的另一架加以改造，暂时使用。另外，天文台所用的圭表也因年深日久而变得歪斜不正。郭守敬立即着手修理，将其扶置到准确的位置。这些仪器终究是太古老了，虽经修整，但在天文观测日益精确的要求下，仍然显得不相适应。郭守敬不得不创制一套更精密的仪器，为改历工作奠定坚实的技术基础。

古代的历法制定工作中所要求的天文观测主要分为两类：一类是测定二十四节气，特别是冬至和夏至的确切时刻，用的仪器是圭表；另一类是测定天体在天球上的位置，应用的主要工具是浑仪。圭表这种仪器看起来简单，用起来却复杂，这会有很多问题。首先是表影边缘并不清晰。阴影越靠近边缘越淡，到底什么地方才是影子的尽头，这条界线很难划分清楚。影子的边界不清，影长就量不准确。使用圭表时的第二个难题就是测量影长的技术不够精密。古代量长度的尺通常只能量到分，往下可以估计到厘，即十分之一分。按照千年来的传统方法，测定冬至时表影的长，若量错一分，就足以使按照比例推算出来的冬至时刻有一个或半个时辰的出入。这是很大的误差。还有，旧圭表只能观测日影，星、月的光弱，却无法观测星影和月影。怎么办呢？郭守敬首先分析了造成误差的原因，然后针对各个原因，找出克服困难的办法。

首先，他将圭表的表竿加高到5倍，因此观测时的表影也加长到5倍。表影加长了，按照比例推算各个节气时刻的误差就可以大大减少。

其次，他创造了一个叫做“景符”的仪器，使照在圭表上的日光通过一个小孔，再射到圭面，阴影的边缘就很清楚了，可量取准确的影长。

再次，他还创造了一个叫做“窥几”的仪器，使圭表在星和月的光照下也可进行观测。

另外，他还改进了量取长度的技术，使原来只能够直接量到“分”位的提高到能够直接量到“厘”位，原来只能够估计到“厘”位的提高到能够估计到“毫”位。

郭守敬的圭表改进工作大概完成于1277年夏天。这年冬天已经开始用它来测日影。由于急需观测，最初的高表柱是木制的，后来才改用金属铸成。可惜这座表早已毁坏，我们已经无法看到了。

圭表的改进只是郭守敬开始天文工作的第一步，之后他还有更多的创造发明。郭守敬改进浑仪的主要想法是简化结构。他准备将这些重重套装的圆环省去一些，以免互相掩蔽，阻碍观测。那时候，数学中已发明了球面三角法的计算，有些星体运行位置的度数可从数学计算求得，不必要在这浑仪中装上圆环进行直接观测。这样，就使得郭守敬在浑仪中省去一些圆环的想法有了实现的可能。郭守敬只保留了浑仪中最主要最必需的两个圆环系统，并且将其中的一组圆环系统分出来，改成另一个独立的仪器，将其他系统的圆环完全取消。这样就根本改变了浑仪的结构。再将原来罩在外面作为固定支架用的那些圆环全都撤除，用一对弯拱形的柱子和另外四条柱子承托着留在这个仪器上的一套主要圆环系统。这样，圆环就四面凌空了。这种结构比起原来的浑仪又实用、又简单，因此取名“简仪”。简仪的这种结构，同现代称为“天图式望远镜”的构造基本上是一致的。

郭守敬利用这架简仪做了许多精密的观测，其中的两项观测对新历的编算具有重大的意义：一项是黄道和赤道的交角的测定；另一项是二十八宿距度的测定。

1.3.2 中国古代历法

简 史

（1）两汉魏晋南北朝历法

☆《太初历》是古籍中有明文记载的第一部历法，但没有留下完整的术文。

☆西汉末刘歆作《三统历》，班固称其为“推法密要”，后世何承天等则对《三统历》评价很低。

☆现在基本认为《三统历》是刘歆发展《太初历》的结果。

☆元和二年（公元85年）施行《后汉四分历》。围绕《后汉四分历》产生了许多争议，在争议的过程中，取得了两项明确的进步：明确了日月循黄道而行；确认了月行有迟疾（有快有慢），“一月移故所疾处三度”（《续汉书·律历志》）。

☆在对《后汉四分历》的修改过程中孕育出了刘洪的《乾象历》。

☆曹魏时期的《景初历》和晋代的《泰始历》均是在《乾象历》基础上修改而成。

☆南朝历法主要包括何承天的《元嘉历》和祖冲之的《大明历》。

☆后秦姜岌提出了用月蚀冲法定日所在。

☆北凉赵欧首先打破了19年7闰的传统闰周，提出了一个600年221闰的新闰周。

☆北齐张子信首次提出了太阳和行星的周年视运动不均匀性，为隋唐历法精度的提高奠定了基础。

（2）隋唐两宋历法

☆隋高祖杨坚称帝后，采用谀臣张宾所进的《开皇历》。《开皇历》增损何承天《元嘉历》而成，无所发明。

☆刘焯的《皇极历》根据北齐张子信发现的太阳周年视运动和行星运动不均匀性，引进定气（一种确定节气的制度）；采用定朔、岁差；运用先进的数学手段解决计算问题。

☆唐初行用傅仁均的《戊寅历》，后来李淳风的《麟德历》取而代之。这两部历法成就大都不超过《皇极历》的水平。

☆僧一行的《大衍历》在对天体运动的理解、实测、计算技巧方面均有重大革新，使得《大衍历》成为中国古代历法史上冠绝一时的好历。

（3）元明历法

☆元代郭守敬等人编制的《授时历》是中国历法史上的又一座高峰。《授时历》的编制全部依照实测数据，打破了古来治历的旧习，开创了后世新法之源。

☆明代行用一部《大统历》。《大统历》实际上就是《授时历》，只是稍作改编而已。

（4）清代历法

☆1644年清兵入关，汤若望删改《崇祯历书》作成《西洋新法历书》103卷献给清廷。清政府将其颁行，称为《时宪历》。

☆《时宪历》依据的是第谷的地心体系和他测定的数据，在当时堪称精密。《时宪历》首次以定气注历。

☆乾隆七年（1742年）重修《时宪历》时，改用地心系的椭圆运动定律和面积定律，并考虑了视差及大气折射的影响。

导 图

人物小史与趣事

僧一行

僧一行（673—727），本名张遂，汉族，唐朝魏州昌乐人（今河南省南乐县）人，唐代的杰出天文学家，在世界上首次推算出子午线纬度一度之长，编制了《大衍历》。僧一行是佛教密宗的领袖，著有密宗权威著作《大日经疏》。他是唐朝功臣张公瑾之曾孙。

☆一行与茶庵寺

一行高僧的学识与为人均被人所敬仰。明朝万历年间，在当地一位名叫陈吾德的进士倡议下，乡人合力捐资，建造了一座砖瓦结构的寺庙作为永久纪念，此寺庙以一行禅师所结的茅庐“茶庵”为名。自此，“茶庵寺”的名字便流传至今。

茶庵寺自从明朝建成之后，先后经过多次重修。现在人们看到的是清代光绪年间大规模修葺之后保留下来的风貌，保存相当完好。寺庙依山而建，掩映在古树丛中，清静幽雅，颇具庭园景致。此寺为两进院落式，占地面积234平方米，结构为单檐布瓦琉璃剪边，硬山顶，山墙搁檩。在寺院左侧，有一座与真人一样大小的僧一行禅师全身立像，身着白色长袍，好似正在仰头观察星空，思索宇宙的奥秘。

☆“无叶井”为一行开凿

茶庵公园有一口水井，相传是一行禅师开凿的，距今已经有1000多年的历史了。井的旁边立有一块石碑，上面刻着“龙溪第一泉”的字样。井的直径有一尺，深两米左右，泉水清澈甘美，用以泡茶，甘醇可口，别具香味。这口井为什么叫做“无叶井”呢﹖这缘于井的周围种了许多古树，其中一棵乌桕树，树荫如盖，每当金秋时节，红叶飘零，却没有一片枯叶能够掉到井里，很是奇怪，“无叶井”也由此而得名。

祖冲之

祖冲之（429—500），我国南北朝时期杰出的数学家、科学家。其主要贡献包括数学、圆周率、天文历法和机械四方面，为中国乃至世界文明的进步作出了卓越的贡献。

祖冲之创制了《大明历》，最早将岁差引进历法；他采用了391年加144个闰月的新闰周；而且首次精密测出交点月日数（27.21223），回归年日数（365.2428）等数据，他还发明了用圭表测量冬至前后若干天的正午太阳影长以定冬至时刻的方法。

祖冲之在天文历法方面的成就大都包含在他所编制的《大明历》及为《大明历》所写的驳议当中。

☆《大明历》

我国历朝历代都有研究天文的官，并且根据研究天文的结果来制定历法。到了宋朝时，历法已经有很大进步，但是祖冲之认为还是不够精确。他根据自己长期观察的结果，创制出一部新的历法，称为《大明历》。这种历法测定的每一回归年（也就是两年冬至点之间的时间）的天数，与现代科学测定的相差只有五十秒；测定月亮环行一周的天数，与现代科学测定的相差不到一秒，可见它的精确程度了。公元462年，祖冲之请求宋孝武帝颁布新历，孝武帝召集大臣商议。那时，有一个皇帝宠幸的大臣戴法兴站出来反对，认为祖冲之擅自改变古历，是离经叛道的行为。祖冲之当场就用他研究的数据回驳了戴法兴。但是戴法兴依仗皇帝宠幸他，蛮横地说：“历法是古人制定的，后代的人不应该改动。”祖冲之严肃地说：“你如果有事实根据，就只管拿出来辩论，不要拿空话吓唬人嘛。”宋孝武帝想帮助戴法兴，便找了一些懂得历法的人跟祖冲之辩论，但他们也一个个被祖冲之驳倒了。但是，宋孝武帝还是不肯颁布新历。直到祖冲之死了十年之后，他创制的《大明历》才得到推行。