《人類科學技術史-172》中國宋元時期天文學

中國宋元時期天文學

宋代是中國歷史上改歷最頻繁的一個時代，平均約20年即行修改一次。這種情況對歷法的精確性要求提高了，也提高了對天文觀測的要求。星占迷信也是宋代統治者重視天文觀測的一個動機。尤其在北宋時代，由于經常受到契丹和西夏的侵擾，國勢較弱，又因為縱容地主進行土地兼并，致使階級矛盾尖銳，人民不時舉行起義。內外交困下，統治者迷信于占星術，希望從觀測到的天象中獲得一些老天的"警告"和"意向"。北宋對中央天文機構——司天監的異常天象的監視工作抓得很緊，甚至在皇城之內還設立了天文機構，以考驗校核司天監送來的報告。這種非常的勁頭，不能不影響到對天文觀測的重視。因此，宋代對恒星位置的觀測次數特別多，僅北宋100多年間進行了5次左右的系統觀測。其中特別是為歷法服務的二十八宿距度的測定進行得比較細致，精密度也是日益提高。宋代在行星和月亮的運動，日食和月食以及其他異常天象的記錄方面極為勤懇，留下了豐富的天象記錄。例如，關于1054年金牛座超新星的記錄，是現代天文學研究的極為寶貴的資料。

宋元時期在天文儀器上的制作發明，無論在數量上或質量上，都大大超過以往任何一個時代。

其中，中國的渾儀制造在宋代達到高峰。渾儀是用來測量天體的位置和兩天體之間的角度的古代天文儀器，它的創制已有2000年的歷史。渾儀的結構大體上有三部分，為了觀測天體用的照準鏡，即望筒或窺衡。通過前后兩個小孔對準要測的天體，照準器在各種環圈(代表各種坐標系統）中的位置就能用數字表示出來，這就是要測天體的坐標。各種環圈中有代表赤道的、地平的、黃道的，就使渾儀有多種功用。渾儀還有一些支承結構，雕鑄成蟠龍環繞，顯示出中華民族的藝術特色。人們所說的四大渾儀(韓顯符、周琮和舒易簡、沈括以及蘇頌等人的四個渾儀），都是在北宋時期(公元995-1092年）造成的。

在渾儀的發展過程中有這樣一個特點，即增加一個新的重要天文概念，就要在渾儀上增加一個環圈來表現這個概念。這樣，儀器上的環越來越多，相互交錯的環圈遮掩了很大的天區，縮小了觀測范圍。北宋沈括大膽地取消了白道環，借助數學工具來求月亮的位置。到了元代郭守敬時，又進行了大膽的革新。郭守敬不僅取消了白道環，而且又取消了黃道環，并且把地平坐標和赤道坐標分別安裝。雖然可以認為它是"拆散了的渾儀"，實際上是一種赤道式裝置的先驅，稱為簡儀。

郭守敬是赤道裝置的創始人。德雷爾在評價簡儀的歷史重要性時說："這里有兩個值得注意的例證，說明中國人的偉大發明往往早于西方成就若干世。我們在這里看到，中國在13世紀時已有第谷(1546-1601)式赤道渾儀，更驚人的是，他們還有同第谷用以觀測1585年的慧星以及觀測慧星和行星的大赤道渾儀相似的儀器"。約翰遜也認為"無論是亞歷山大里亞城或馬拉加天文臺，都沒有一件儀器象郭守敬的簡儀那樣完善、有效而又簡單。實際上，我們今天的赤道裝置并沒有什么本質上的改進"。

此外，由蘇頌領導，韓公廉等人在太平渾儀的基礎上設計了水運儀象臺。它不僅是一個大型儀器，也是一個小型觀測臺。這個觀測臺可以自由摘脫，這可以說是近代天文臺上赤道儀室活動圓頂的先聲。觀測臺內裝有渾儀和機械轉動裝置結合在一起，起了赤道儀裝置的轉儀鐘的作用。其中天關、天鎖等一套機構是近代鐘表中關鍵零件擒縱器的先聲。這也是宋元時期在天文儀器方面的貢獻之一。宋代對于漏壺和圭表的測量精度也作了很大的努力。

宋元時期歷法頻更。宋代18位天子，歷法也有18種。宋代歷法頻頻更改的原因主要是由于不能與天象符合，而且皇帝大臣不關心歷法科學的進步，而只把頒歷這件事看作他們行使權力的象征。所以古時易姓則易歷，宋代每個皇帝即位也要改歷，與歷法準確與否無關，制歷僅是例行公事而已，所以在科學上也無大創新。

然而到了元代，郭守敬主持創制的《授時歷》是中國古歷中最精良的歷法。郭守敬(1231-1316)，字若思，順德邢臺(今河北邢臺）人，元代大天文學家、儀器制造家和水利專家。我們已提到他發明簡儀，他在歷法方面也作出了卓越的貢獻。郭守敬作為13世紀一位杰出的科學家，在世界天文學史上有不可磨滅的地位。1977年7月，中國科學院紫金山天文臺把發現的一顆小行星命名為"郭守敬"。《授時歷》采用的一些法數在當時世界上幾乎是最精確、最先進的。這一歷法因古語"敬授民時"而得名，于至元十八年(公元1281年）頒行。后來，明朝頒行的《大繞歷》基本上就是《授時歷》。如果把兩種歷法看成一種，可以說是中國歷史上施行最久的歷法，歷時364年。《授時歷》完全以實測為根據。

為配合編制，郭守敬制造了許多出色的天文儀器。1279年，在忽必烈的支持下，郭守敬等人在南起南海、北至北海，南北長11000公里、東西寬6000公里的廣闊地帶上，建立了27個觀測站，測量夏至日和冬至日的日影長度、晝夜長短、北極出地高度等。這實際上是繼僧一行之后，中國更大規模的一次天文大地測量。通過這次測量，為制訂歷法積累了許多寶貴資料。郭守敬通過實測，求得一年為365.2425日，并將它用于《授時歷》中。

為編制《授時歷》，他還重新對黃赤夾角和二十八宿距度進行了實測，精度都很高。此外，《授時歷》采取了許多措施(例如采用了百進位制）來簡化過去歷法中繁瑣的數學運算，并提出了用三次差內插法(招差術）來計算星體運動。這些方法的采用，保證了《授時歷》成為我國古代精度最高的一部歷法。

元代中國與中亞、西亞的阿拉伯國家來往頻繁，因此天文學的交流也十分發達。中國天文學家到過中亞和西亞。著名的《烏魯伯星表》和《伊兒漢表》中，都載有中國的天文歷法。同時，阿拉伯天文學家札馬魯丁等也為中國帶來了阿拉伯民族的天文儀器。札馬魯丁還撰萬年歷，忽必烈曾命令頒行過。中國少數民族中有不少信奉伊斯蘭教，元朝政府為了滿足這些教徒的需要，設立了回回司天文臺，每年頒行回回歷書。

縱觀中世紀的中國天文歷法，成就斐然，在國際上處于領先。可惜沒有持續下去，以至到明末時，中國的天文歷法已落后于歐洲了。