中國古代天文學(xué)和數(shù)學(xué)

中國古代天文學(xué)趙丹山西大學(xué)科哲中心2021.12.15.由于“以農(nóng)為本〞和“天人感應(yīng)〞思想在中國古代長期居于支配地位，因此天文學(xué)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(shè)立專門的機(jī)構(gòu)，委派專職官員負(fù)責(zé)天文工作。在政府的大力扶持下，天文學(xué)很早就建立起來，并到達(dá)當(dāng)時(shí)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(xué)說的構(gòu)建等方面。.內(nèi)容簡介專職天學(xué)機(jī)構(gòu)天學(xué)之運(yùn)作歷法成就天學(xué)儀器與典籍宇宙思想中外交流.天學(xué)之官營傳統(tǒng)天學(xué)機(jī)構(gòu)由皇家直接擁有和經(jīng)營天學(xué)家們的官員性質(zhì)天文儀器的國家研制和管理歷書之編算、印刷及頒發(fā).官營天學(xué)的例外?隋書-天文志?中記載了張子信的天學(xué)活動：“至后魏末，清河張子信，學(xué)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?dāng)?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……〞.天學(xué)機(jī)構(gòu)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?.朝代機(jī)構(gòu)名稱首腦名稱首腦官品秦漢太史令、太史公隋太史曹、太史監(jiān)太史令唐太史局、秘書閣、渾天監(jiān)、渾儀監(jiān)、太史局、太史監(jiān)、司天臺太史令、郎中、渾天監(jiān)、渾儀監(jiān)、太史局令、大監(jiān)從五品下、正三品、從三品宋司天監(jiān)、太史局司天監(jiān)、太史令正三品遼司天監(jiān)太史令金司天監(jiān)提點(diǎn)正五品元太史院、司天臺院使、司天監(jiān)正二品、從五品明欽天監(jiān)監(jiān)正正五品清欽天監(jiān)監(jiān)正正五品.官營天學(xué)的規(guī)模.工作人員之來源及培訓(xùn)深通天學(xué)之重臣：〔漢〕劉歆，〔唐〕一行；〔漢〕張衡，〔宋〕沈括，〔元〕郭守敬世襲的天學(xué)官員：父子相傳，如祖沖之、祖暅；強(qiáng)迫世襲，如明洪武六年“欽天監(jiān)人員永不許遷動，子孫只習(xí)學(xué)天文歷算，不許習(xí)他業(yè)；其不習(xí)學(xué)者發(fā)南海充軍〞從社會上招集：政權(quán)草創(chuàng)之初；改歷或大型天學(xué)活動之舉；明征暗禁培訓(xùn)：天學(xué)機(jī)構(gòu)屬員中的教授、天文生.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(dá)，造成之后，皇帝要派人驗(yàn)收?明英宗實(shí)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(shè)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，赴北京較北極出地上下準(zhǔn)驗(yàn)，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(xué)儀器.歷書的政治意義頒歷之權(quán)是皇權(quán)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(quán)的臣服.天學(xué)之運(yùn)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(bào)告及文獻(xiàn)保存儀器之研制及管理歷書之編算、印刷及頒發(fā).將天空恒星背景劃分成假設(shè)干特定的區(qū)域，建立一個(gè)的坐標(biāo)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(biāo)。二十八宿坐標(biāo)系統(tǒng)就是這樣一種特殊的赤道坐標(biāo)系統(tǒng)。它以天赤道附近二十八個(gè)距星作為標(biāo)志點(diǎn)來測量的。天體的坐標(biāo)用入宿度和去極度兩個(gè)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(biāo)系.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(shí)質(zhì)和現(xiàn)代天文學(xué)上廣泛使用的赤道坐標(biāo)系是一致的。而在歐洲，赤道坐標(biāo)系的廣泛使用卻開始于十六世紀(jì)。.“魯文公十四年〔613BC〕秋七月，有星孛入于北斗〞?！?春秋?這是關(guān)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(xì)記錄。“魯莊公七年〔687BC〕夏四月辛卯夜，恒星不見，夜中星隕如雨〞?！?春秋?這是世界上關(guān)于天琴座流星雨的最早記錄。自此以后，我國史書上關(guān)于流星雨的記錄，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至少有180次以上。天象記錄.戰(zhàn)國甘德的觀察木星時(shí)發(fā)現(xiàn)：“假設(shè)有小赤星附于其側(cè)〞。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(shí)間，有地點(diǎn)、有數(shù)量。.歷法成就古代歷法之主要內(nèi)容：日、月及五大行星的運(yùn)動規(guī)律，故就研究內(nèi)容也可稱為是古代數(shù)理天文學(xué)古代歷法的中心課題：原理〔日、月、五星運(yùn)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(yùn)動的數(shù)值描述〕.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(shí)系統(tǒng)。在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們利用自然現(xiàn)象變化的規(guī)律作為計(jì)量時(shí)間的尺度，從而形成了“回歸年〞、“朔望月〞和“太陽日〞等時(shí)間計(jì)量單位。這三種計(jì)量單位并用的歷法稱為陰陽歷〔例如農(nóng)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(gè)朔望月作為一年的是陰歷。.中國古代歷法的主要特點(diǎn)我國古代歷法從物候歷走向陰陽合歷，經(jīng)過不斷開展，到達(dá)了相當(dāng)高的精度，在漫長的歲月中保持了紀(jì)日制度的延續(xù)性，使我國歷史從841BC至今有確切的時(shí)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(yùn)動與氣候變化的內(nèi)在聯(lián)系，又照顧了月相變化同日常生活的關(guān)系。同時(shí)創(chuàng)立了大小月、閏月和24節(jié)氣，有效協(xié)調(diào)了兩種周期的結(jié)合，并能準(zhǔn)確指導(dǎo)著生產(chǎn)實(shí)踐活動。.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標(biāo)準(zhǔn)。即從研制儀器開始，以觀測而取得數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)的方法建立一套計(jì)算公式，然后推驗(yàn)前次的月食，再作進(jìn)一步的修改。這無疑是一整套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)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(xué)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(diǎn)月和行星會合周期等天文常數(shù)都相當(dāng)精確，在世界上處于領(lǐng)先地位。.典型歷法內(nèi)容之構(gòu)成?太初歷?：統(tǒng)母，即數(shù)據(jù)；五步；統(tǒng)術(shù)；紀(jì)術(shù)；歲術(shù)；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(yùn)動；月球運(yùn)動；日月交蝕；行星運(yùn)動.早在新石器時(shí)代，社會經(jīng)濟(jì)逐漸進(jìn)入以農(nóng)牧生產(chǎn)為主的階段，人們需要掌握季節(jié)，以便不誤農(nóng)時(shí)。資料說明在新石器時(shí)代中期，祖先們已開始觀測天象，并用來定方位、定時(shí)間、定季節(jié)了。現(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(gè)月的物候、天象和相應(yīng)的農(nóng)事活動，主要用于指導(dǎo)生產(chǎn)活動，亦即“觀象授時(shí)〞。夏代的人們已有“旬〞的概念。.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(biāo)志著我國歷法已經(jīng)進(jìn)入比較成熟的時(shí)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。.

漢代司馬遷的?太初歷?〔104BC〕第一次明確提出135個(gè)朔望月中有23個(gè)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(shí)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，到達(dá)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(gè)六度左右的夾角，這同今值也很相近。.南北朝時(shí)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(gè)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(yùn)動的不均勻性現(xiàn)象。在我國天文史上是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，對后世歷法的改進(jìn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。.隋唐時(shí)期的歷法成就突出表現(xiàn)在假設(shè)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；金星那么到達(dá)與今值密合的精度。

交食周期的數(shù)值也到達(dá)了十分精確的程度。?五紀(jì)歷?〔726AD〕中采用了716個(gè)朔望月122次食季的“食周〞，這與十九世紀(jì)未西方所謂的“紐康周期〞是等價(jià)的。.

?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，在前代的根底上，假設(shè)干天文常數(shù)的精度有所提高，數(shù)學(xué)計(jì)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(yuǎn)，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。.歷代頒行的重要?dú)v法朝代歷法編制者名稱漢，前104年鄧平、落下閎太初歷南北朝祖沖之大明歷隋劉焯皇極歷唐一行大衍歷元代郭守敬授時(shí)歷.天學(xué)儀器天文學(xué)走向定量化的必然結(jié)果古代天學(xué)儀器據(jù)文獻(xiàn)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根本儀器.天學(xué)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(jìn)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.日晷：又稱“日規(guī)〞，是圭表的改進(jìn)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(shí)。通常由銅制的指針和石制的圓盤組成.漏刻：古代的一種計(jì)時(shí)工具。漏是指計(jì)時(shí)用的漏壺，刻是指劃分一天的時(shí)間單位，它通過漏壺的浮箭來計(jì)量一晝夜的時(shí)刻。其計(jì)時(shí)方法可分為泄水型和受水型.渾儀：天文觀測儀器。最初的渾儀只有三個(gè)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(zhuǎn)動，用望筒對準(zhǔn)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(nèi)又添置了幾個(gè)圓環(huán)，也就是說環(huán)內(nèi)再套環(huán)，使渾儀成為多種用途的天文觀測儀器。.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(yùn)動規(guī)律，可以說天體儀是現(xiàn)代天球儀的直接祖先。.水運(yùn)儀象臺：宋代蘇頌、韓公廉等人設(shè)計(jì)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(bào)時(shí)裝置巧妙地結(jié)合在一起，是我國古代一項(xiàng)卓越的創(chuàng)造。水運(yùn)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(jié)構(gòu)。.典籍歷代官史中的天學(xué)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(xué)著作：秘籍。如北周庚季才的?靈臺秘苑?，唐瞿曇悉達(dá)?開元占經(jīng)?，唐李淳風(fēng)?乙巳占?等官修大型天學(xué)著作：宋王應(yīng)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.宇宙學(xué)說渾天說：史籍明確所載的