體系形成時期：從春秋到秦漢(公元前770～公元220年)

春秋時期(公元前770～前476年)，中國天文學處於從一般觀察到數量化觀察的過渡階段。《禮記·月令》雖是戰國晚期的作品，但據近人考證，它所反映的天象是公元前600年左右的現象，應能代表春秋中葉的天文學水平。它是在二十八宿產生以後，以二十八宿為參照物，給出每月月初的昏旦中星和太陽所在的位置。它所反映的天文學水平要比《夏小正》所述的高得多。同時，記錄這一段歷史的《春秋》和《左傳》，都載有豐富的天文資料。從魯隱公元年(公元前722年)到魯哀公十四年(公元前481年)的242年中，記錄了37次日食，現已證明其中32次是可靠的。魯庄公七年(公元前687年)「夏四月辛卯夜，恆星不見。夜中，星隕如雨」，這是對天琴座流星雨的最早記載。魯文公十四年(公元前613年)「秋七月，有星孛入於北斗」，這應該是關於哈雷彗星的最早記錄。大概在春秋中葉(公元前600年左右)，我國已開始用土圭來觀測日影長短的變化，以定冬至和夏至的日期。那時把冬至叫作「日南至」，以有日南至之月為「春王正月」。中國科學史專家錢寶琮的研究認為：《左傳》里有兩次「日南至」的記載，間距為133年。在這133年中，記錄閏月4日次，失閏1次，共計應有49個閏月，恰合「十九年七閏」。又兩次「日南至」之間的天數為809個甲子周期又38日，即48578日，合一年為：365又33/133日。為簡便起見取尾數為四分之一。凡以這個數字為回歸年長度的曆法，就叫作「四分曆」。在漢武帝改歷以前所用的古代六種曆法(黃帝歷、顓頊歷、夏曆殷歷、周曆、魯歷)都是四分曆；之所以有不同的名稱或因行用的地區不同，或因採用的歲首不同；名稱並不代表時間的先後，它們大概都是戰國時期創製的。因為戰國時期的四分曆採用一年為365.25日，而這也正是太陽在天球上移動一周所需的時間(實際上是地球運動的反映)，所以中國古代也就規定圓周為365.25度。太陽每天移動一度，這個規定構成中國古代天文學體系的一個特點。隨著觀測資料的積累，戰國時期已有了天文學的專門著作，齊國的甘公(甘德)著有《天文星占》八卷，魏國的石申著有《天文》八卷。這些書雖然都屬於占星術的東西，但其中也包含著關於行星運行和恆星位置的知識，所謂《石氏星經》即來源於此。春秋戰國時代，各諸侯國都在自己的王公即位之初改變年號，因此各國紀年不統一。這對各諸侯國的政治經濟、文化交流十分不便。於是有人設計出一種只同天象聯繫，而與人間社會變遷無關的紀年方法，這就是歲星紀年法。歲星即木星，古人認為它的恆周期是十二年。因此，若將黃、赤道帶分成十二個部分，稱為十二次，則木星每年行經一次。這樣，就可以用木星每年行經的星次來紀年。歲星紀年法後來不斷演變，到漢以後就發展成為干支紀年法。戰國時期(公元前476～前221年)的巨大社會變革和百家爭鳴的局面，促進了天文理論的發展。此時關於氣是萬物本原的觀念，後來影響到天文學理論的許多方面。這期間的許多著作中都提到了天文學的內容，如《莊子·天運》和《楚辭·天問》提出一系列問題，而且問得很深刻。例如，宇宙的結構怎樣？天地是怎樣形成的？等等。為了回答第一個問題，出現了蓋天說，先是認為「天圓如張蓋，地方如棋局」，後來又改進成為「天似蓋笠，地法覆磐」。關於第二個問題，從老子的《道德經》和屈原的《天問》中所述及的內容來看，大概在戰國時代已有了回答。但是，明確而全面的記載則始見於漢代的《淮南子》(約成書於公元前140年)。《淮南子·天文訓》一開頭就講天地的起源和演化問題，認為天地未分以前，混沌既分之後，輕清者上升為天，重濁者凝結為地；天為陽氣，地為陰氣，二氣相互作用，產生萬物。《淮南子》這部著作，不但彙集了中國上古天文學的大量知識，而且第一次把天文學作為一個重要的知識部門，專立了一章來敘述，把樂律和計量標準附在其中，對後來的著作有一定影響。戰國以後，與農業生產有密切關係的二十四節氣也在逐步形成，它們的完整名稱也始見於《淮南子》。二十四節氣，簡稱「氣」，這是中國古代曆法的陽曆成分，而「朔」則是中國古代曆法的陰曆成分，氣和朔相配合構成中國傳統的陰陽曆。秦統一中國以後，在全國頒行統一的曆法——顓頊歷。顓頊歷行用夏正，以十月為歲首，歲終置閏。以甲寅年正月甲寅朔旦立春為曆元，在曆元這一天，日月五星同時晨出東方。漢承秦制，用顓頊歷，一直沿用到太初年間。從漢初到漢武帝，經過一個世紀的休養生息以後，為了適應農業、手工業和商業的發展，漢武帝採取許多重要措施，其中包括曆法改革。他於元封七年(公元前104年)五月頒行鄧平、落下閎等人創製的新曆，改此年為太初元年。新曆因而被後人稱為《太初曆》。《太初曆》是中國第一部有完整文字記載的曆法，它的朔望月和回歸年的數據雖然不比四分曆精確，但有以下顯著進步：以正月為歲首，以沒有中氣的月份為閏月，使月份與季節配合得更合理；將行星的會合周期測得很准，如水星為115.87日，比今測值只小0.01日；採用135個月的交食周期，一周期中太陽通過黃白交點23次，兩次為一食年，即1食年=346.66日，比今測值大不到0.04日。由於太初曆的回歸年和朔望月的數值偏大，《太初曆》用了188年以後，長期積累的誤差就很可觀了，於是在東漢元和二年(公元85年)又改用《四分曆》，這時使用的回歸年長度雖和古代的四分曆相同，仍為365.25日，但在其他方面則大為進步。在討論《四分曆》期間，賈逵大力宣傳民間天文學家傅安從黃道測定二十八宿的距度和日月的運行的作法，決然地把冬至點從古四分曆的牽牛初度移到斗21.25度，這是祖沖之發現歲差的前導。賈逵還確證月球運動的速度是不均勻的，月球的近地點移動很快，每月移動三度多。為表示這種變化，他提出「九道術」，企圖用九條月道來表示這種運動(這樣做與五行觀念有關)。東漢末年，劉洪在《乾象曆》中第一次把回歸年的尾數降到1/4以下，成為365.2462日，並且確定了黃白交角和月球在一個近點月內每日的實行度數，使朔望和日月食的計算都前進了一大步。《乾象曆》還是第一部傳世的載有定朔演算法的曆法。東漢時代(公元25～220年)，中國出現一位多才多藝的科學家，那就是張衡。他以發明候風地動儀聞名於世。在天文學方面，他是渾天說的代表人物，主張「天圓如彈丸，地如卵中黃」；並且在耿壽昌所發明的渾象的基礎上，製成漏水轉渾天儀演示他的學說，成為中國水運儀象傳統的始祖。除了蓋天說和渾天說以外，比張衡略早的郗萌還提出他先師宣傳的宣夜說，這個學說認為並沒有一個硬殼式的天，宇宙是無限的，空間到處有氣存在，天體都漂浮在氣中，它們的運動也是受氣制約的。兩漢時期對天象觀察的細緻和精密程度，令人十分驚嘆。1973年在湖南長沙三號漢墓出土的帛書中有關於行星的《五星占》8000字和29幅彗星圖。前者列有金星、木星和土星在七十年間的位置，後者的畫法顯示了當時已觀測到彗頭、彗核和彗尾，而彗頭和彗尾還有不同的類型。《漢書·五行志》記載征和四年(公元前89年)的日食，有太陽的視位置，有食分，有初虧和復圓時刻，有虧、復方位，非常具體；而河平元年(公元前28年)三月關於日面黑子的記載。則是全世界最早的記錄。《漢書·天文志》說：「元光元年六月，客星見於房」，這正是希臘天文學家喜帕恰斯所見到的新星，但喜帕恰斯沒有留下關於時間和方位的記載。自漢代以來關於奇異天象記錄的詳細和豐富，構成中國古代天文學體系的又一特色。總之，到漢代為止，中國古代天文學的各項內容大體均已完備，一個富有特色的體系已經建立起來。
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