中國古天文的思維---「渾」與「窺」

文.圖/陳輝樺

 中國在研製和使用古天文的各項儀器、編算數種合宜的曆法、豐富的各類天象記錄等都有顯著的科學成就。在這些具體成就的背後,必然有著先賢所瞭解之日月星辰的運行規律。本文以古文記載中「渾沌」之「元氣」精華為天地原始物質本源、「渾天說」為宇宙結構、地球運動之思維等哲理,來略述古聖先賢那些已接近現代天文學智識的想法。另以古天文觀測中的「窺管」、「窺衡」等觀天、測天儀器的進展來瞭解他們嚴謹的科學態度。

圖1.哥白尼的世界:不同於托勒密的「球為宇宙中」的論點,哥白尼提出太陽居中、行星和地球都繞著太陽轉動的「日心體系」。由內而外是太陽、水星、金星、地球(和月球)、火星、木星(與它的4顆較大的衛星)和土星,外圈是黃道十二宮所表示的恒星(取材自Warren & Kenton:The celestial mirror:ASTROLOGY)。

天地原始物質起源說

 宇宙的本質是什麼?日月星辰、天地萬物是什麼構成的?這些是宇宙論首要面對的問題。先民一方面崇拜那無法理解和控制的自然現象,對主宰一切萬物的超自然力,在商代叫作「上帝」;到了周代則演變為「天」 ,而自認受天之命來統治人間者,稱為「天子」 。另一方面,觀其自然事物的規律,從商周兩代交替之時起,民間即有將水、火、木、金、土看成是自然界最基本物質的想法;西周末,史伯提出五行結合生成各樣事物的「五行說」成形。

 戰國中期,宋鈃、尹文提出「精氣」學說,以不可直接感受到的精微原始物質「元氣」來解釋世界;《管子. 內業篇》說:「凡物之精,比則化生,下生五穀,上列為星;流於天地之間,謂之鬼神;藏於胸中,謂之聖人;是故名氣。杲乎如登天,杳乎如入於淵,淖乎如在於海,卒乎如在於屺。」白話地說即是,物的精氣,結合起來就能生出萬物。精氣的性質,有時是光明照耀,仿如升在天上;有時是隱而不見,好像沒入深淵;有時滋潤柔和,仿在海裡;有時是高不可攀,如在山上。元氣的性質,在《管子.心術篇(上)》另言道:「動不見其形,施不見其得,萬物皆以得然。」換言之,元氣它可以小到看不見、摸不著,但可以在任何地方存在,也可以轉化聚集成各種有形的具體事物。三國時代,楊泉更進一步認定,天是元氣構成的,恒星和銀河眾星也是元氣精華構成的。

 戰國時期,認為天和地是在渾沌中由於陰陽作用而誕生的見解已經存在。而最早明確論述天地和日月星辰起源和演化的,應推溯至西漢時代淮南王劉安等人寫成的《淮南子》 ,在《淮南子.天文訓》中說:「天墜未形,馮馮翼翼,洞洞濁濁,故曰『太始』 。道始於虛霩,虛霩生宇宙,宇宙生氣,氣有涯垠,清陽者薄靡而為天,重濁者凝滯而為地。清妙之合專易,重濁之凝竭難,故天先成而地后定。天地之襲情為陰陽,陰陽之專情為四時,四時之散情為萬物;積陽之熱氣生火,火氣之精者為日;積陰之寒氣為水,水氣之精者為月;日月之淫精為星辰。」白話的說即是:「天地形成前,一片渾沌空洞,這一階段稱為太始。在這種空洞(空霩)的情況下,道就開始形成了。有了道,空霩才生成宇宙,宇宙生出元氣。元氣有一條界線,那輕清的相互摩蕩,向上成為天;那重濁的逐漸凝滯,向下成為地。輕清的容易團聚,重濁的不容易凝結,所以天先成,地後定。天地的精氣結合而分為陰陽,陰陽的精氣分立而成為四時,四時的精氣散布出來就是萬物。陽氣積聚的熱氣變成火,火的精氣變成太陽。陰氣積聚的冷氣變成水,水的精氣變成月亮。太陽和月亮過剩的精氣是星辰。」這段話和基督徒熟悉的《聖經.創世記》以及近代許多天文物理學者相信的「大霹靂」宇宙論都有著極為相似的看法。

地球在運動的思維

 我國古代很早就有「地球本身在運動」的想法。戰國時代的《庄子.天運篇》中問道:「天其運乎?地其處乎?日月其爭於所乎?孰主張是?孰維綱是?孰居無事推而行事?意者其有機緘而不得已邪?意者其運轉而不能自止邪?」這段話白話的來說是:「天是運動的嗎?地是靜止的嗎?日月是交替升降的嗎?什麼力量主宰著它們?什麼力量制約著它們?什麼力量無緣無故地推動著它們?莫非它們有什麼機制不得不如此?莫非是它們的運動無法停止?」西漢末年的《尚書經.考靈曜》中有段話是用地球的運動來解釋所看到的太陽每天在南方高度之周年變化,在提到地動而人無知覺時說道:「地恒動不止,而人不知,譬如人在大舟中,閉牖而坐,舟行而不覺也。」竟和後來哥白尼在《天體運行論》中的說詞完全雷同(圖1)。

 宋代張載對地球在運動的思維更進一步的認為:天根本不是一個固體殼層,而是一團氣,恒星在天以較快的速度自東向西運轉(天左旋),日、月、金木水火土五行星和地球也一起「順天左旋」,但速度又依次稍慢,因而從地球上看去,它們在恒星為背景下又有自西向東的運動。如此,張載即用星體相對運動的概念,來說明我們所看到的恒星、日、月、行星的複雜運動情況(圖2)。

圖2.圖上逆時鐘方向繞日公轉的紅色火星和地球的相對運動,使得我們在地球上可看到如圖上方的火星運行軌跡。 3.圖左上角的窺衡和圖右下方惠更斯以框架吊透鏡免除受風影響的長焦距望遠鏡筒。

窺管、窺衡

 窺管或窺衡(圖3) 是我國古天文觀測中極重要且特殊的設施,它位在依據渾天說研製而成的渾天儀正中央,是整個觀測儀的靈魂組件,相當於現今的天文望遠鏡。窺管原本可能僅是根銅管,但由於管壁會反光而造成觀測的不便,該怎麼辦呢?是該讓近端(目鏡處)較寬?還是該讓遠端(物鏡處)較寬?是該使用圓筒管?還是使用方形管?基於此,元代郭守敬發展出了除兩端外空無一物的「窺衡」,免去星光在管壁上反射所帶來的困擾。這種除去管子結構的窺衡觀測裝置,至少比公元1659年惠更斯以框架吊透鏡免除受風影響的長焦距望遠鏡筒之構思早了三百多年(圖3)。除此之外,郭守敬還在窺衡的兩端加裝「十」字裝置,以增加觀測的精準度,這就是現代精密望遠鏡中加裝「十字絲」的鼻祖。(下期待續)