中國古代天文學成就

06-16

中國天文學動畫﹝干支紀年，節氣，歲差，明製渾儀，水運儀象台﹞

儀器

「渾儀、渾象」	西漢甘露二年 (公元前五二年)，天文學家耿壽昌「鑄銅為象」，製成了有史可查的最早渾象。至東漢年間，天文學家張衡設計和製造第一台「水運渾儀」，它利用水力透過齒輪系統推動渾象本體每天旋轉一周，渾象上所顯示的星體出沒跟實際觀察十分?合。另唐代天文學家李淳風於貞觀七年 (公元六三三年) 所製的渾儀，其結構分外、中、內三層。外層稱六合儀，由子午環、地平環和百刻環交結成固定的框架；中層稱三辰儀，由赤道環、黃道環和白道環等構成，中層各環間的相對位置是固定的，但其整體可繞極軸旋轉；內層叫四游儀，由極軸、赤經雙環和窺管組成。後至唐開元十一年 (公元七二三年)，高僧一行與梁令瓚製造了一台「水運渾天」，比張衡所製的有較大改進。除了渾象本身和「水激輪」的動力部分外，它還附有一個自動報時的機關，由兩個木人敲鐘、擊鼓來報時，每到一刻，一木人自動擊鼓，而每到一個時辰，另一木人則自動敲鐘。兩木人的動作是由木櫃中交錯的「輪軸勾鏈」來推動，並由「關鎖」來控制，「關鎖」的作用和後來擺鐘中的擒縱器原理相仿。李若瑟把一行和梁令瓚這一創造看成世界上第一個擒縱器，並認為他們的「水運渾天」是世界上機械天文鐘的始祖。
「水運儀象台」	宋蘇頌和韓公廉等人研製。是一台把渾儀、渾象以及計時和報時裝置結合起來的大型天文儀器，可說是集宋代以前天文儀器成就之大成。
「巨型圭表」	元代天文學家郭守敬為減少測量的相對誤差，改良舊有圭表而製成了巨型圭表，他把表的高度從八尺延長到四丈，圭長也相應增至一百二十八尺，圭的寬度為四尺五吋，圭面上有一寸深的水渠與水池相連，充水後，可檢驗圭面是否水平。圭由石砌成，而表則為銅製，原長五丈，入地一丈四尺，在圭面上露出三丈六尺，表頂分出兩條龍，支撐著一道橫樑，橫樑至表頂為四尺，故橫樑離圭面正好四丈。在橫樑兩端可繫鉛垂線，以確定表是否直立在圭旁。
「景符」	元代天文學家郭守敬發明。它是一個寬兩寸、長四寸、中間有一小孔的銅葉，北高南低地放在一個架子上。把景符連同架子放在「巨型圭表」的圭面上來回移動，利用小孔成像的原理，可在圭面上清晰地看到太陽和圭表上橫樑的影像。當橫樑的影像正好平分太陽影像時，即可由此正確地讀出日影的長度。據說這種方法所測量的日影長度可準確到兩毫米左右，相當於太陽去極度誤差三分之一角分，在當時實在是難能可貴的精確度。
「窺幾」	元代天文學家郭守敬發明。是「巨型圭表」上的一種附屬儀器。它是一張長方桌，桌面上開有長縫，桌子長六尺，寬兩尺，高兩尺，長縫長兩尺，寬兩寸。將窺幾順著南北方向放在圭面上，人在幾下觀測，幾面狹縫中有兩根界尺，稱為「窺限」。觀測時，使兩根窺限分別與天體及圭表上的橫樑上下邊緣成一直線，然後取兩窺限的中值，由此可算出天體在圭面上的「影長」，從而求出該天體的去極度。
「元觀星台」	元代天文學家郭守敬按照他的「巨型圭表」原理建造，即現存的登封測景台。它是個以測影為主，兼有觀星和記時等多種功能的古天文台。從現存的遺跡中看，它確實是一座十分雄偉的古代天文建築物。

著作

《靈憲》	東漢天文學家張衡編著。其中說：「中外之官，常明者百有二十四，可名者三百二十，為星二千五百，而海人之占未存焉。微星之數，蓋萬一千五百二十。」顯示自司馬遷以後的二、三百年中，中國天文學家觀測和記錄的星數大大增加。又指出：「月光生於日之所照，魄生於日之所蔽。當日則光盈，就日則光盡也...　...當日之沖，光常不合者，蔽於地也，是謂『闇虛』。在星則星微，遇月則月蝕。」說明月光是反照日光的結果，及月之盈虧形成等原理。另外又提出：「宇之表無極，宙之端無窮。」認為我們所在的天地是有限的；但天外有天，在我們的天地之外，還有無窮無盡的世界。張衡還在《靈憲》中討論了天地的起源：「太素之前，幽清玄靜，寂寞冥然，不可為象。厥中惟虛，厥外惟無，如是者永久焉。斯謂溟涬，蓋乃道之根也。道根既建，自無生有，太素始萌，萌而未兆，並氣同色，渾沌不分。故《道志》之言云：『有物渾成，先天地生』。其氣體固未可得而形，其遲速固未可得而紀也。如是者又永久焉，斯謂龐鴻，蓋乃道之干也。道干既育，萬物成體，於是元氣剖判，剛柔始分，清濁昇位，無成於外，地定於內，天體以陽，故圓以動，地體於陽，故平以靜。動以行施，靜以合化，堙鬱構精，時育庶類，斯謂無元，蓋乃道之實也。」張衡把天地萬物的生成演化概分為三個階段，稱為「溟涬」、「龐鴻」及「天元」。「溟涬」是道的「根」基，是形成天地的原始物質處於虛無無形的「太素之前」階段；第二階段是「龐鴻」，是「道」發育的技「干」，物質從無形變為有形，無氣連在一起，顏色相同，渾沌不清；最後是「天元」，是「道」結的果「實」，萬物逐漸有了形體，元氣各自分開，有了剛、柔和清、濁之別，然後天地形成，萬物滋育。
《麟德曆》	唐代天文學家李淳風編定。於唐麟德二年 (公元六六五年)頒行全中國。《麟德曆》以《皇極曆》為基礎而作出許多改進﹔它首次廢除了以前曆法中不少繁瑣的計算，並以一三四零為各種天體運動週期的奇零部分的公分母，因而大大簡化了計算；它採用定朔法，並吸取了《戊寅元曆》的教訓，改變朔的進位方法，避免了連續出現四個大月或三個小月的現象，自此以後，定朔法一直被沿用下去；另外，《麟德曆》中廢除了閏周，完全依靠觀測和統計來求回歸年和朔望月的精密數據；又首次提出了食差的校正項，亦即是改正周日視差對交食的影響。而《麟德曆》的缺點是沒有考慮歲差問題。
《晉書五代史天文律曆志》	唐代天文學家李淳風編著。在書中有關於彗星的論述：「史臣案，彗體無光，傅日而為光，故夕見則東指，晨見則西指，皆隨日光而指。」顯示李淳風當時已發現彗星本身並不放光，只因受太陽照耀而發亮，並指出了彗尾總是背著太陽這一規律﹔比歐洲同一發現早了約九個世紀。

學說

「渾天學說」

東漢天文學家張衡在其著作《渾天儀注》中詳細記述了「渾天學說」：「渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居於內，天大而地小，天表裏有水，天之包地，獨殼之裏黃，天地各乘氣而立，載水而浮。周天三百六十五度四分度之一；又中分之，則一百八十二度八分之五覆地上，一百八十二度八分之五繞地下，故二十八者宿半見半隱。其兩端謂之南北極...　...兩極相去一百八十二度半強。天轉如車穀之運也，周旋無端，其形渾渾，故曰渾天也。」張衡把天地比擬為一枚雞蛋，天象是蛋殼，而大地則是蛋黃處於中心﹔另外，天象如車輪般運轉不止，結果造成斗轉星移的現象，這正是「渾天學說」的基本見解。

「千里差一寸」

中國古代認為，於夏至日在南北兩地用八尺長的表來測量日影長度，若影長相差一寸，兩地應相距一千里，這可說是天文大地測量方法的萌芽。後至唐代，高僧一行等人發展中國首次大規模天文大地測量，証明了這一數據不可靠，「千里差一寸」之說是錯誤的。