揭開星空的奧秘系列

  談天說地話中國古天文

1.目前設置在上海天文台的赤道式「日晷」(它的晷針是平行於地球自轉軸而指向北極) 。本館中國科學廳中也有「漢代玉盤日晷」展出。

2.目前設置於紫金山天文台的明製「圭表」 。大致結構原理,可從本館中國科學廳的「河南登封的周公觀景台」看得到模型說明。

文.圖/陳輝樺

 天文學在人類文明史的開頭,就占有顯著的地位。尤其是早在四千多年前,中國就有可考的文字星象記載;從公元前14世紀河南安陽殷墟出土的甲骨文中豐富的天文紀錄,就可看出在中國文明的搖籃時期,天文知識已普及農民、士卒、婦女、兒童。正如明末顧炎武引《詩經》篇詞在《日知錄》裡說道:「夏、商、周三代以上,人人皆知天文。七月流火,農夫之辭也;三星在戶,婦人之語也;月離於畢,戍卒之作也;龍尾伏辰,兒童之謠也。」。

圭表、曆法

 圭表和日晷都是以太陽為觀測目標的計時儀器,它們的結構簡單,是中國流傳於世最古老的天文儀器。由於其創制年代久遠,已不可考。現在一般人所言的圭表是由表發展而來,而日晷(圖1)則是再由圭表演變而來。所謂的表,最初就是一根直立於平地上的竿子或石柱,遠古人們在生活中就發現太陽照射下的物體影子之方向和長短會隨著太陽所在位置而有規律性變化。逐漸地,就有人想到用竹竿或石柱來專門作為觀測影子變化的工具,於是產生了最古老的天文儀器 表。表的結構雖然簡單,但用途卻很多,譬如可依據影子的方向和長短定出方向、節氣、時刻、地域等。圭表是由直立於平地的表和一個正南北方向平放的尺(圭)所組成(圖2)。大約最晚在春秋中葉,利用圭表測量日影,已經是制定曆法的重要方法了;利用此法測定出回歸年長度為365.25日。

 古代天文官(太史令)是在做些什麼?《尚書.堯典》說:「乃命羲和,欽若昊天,曆象日月星辰,敬授人時。」其意為天文學者自古至今的崇高使命是觀察日月星辰,以及告知人們曆法和時間。我國曆法的基本內容,正如《堯典》所說:「三百有六旬有六日,以閏月定四時成歲。」白話的說是將一年分為四季,用閏月來調整月分和季節的關係;而且以黃昏時出現南方天空的,是二十八星宿中分配在四個不同方位的柳宿、心宿、虛宿、昴宿(也就是春分、夏至、秋分和冬至四個重要天文點)來劃分季節。可見早期中國解釋自然現象是頗具科學性的。周代到漢初,除了創制首部曆法,還有許多寶貴而完整的天象紀錄,如日食和月食觀測的描述(如太陽和月球的位置、初窺和復圓的時刻及方位)、彗星(尤其是哈雷彗星、長沙馬王堆出土的西漢初年彗星圖(圖3))的最古紀錄、流星(墜隕石)和流星雨(如天琴座流星雨)的最早紀錄。

渾天說、渾儀和渾象

 中國古代對宇宙有什麼樣的看法?舉例來說,戰國時期的荀子在《天論》的起頭就說:「天行有常,不為堯存,不為桀亡。」也就是說自然界是按其本身規律運行不斷的,不論是仁君堯還是暴君桀都影響不了它,天文現象和政治無關。另外,管子《宙合》篇說:「宙合之意,上通於天之上,下泉於地之下,外出於四海之外,合絡天地以為一裹。」「是大之無外,小之無內。」白話來說,宇宙是時間和空間的統稱,它向上直到天之外,向下直到地底下,向外越出四海之外,好像一個包裹把我們看得到的物質世界包在其中,但是它的本質在宏觀和微觀方面都是無限的。除了這兩位先賢的想法外,中國古代對天地的基本看法,主要有《蓋地說》、《渾天說》和《宣夜說》三種,限於篇幅,以下僅就「渾天說」予以闡述。

 在古代,「渾」字有圓球的含意。古人認為天是圓的,形狀像蛋殼,出現在天上的星星是鑲崁在蛋殼上的彈丸,而我們的地球則是蛋黃,人們是在這個蛋黃上測量日月星辰的位置。因此,把這種想法稱為「渾天說」,而觀測天體的儀器叫做「渾儀」。許多人相信渾儀發明於戰國時代(公元前4世紀至前1世紀),而在漢武帝時(公元前104年)有洛下閎造渾儀的記載。渾儀(圖4)基本結構只有三環(子午環、赤道環和赤經環)和一窺管組成,可看出當時天文觀測知識與技術已相當可觀,不但已略知日月星辰東升西落的變化情形(地球斜傾角度),並已會運用「經度」和「緯度」的座標概念。

 公元前70~50年間,耿壽昌創製一種教學、演示我們所見到的天體運動的儀器,稱為「渾象」。它將日、月、二十八星宿等天體及赤道、黃道都繪製在一個圓球面上,使人們不受日夜時間、陰雨天候的限制,隨時瞭解當時的天象。渾象(圖5)不但位置精準不差,補足肉眼無法觀測的空白,況且能幫人們直覺地、抽象地理解日月星辰的運動規律。公元132年,張衡用水的力量發動齒輪系統,穩定帶動渾象轉動,創製「水運渾天儀(象)」。(待續)

3.在馬王堆出土的西漢初年帛書中的彗星圖畫,繪出了二十多種彗星的圖象,其中有一些比較真實地繪出了彗尾之不同形狀和特徵,還似乎畫出了彗核的結構。
4.目前仍置放於紫金山天文台的明製「渾儀」。大致結構,可從本館中國科學廳運行中的「水運儀象台」頂樓(渾天儀)參觀得到。
5.目前仍置放於北京古觀象台上的清製「天體儀」(渾象) 。大致結構,可從本館中國科學廳運行中的「水運儀象台」第二層樓(渾象)參觀得到。