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中国历史:天文,历法,张衡

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秦朝用“颛顼历”,汉初继续沿用。公元前104年即太初元年,汉武帝根据司马迁等人的建议下令组织制定“太初历”。天文学家落下闳(公元前140~前87年)等人在实测天文数据和理论计算的基础上,提出改历方案。《太初历》规定一年等于365天,将原来以十月为岁首改为以正月为岁首,开始采用有利于农时的二十四节气,以没有中气的月份为闰月。这是我国立法上一个划时代的进步,《太初历》不仅是我国第一部比较完整的历法,也是当时世界上最先进的历法。共施行189年,它采用的岁首和置闰法,我国的阴历一直沿用至今。

2004年9月16日,经过国际天文学联合会小天体提名委员会批准,一颗国际永久编号为16757的小行星被命名为“落下闳星”,以纪念这位杰出的天文学家。西汉末年,刘歆把《太初历》改名为“三统历”,流传至今,为后世历法提供了一个楷模。东汉早期,天文学家李梵、苏统等人发现了月亮视运动的不均匀性,并指出月行快慢是由于月道有远有近的缘故。东汉晚期的刘洪在乾象历中首次利用月行快慢来推算交食。在制定太初历时,落下闳改进了浑仪,创立了赤道式浑天仪,并以此重新测量了二十八宿的距度。

汉宣帝时,耿寿昌用铜铸成了用以演示天象的仪器——浑象,这在中国天文仪器发展史上是一个创举。天体仪的主要成分是一个空心铜球,球面上刻有纵横交错的网络,用于量度天体的具体位置;球面上凸出的小圆点代表天上的亮星,它们严格按照亮星之间的相互位置标刻。整个铜球可以绕一根金属轴转动,转动一周代表一个昼夜,球面与金属轴相交于两点:北天极和南天极。两个极点的指尖,固定在一个南北正立的大圆环上,大圆环垂直的嵌入水平大圈的两个缺口棋牌内,下面有四根立柱支撑着水平大圈,托着整个天体仪。

利用浑象,无论是白天还是夜晚,人们都可以随时了解当时应该出现在天空的星空图案。东汉和帝时,贾逵、傅安等人制成了置有黄道环的浑仪,并用以观测日、月行度,得到了比仅有赤道环的浑仪要精确得多的数据。天文仪器的发展,到张衡时达到了一个高峰。秦汉时期,对于天象的观测和记录有两个显著特点:第一是各种天象的记录趋于完备。公元前28年,《汉书·五行志》对太阳黑子出现的时间、形象、大小和位置均有明确记述。对新星和超新星的记录也首见于汉代。第二是天象记录日趋详尽、精细。如对日食、彗星和极光的记录都十分翔实。

在望远镜发明前,中国就积累了大量有关日食、黑子、彗星、流星雨、新星、超新星和极光等十分准确而丰富的记录,为近代科学研究提供了宝贵的历史资料。东汉时期的张衡(78~139年),东汉科学家、文学家,河南省南阳县石桥镇人,15岁时出外游学,主要从事于文学创作,30岁时研究的重点转向哲学、天文、历算。他最主要的成就是著《灵宪》,制浑天仪,造地动仪。此外,他还是一位机械技术大师,才情高远的大文学家和画家,对后世文化的发展有深远的影响。他是我国乃至世界历史上罕见的全面发展的天才。

在天文学方面,张衡为后人留下了两部重要著作——《灵宪》和《浑天仪图注》。《灵宪》认为天地万物是从原始的浑沌未分的“元气”发展来的。完整系统地描述了天地万物生成变化和发展的过程,还提出了五星视运动理论,指出了月光是由日光照在月球上反射而形成的,月食是由于地球的影子遮掩了月球而引起的。此外他还指出,宇之表无极,宙之端无穷,宇宙是无限的。《浑天仪图注》是张衡为他所制造的浑天仪而写的说明,是浑天说的代表作。

他说:“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡中黄,弧居于内,天大而地小,天表里有水,天之包地,犹壳之裹黄。天地各乘气而立,载冰而浮。”浑天说是一种以地球为中心的宇宙理论。张衡担任太史令(掌管天文的官员)达14年之久,他在前人的基础上,着手制造了用于演示浑天思想的仪器——水运浑象。浑象形象地表达了浑天思想,并解释了若干天文现象。他还巧妙地利用漏壶的等时性,通过齿轮系统的传动,用浑象自动地、近似正确地把天象演示出来,成为世界上最早的天文钟。

为了让浑天仪能自己转动,张衡用漏壶滴出来的水的力量带动齿轮,齿轮带动浑象绕轴旋转,一天一周,与天球同步转动。漏水转浑天仪是有明确历史记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器。在浑天仪中应用到的齿轮机构十分复杂,这中间如果不是用逐渐减速的齿轮系统,很难做到。远在1800多年前,中国古人就可以造出这样复杂的仪器是很值得自豪的。此外,张衡还在132年首创了世界上第一架地震仪——候风地动仪。据《后汉书》记载,地动仪是用精铜铸成,成卵形,直径有8尺,仪体外铸有山龟鸟兽,象征地上的山峦和天上的二十八宿。

体外八方刻有八卦篆文,表示八方之气。体外附有八条龙,龙首各朝八方,象征阳;八只蟾蜍抬首张口居龙首之下,象征阴。仪体内有一根铜柱称为“都柱”,旁边有八组滑道,滑道通过杠杆连接龙头,龙头嘴内含有铜球。地震时,倾斜的都柱倒向地震方向的滑道,推动杠杆引发牙机,龙首打开,铜球落入下面的蟾蜍口中。当时设在京城洛阳的地动仪,曾准确地记录了138年甘肃东南地区发生的一次地震。张衡还制造过自飞鸟,写过《二京赋》等文学著作。

他在史学、地理学、数学、哲学等方面均有成就,曾对司马迁的《史记》和班固的《汉书》提出过修改意见;绘制过一幅地图;对圆周率很有研究;哲学上反对唯心主义的“谶纬之说”。他还是东汉六大名画家之一。在文学方面,张衡是一位占有重要地位的大文学家。他首开抒情小赋之先河,词藻华丽,气势磅礴,其代表作《温泉赋》提出“夫水可以载舟,亦可以覆舟”的千古哲理;他创造了以《四愁诗》为代表的新体七言诗,给后来的七言诗奠定了基础,具有深远的影响。

张衡是中国古代伟大的科学家、发明家、文学家、史学家,是全世界公认的世界十大文化名人之一。他在中国和世界自然科学史上占有重要地位,国际上认为张衡同哥白尼和伽利略齐名。汉代论天的盖天说、浑天说和宣夜说的思想渊源都可以追溯到春秋战国时代。宣夜说由东汉前期的郄萌作了系统的总结和明确的表达。他指出,“天了无质,仰而瞻之,高远无极”,不存在一个“固体”的天球。他还指出,“日月众星,自然浮生虚空之中,其行止皆须气焉”。宣夜说的要点是:从正面提出了日月众星悬浮于宇宙空间,并依靠气的作用而运动的重要观点。

辰极常居其所,即天极部分恒定不动。摄提填星皆东行,即与周天恒星东升西没的运行方向相反。太阳每天行一度,而月亮每行十三度。行星有吸逆运行和隐伏不见,进退不一的运行方式。宣夜说描述了一幅日月众星在物质的无限空间运动的图景。它在当时还只是一种思辨性的论述。盖天说是中国最古老的关于天地结构的论述。第一次盖天说主张“天圆地方”,天像一个扣着的大锅覆盖着棋盘一样的大地。其要点在于:天圆地方。北极在天之最高处。天如磨盘,顺时针方向转,即左旋,为阳。日月五星如蚁右转,即右旋,为阴。

众星如蚂蚁爬得慢,天如磨盘转得快,所以,太阳和月亮虽然实际上向东运行,但看起来却随天一起向西运动。昼为阳,夜为阴。这样的天地形状很容易让人们产生疑问,天地怎么能够合拢呢?于是逐渐产生出新的盖天说。春秋战国时期产生的第二次盖天说在西汉时仍在流行。成书于西汉的《周髀算经》是这一学说的代表作。书中主要论证了第二次盖天说,使之系统化和数学化。第二次盖天说的要点是:半圆形的天,拱形的大地,日、月、星辰附着天而平转,不能转到地的下面。它虽比第一次盖天说有所进步,但为越来越多的天文观测事实所否定。

浑天说在西汉时期得到了很大发展,经落下闳、耿寿昌和扬雄等人的努力,逐渐为人们所接受。东汉时期的张衡则是浑天说的集大成者。他在《浑天仪注》中说:“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡子中黄,孤居于内,天大而地小也,天表里有水。天之包地,犹壳之裹黄。天地各乘气而立,载水而浮。周天365度,又中分之,则182度覆地上,182度绕地下,故二十八宿半见半隐。”浑天说的要点是:天体绕极轴旋转。在本质上还是赤道坐标系。使用地平坐标系。浑天说在当时的历史条件下,能近似地说明天体的运行,浑天说在中国文学史上占有重要的地位,对中国古代天文仪器的设计与制造产生了重大影响,如浑天仪和浑象的结构就和浑天说有着密切的联系,对天文学的有关理论问题的解释也产生了重大影响。

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