古天文（從宋初到明末）

唐末的藩鎮割據和五代十國的混亂局面，以來的統一而告結束。中國的封建經濟在宋代(公元960～1279年)得到進一步的發展。生產的發展又大大地推動了科學的前進，被馬克思譽為「最偉大的發明」的火藥、印刷術和指南針，就是中國人在末代完成的。作為自然科學之一的天文學在這一時期也取得許多重要成就。關於1006年和1054年的超新星的出現，特別是1054年的超新星記錄，成為當代天文學研究中極受重視的資料。在這顆超新星出現的位置上，現在遺留有一個蟹狀星雲，這是當代最感興趣的研究對象之一。這一時期先後進行過五次恆星位置測量：第一次在大中祥符三年(公元1010年)，第二次在景枯年間(公元1034～1038年)，第三次在皇枯年間(公元1049～1053年)，第四次在元豐年間(公元1078～1085年)，第五次在崇寧年間(公元1102～1106年)。其中元豐年間的觀測結果被繪成星圖，刻在石碑上保存下來，這就是著名的蘇州石刻天文圖。元豐年間的觀測結果，同時也以星圖的形式保存在蘇頌著的《新儀象法要》中。《新儀象法要》是為元枯七年(公元1092年)製造的水運儀象台而寫的說明書，它不但敘述了150多種機械零件，而且還有60多幅圖，是研究古代儀器的極好資料。蘇頌和韓公廉在完成水運儀象台以後，又製造了一架渾天象，其天球直徑大於人的身高，人可以進入內部觀看。在球面上按照各恆星的位置穿了一個個小孔，人在裡面看到點點光亮，彷彿天上的星辰一般。今人把這種儀器也稱為假天儀，它是現代天文館中星空演示的先驅。與蘇頌同時代的沈括在天文學上也有重要貢獻。熙寧七年(公元1074年)他在製造渾儀時省去了白道環，改用計算來求月亮的白道坐標，這是中國渾儀由複雜走向簡化的開始。沈括還用縮小窺管下端孔徑的辦法來限制人目挪動的範圍，以減少照準誤差；又用觀測北極星位置的方法來校正渾儀極軸的安裝方向。他在漏壺方面也有改進，並且從理論上研究了漏壺在不同季節水流速度不等的問題，提出一個相當於真太陽日和平太陽日(見日)長度之差的問題。更重要的是沈括在曆法上獨樹一幟，提出十二氣歷，「直以立春之一日為孟春之一日，驚蟄為仲春之一日，大盡三十一日，小盡三十日；歲歲齊盡，永無閏月。」(《夢溪筆談·補筆談卷二》)這實際上是一種陽曆，由於傳統習慣，這個曆法未能實行。在宋代三百多年間實行過的曆法有18種，其中比較有創造性的是北宋姚舜輔的《紀元》(1107年)和南末楊忠輔的《統天曆》(1199年)。《紀元歷》首創利用觀測金星來定太陽位置的方法；《統天曆》確定的回歸年數值為365.2425日，和現行公曆的平均歷年完全一樣，但比公曆(1582年)的頒行早383年。《統天曆》還提出的回歸年的長度在變化，它的數值古大今小。宋代的思想家對自然現象有較多的討論。在天文學方面討論得較多的是天體的運行和天體的形成問題。其中較有代表性的人物是張載和朱熹。張載提出，一年中間晝夜長短的變化，是陰陽二氣的升降使大地升降所致；一日中間天體的東升西落，是大地乘氣左旋的結果。張載並且認為空間和時間是物質存在的形式，宇宙到處充滿了氣。「氣不能不聚而為萬物，萬物不能不散入大虛，循是出入，是皆不得已而然也。」朱熹雖然主張宇宙循環論，但對於具體天地(相當於太陽系)的形成過程則有完整的見解。他從旋渦水流把物體捲入旋渦中心的現象出發，認為「天地初間只是陰陽之氣。這一個氣運行，磨來磨去。磨得急了，便拶許多渣滓，裡面無處出，便結成個地在中央。氣之清者便為天，為日月，為星辰，只在外，常周環運轉；地便只在中央不動，不是在下」(《朱子語類》卷一)。在今天看來，這個學說自然有很多錯誤，但比起朱熹以前的天體演化思想來卻前進了一步。1276年元軍攻下南宋都城臨安(今杭州)以後，忽必烈把金、宋兩個司天監的人員集中到大都(今北京)，再加上新選拔的一些人才，組成了一支強大的天文隊伍。這支隊伍在王恂、郭守敬主持下，從事製造儀器，進行測量和編製新曆，在短短的五年時間(1276～1280年)中取得了極大的成就，將中國古代天文學推向新的高峰。第一，製造了多種新儀器，其中簡儀、仰儀、高表、景符、正方案和玲瓏儀等都具有新意。簡儀是對渾儀進行革命性改革而成的，它的設計和製造水平在世界上領先三百多年，直至1598年著名天文學家第谷發明的儀器才能與之相比。仰儀是用針孔成像原理，把太陽投影在半球形的儀面上，以直接讀出它的球面坐標值。高表是把傳統的八尺表加高到四丈，使得在同樣的量度精度下，誤差減少到原來的五分之一。景符是高表的輔助儀器，它利用針孔成像的原理來消除高表影端模糊的缺點，提高觀測精度。正方案是在一塊四尺見方的木板上畫19個同心圓，圓心立一根表，當表的影端方的木板上畫19個同心圓，圓心立一根表，當表的影端落到某個圓上時就記下來，從早到晚記完後把同一個圓上的兩點聯接起來，它們的中點和圓心的聯線就是正南北方向；如果把它側立過來，還可以測量北極出地高度，這是一種便於攜帶到野外工作的儀器。玲瓏儀和蘇頌、韓公廉所造的渾天象相似，是一種可容人在內部觀看的表演儀器。1281年以後，郭守敬還創製了不少新儀器，其中大明殿燈漏是最突出的一項。它是一個外形像燈籠球用水力推動的機械報時器。上面還布置有能按時跳躍的動物模型，這同歐洲在機械鐘錶上附加的種種表演機械是一樣性質的。第二，進行了一次空前規模的觀測工作。在全國27個地方設立觀測所，測量當地的地理緯度，並在南起南海(北緯15度)，北至北海(北緯65度)，每隔10度設立一個觀測站，測量夏至日影的長度和當天晝夜的長短。第三，對一系列天文數據進行實測，並對舊的數據進行檢核，選用其中精密的數據。例如，回歸年數值取自南宋《統天曆》，朔望月、近點月和交點月的數值取自金趙知微重修的《大明曆》(1181年)和元初耶律楚材《西征庚午元歷》。對於二十八宿距度的測量，其平均誤差不到5"，精確度較宋代提高一倍。新測黃赤交角值，誤差只有1"多。第四，在大量觀測和研究的基礎上，於至元十七年(公元1280年)編成《授時歷》，並於次年起實行。《授時歷》用三次差內插法來求太陽每日在黃道上的視運行速度，和月亮每日繞地球運行的速度，用類似球面三角的弧矢割圓術，由太陽的黃經求它的赤經赤緯，求白赤交角，以及求白赤交點與黃赤交點的距離。這兩種方法在天文學史和數學史上都具有重要地位。《授時歷》從元代一直用到明亡(公元1644年)。在明代把它改名為《大統歷》，但方法上只是把北京所見的日出日沒時刻改為南京所見的時刻，以洪武十七年(公元1384年)為曆元，省去了回歸年百年消長之法等，其他都無改變。元明兩代除通用的《授時歷》以外，在中國少數民族中間還流行一種從阿拉伯傳來的《回曆》。至元四年(公元1267年)，西域天文學家札馬魯丁進呈《萬年曆》，忽必烈曾頒行過。同年，札馬魯丁負責製造七件阿拉伯天文儀器，其中包括托勒密式的黃道渾儀、長尺，以及地球儀和星盤。至元八年(公元1271年)設立回回司天台於上都(今內蒙古自治區正藍旗境內)，每年頒行回回曆書。元亡明興，將回回司天監人員遷至京師，在欽天監內設回回科，計算天象，頒布曆書，與《大統歷》進行比較，同時還翻譯了一些天文書籍。明洪武十五年，政府令吳伯宗、李腫和海達爾、阿答兀丁、馬沙亦黑、馬哈麻等合譯波斯人闊識牙耳的《天文寶書》四卷，次年二月譯成。書中說星分六體，這是星等概念在中國的初次出現，列有12個星座共30顆星的星等和黃經。成化六年至十三年(公元1470～1477年)貝琳將元統翻譯的《七政推步》整理出版，這是一部系統介紹阿拉伯天文學的著作，其中包括277顆星的黃經、黃緯和星等的恆星表，這是中西星名第一次對譯工作。《七政推步》中的曆法部分，後經梅文鼎摘要編入《明史·歷志》中，成為中國古代天文學的一個組成部分，在幾個兄弟民族中一直沿用到今天。
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