中國古代天文學和數(shù)學

關于中國古代天文學和數(shù)學第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二由于“以農為本”和“天人感應”思想在中國古代長期居于支配地位，因此天文學在歷代都被受重視。各代皇帝都注意觀測天象，編制歷法，并在朝廷中設立專門的機構，委派專職官員負責天文工作。在政府的大力扶持下，天文學很早就建立起來，并達到當時世界較高的水平。其突出成就表現(xiàn)在歷法的編制、天文儀器的研制、天象記錄的完備和宇宙學說的構建等方面。第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二內容簡介專職天學機構天學之運作歷法成就天學儀器與典籍宇宙思想中外交流第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二天學之官營傳統(tǒng)天學機構由皇家直接擁有和經(jīng)營天學家們的官員性質天文儀器的國家研制和管理歷書之編算、印刷及頒發(fā)第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二官營天學的例外《隋書-天文志》中記載了張子信的天學活動：“至后魏末，清河張子信，學藝博通，尤精歷數(shù)。因避葛榮亂，隱于海島中，積三十許年，專以渾儀測候日月五星差變之數(shù)，以算步之。始悟日月交道有表里遲速，五星伏現(xiàn)有感召向背……”第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二天學機構的皇家傳統(tǒng)天子有靈臺，以觀天文……諸侯卑，不得觀天文，無靈臺非天子不得作靈臺天子太廟，上可以望氣，故謂之靈臺

——《詩經(jīng)·大雅》第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二官營天學的規(guī)模第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二工作人員之來源及培訓深通天學之重臣：（漢）劉歆，（唐）一行；（漢）張衡，（宋）沈括，（元）郭守敬世襲的天學官員：父子相傳，如祖沖之、祖暅；強迫世襲，如明洪武六年“欽天監(jiān)人員永不許遷動，子孫只習學天文歷算，不許習他業(yè)；其不習學者發(fā)南海充軍”從社會上招集：政權草創(chuàng)之初；改歷或大型天學活動之舉；明征暗禁培訓：天學機構屬員中的教授、天文生第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二皇家主持的儀器研制其功能不僅僅是輔助觀測工具，更引人矚目的是它代表的象征意義制造儀器的命令要由皇帝下達，造成之后，皇帝要派人驗收《明英宗實錄》：正統(tǒng)二年（1437）二月，行在欽天監(jiān)監(jiān)正皇甫仲和等奏：“南京觀星臺設渾天儀、璇璣玉衡、簡儀、圭表，以窺測七政行度、凌、犯、遲、留、伏、逆。北京齊化門城上觀測未有儀象。乞令本監(jiān)官一人往南京督匠以木如式造之，赴北京較北極出地高低準驗，然后用銅鑄造，庶占象不失”歷朝歷代明文規(guī)定，禁止私人擁有天學儀器第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二歷書的政治意義頒歷之權是皇權得以確立的象征奉行某朝正朔，即行用該朝頒行的歷法，表示對該朝政權的臣服第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二天學之運作天象之觀測：恒星、日月交蝕及掩星、行星天象、異常天象（彗星、新星、流星、太陽黑子）記錄、報告及文獻保存儀器之研制及管理歷書之編算、印刷及頒發(fā)第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二將天空恒星背景劃分成若干特定的區(qū)域，建立一個的坐標系統(tǒng)，以此來確定日月五星和許多天象發(fā)生的具體位置，一直是人們長期以來的目標。二十八宿坐標系統(tǒng)就是這樣一種特殊的赤道坐標系統(tǒng)。它以天赤道附近二十八個距星作為標志點來測量的。天體的坐標用入宿度和去極度兩個數(shù)值表示。入宿度表示某天體在某宿距星以東的赤道度數(shù)，去極度為該天體距離北天極的度數(shù)。坐標系第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二1973年，湖北隋縣曾侯已墓中出土的漆箱蓋子上繪有二十八宿的全部各稱，這是迄今所發(fā)現(xiàn)的包含完整的二十八宿星名的最早文字記載。因此可以確定，至遲在春秋末年到戰(zhàn)國初年，二十八宿星空系統(tǒng)已經(jīng)存在了。其實質和現(xiàn)代天文學上廣泛使用的赤道坐標系是一致的。而在歐洲，赤道坐標系的廣泛使用卻開始于十六世紀。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二“魯文公十四年（613BC）秋七月，有星孛入于北斗”?！洞呵铩?/p>

這是關于哈雷彗星的最早記錄。從秦始皇七年（前240）到清宣統(tǒng)二年（1910）哈雷彗星共出現(xiàn)31次，每次我國古代都有詳細記錄。

“魯莊公七年（687BC）夏四月辛卯夜，恒星不見，夜中星隕如雨”?！洞呵铩?/p>

這是世界上關于天琴座流星雨的最早記錄。自此以后，我國史書上關于流星雨的記錄，據(jù)不完全統(tǒng)計，至少有180次以上。

天象記錄第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二戰(zhàn)國甘德的觀察木星時發(fā)現(xiàn)：“若有小赤星附于其側”。這是早于伽利略（1564—1642）兩千年對木星最亮的衛(wèi)星——木衛(wèi)三的觀察。魯僖公十六年（644BC）“春王正月戊申，隕石于宋，五”。這是最早的隕石記錄，有時間，有地點、有數(shù)量。第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二歷法成就古代歷法之主要內容：日、月及五大行星的運動規(guī)律，故就研究內容也可稱為是古代數(shù)理天文學古代歷法的中心課題：原理（日、月、五星運動規(guī)律在歷法中得到的反映）和數(shù)據(jù)（歷法對日月五星運動的數(shù)值描述）第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二歷法的編制歷法是人們根據(jù)生產(chǎn)和生活的需要而創(chuàng)立的記時系統(tǒng)。在長期的生產(chǎn)實踐中，人們利用自然現(xiàn)象變化的規(guī)律作為計量時間的尺度，從而形成了“回歸年”、“朔望月”和“太陽日”等時間計量單位。這三種計量單位并用的歷法稱為陰陽歷（例如農歷）；只考慮回歸年變化的稱作陽歷（例如現(xiàn)行的公歷）；固定十二個朔望月作為一年的是陰歷。

第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二中國古代歷法的主要特點我國古代歷法從物候歷走向陰陽合歷，經(jīng)過不斷發(fā)展，達到了相當高的精度，在漫長的歲月中保持了紀日制度的延續(xù)性，使我國歷史從841BC至今有確切的時日可考，為世界僅有。陰陽合歷的特色在于，既考慮到太陽視運動與氣候變化的內在聯(lián)系，又照顧了月相變化同日常生活的關系。同時創(chuàng)立了大小月、閏月和24節(jié)氣，有效協(xié)調了兩種周期的結合，并能準確指導著生產(chǎn)實踐活動。第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二歷經(jīng)數(shù)代改革，先后編撰出百余種歷法，并在此過程中逐步建立起一套編歷規(guī)范。即從研制儀器開始，以觀測而取得數(shù)據(jù)，用數(shù)學的方法建立一套計算公式，然后推驗前次的月食，再作進一步的修改。這無疑是一整套嚴謹?shù)目茖W方法。在歷代的編歷中，天文家都盡量采用最新的天文數(shù)據(jù)和數(shù)學方法，使得歷法的編算逐漸精確。因此我國古歷中采用的回歸年、朔望月、交點月和行星會合周期等天文常數(shù)都相當精確，在世界上處于領先地位。第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二典型歷法內容之構成《太初歷》：統(tǒng)母，即數(shù)據(jù)；五步；統(tǒng)術；紀術；歲術；世經(jīng)《大衍歷》：步中朔；步發(fā)斂；步日躔；步月離；步軌漏；步交會；步五星星表、星圖與三垣二十八宿；太陽運動；月球運動；日月交蝕；行星運動第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二早在新石器時代，社會經(jīng)濟逐漸進入以農牧生產(chǎn)為主的階段，人們需要掌握季節(jié)，以便不誤農時。資料表明在新石器時代中期，祖先們已開始觀測天象，并用來定方位、定時間、定季節(jié)了?，F(xiàn)存最早的物候歷《夏小正》相傳產(chǎn)生于夏代，記載了一年里每個月的物候、天象和相應的農事活動，主要用于指導生產(chǎn)活動，亦即“觀象授時”。夏代的人們已有“旬”的概念。第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二春秋后期的《古四分歷》把回歸年的長度定為365.25日，比今值多出11分鐘。它的出現(xiàn)標志著我國歷法已經(jīng)進入比較成熟的時期。西方古羅馬的《儒略歷》（43BC）中的回歸年長度也用了同樣數(shù)值，但晚于我國約五百年。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二

漢代司馬遷的《太初歷》（104BC）第一次明確提出135個朔望月中有23個食季的“食周”概念。

恒星月長度在漢代值為27.3218504日，與理論值僅差約17秒。到三國兩晉南北朝時期各歷法所給恒星月長度值誤差降到5秒左右，唐宋以后大多數(shù)歷法恒星月長度的誤差已小于1秒，達到了很高的精度。

東漢天文家劉洪發(fā)現(xiàn)了白道同黃道之間有一個六度左右的夾角，這同今值也很相近。第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二南北朝時虞喜發(fā)現(xiàn)了歲差現(xiàn)象，祖沖之（429AD—500AD）將其引入歷法，此后“回歸年”和“恒星年”作為兩個不同的概念漸為人們所接受。祖沖之還提出回歸年長度為365.24281481日，這是宋代以前最好的數(shù)據(jù)。北齊民間天文家張子信經(jīng)過三十多年的觀測，發(fā)現(xiàn)太陽和五星視運動的不均勻性現(xiàn)象。在我國天文史上是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)，對后世歷法的改進產(chǎn)生了深遠的影響。第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二隋唐時期的歷法成就突出表現(xiàn)在若干天文常數(shù)的精度又有了新的提高。

隋代張胄玄給出了令人驚嘆的五星會合周期的數(shù)值。其中火星的誤差為0.011日；木星和土星的誤差為0.002日；水星的誤差為0.001日；金星則達到與今值密合的精度。

交食周期的數(shù)值也達到了十分精確的程度?！段寮o歷》（726AD）中采用了716個朔望月122次食季的“食周”，這與十九世紀未西方所謂的“紐康周期”是等價的。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二

《崇玄歷》（893AD）中使用了3087年朔望月有526食季的“食周”，據(jù)此推算出的交食年長度為346.6195412日，與理論值僅差14秒。

徐昂的《宣明歷》（822AD）中把黃赤交角值確定為23°34′55″，僅比理論值小37″。宋元以后，在前代的基礎上，若干天文常數(shù)的精度有所提高，數(shù)學計算更加成熟。由于以上成就，中國古代歷法在世界上影響深遠，多被傳至周圍的臨國和地區(qū)，有的國家甚至長期使用中國歷法。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二歷代頒行的重要歷法第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二天學儀器天文學走向定量化的必然結果古代天學儀器據(jù)文獻記載大致可分為三類：圭表、漏刻和儀象。其中儀象分為渾儀、渾象兩類，是古代渾天家測候和演示天象的基本儀器第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二天學儀器圭表：由垂直的表（一般高八尺）和水平的圭組成。圭表的主要功能是測定冬至日所在，并進而確定回歸年長度，此外，通過觀測表影的變化可確定方向和節(jié)氣。

明代，1439年造，現(xiàn)存南京紫京山天文臺第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二日晷：又稱“日規(guī)”，是圭表的改進形式，它利用表的投影在平面上的方向變化來測定真太陽時。通常由銅制的指針和石制的圓盤組成第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二漏刻：古代的一種計時工具。漏是指計時用的漏壺，刻是指劃分一天的時間單位，它通過漏壺的浮箭來計量一晝夜的時刻。其計時方法可分為泄水型和受水型第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二渾儀：天文觀測儀器。最初的渾儀只有三個圓環(huán)和一根金屬軸：子午環(huán)、赤道環(huán)、赤經(jīng)環(huán)；在赤經(jīng)環(huán)面上裝著一根望筒，可以繞赤經(jīng)環(huán)中心轉動，用望筒對準某顆星星，然后，根據(jù)赤道環(huán)和赤經(jīng)環(huán)上的刻度來確定該星在天空中的位置。后來，古人為了便于觀測太陽、行星和月球等天體，在渾儀內又添置了幾個圓環(huán)，也就是說環(huán)內再套環(huán)，使渾儀成為多種用途的天文觀測儀器。第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二天體儀，古稱“渾象”，是我國古代一種用于演示天象的儀器。我國古人很早就會制造這種儀器，它可以用來直觀、形象地了解日、月、星辰的相互位置和運動規(guī)律，可以說天體儀是現(xiàn)代天球儀的直接祖先。第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二水運儀象臺：宋代蘇頌、韓公廉等人設計制造的一座大型天文儀器，它把觀測天象的渾儀、演示天象的渾象和報時裝置巧妙地結合在一起，是我國古代一項卓越的創(chuàng)造。水運儀象臺高約12米，寬約7米，呈下寬上窄的正方臺形，全部為木建筑結構。第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二典籍歷代官史中的天學三志：律歷志、天文志、五行志，如《漢書》的律歷志、天文志重要星占學著作：秘籍。如北周庚季才的《靈臺秘苑》，唐瞿曇悉達《開元占經(jīng)》，唐李淳風《乙巳占》等官修大型天學著作：宋王應麟《玉海》，明《崇禎歷書》，清《御制歷象考成》等私家著述：朱載堉《圣壽萬年歷》、李之藻《渾蓋通憲圖說》、王錫闡《曉庵新法》等第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二宇宙學說渾天說：史籍明確所載的為東漢張衡造渾天儀并作《渾天儀注》（123年）時才提出來；中國古代天學家是以此為模型，進行天文觀測和歷法的推算的蓋天說：早于渾天