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宋朝的天文成就

2018-07-17 15:22:27来源: 人学研究网 已浏览人数:
天体周而复始不断地在天穹运动,不同时刻它们的位置不同,因此,在使用浑仪观测天体时,相应地也要有良好的计时仪器,客观需要提出了提高漏刻精度的要求。

珍贵的天象记录

宋代很重视天象观测,为了避免天文观测人员谎报、漏报、错报天象,同时也为了提高司天监人员的责任心,除司天监外,还在皇宫内再设天文院,也进行天象观测,并于次日清晨用以核对司天监的报告。于是司天监与天文院两边的天文观测人员都不敢懈怠,故天象记录多而详细,有些记录具有重要的科学价值。

1006年在豺狼座爆发了一颗超新星,据研究,这颗星最亮的时候达到9.5 等,即当时的亮度约相当于满月亮度的十分之一。这次爆发所留下的遗迹是一个射电源,仍为现代天文学家所关注。关于这颗超新星的爆发,宋代留下了较详细的记录。如《宋史・天文志》载: “景德三年(1006)四月戊寅周伯星见,出氐南骑官西一度,状如半月,有芒角,煌煌然可以鉴物,历库楼东。八月,随天轮入浊。十一月复见在氐。自是,常以十一月辰见东方,八月西南入浊。” 《宋会要辑稿・瑞异一》载: “(景德三年)五月一,司天监言:先四月二日夜初更,见大星,色黄,出库楼东、骑官西,渐渐光明,测在氐三度。”

另一颗超新星更为著名,就是 1054年爆发的天关客星。《宋史・天文志》记录是: “至和元年五月己丑, (客星)出天关东南,可数寸,岁余稍没。”《宋会要辑稿・瑞异一》记录是:宋仁宗至和元年(1054)七月二十二日,“守将作监致仕杨惟德言:伏睹客星出见,其星上微有光彩,黄色。”同书记宋仁宗嘉祐元年(1056)三月, “司天监言:客星没,客去之兆也。初,至和元年(1054)五月晨出东方,守天关。昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日。”现代天文工作者根据这些历史记载和当前这颗超新星遗迹的状态,确定了这颗超新星的类型。他们从所记载的星的位置,最大亮度,从最亮到看不见所经历的时间,分析出它的爆发机制和爆发后的演化。现在已知,天关客星的遗迹是一个美丽的蟹状星云,星云中还有一颗中子星。它是一个强射电源,有强 x射线辐射、γ射线辐射和红外辐射等。这些都引起现代天体物理学家的极大兴趣。

沈括有一条天象记载也受到现代科学家的高度评价。 《梦溪笔谈》所记载的是宋英宗治平元年(1064)的一次陨石降落: “常州日禺时,天有大声如雷,乃一大星几如月,见于东南。少时而又震一声,移著西南。又一震而坠在宜兴县民许氏园中。远近皆见,火光赫然照天,许氏藩篱皆为所焚。是时火息,视地中只有一窍,如杯大,极深,下视之,星在其中荧荧然,良久渐暗,尚热不可近。又久之,发其窍,深三尺余,乃得一圆石,犹热,其大如拳,一头微锐,色如铁,重亦如之。”短短不到 200字,将陨石降落的整个过程写了出来,对声、光、色、温、地点、过程、形状、重量、密度和降落时间等作了全面详细的描述。

天文仪器的制造

宋代制造过许多大型的天文仪器。如宋太宗太平兴国四年(979)正月,来自四川的民间天文学家张思训设计并于次年制成一台水转浑象,通称“太平浑仪”,起楼高一丈有余。这台浑象改水力推动为水银推动,以解决冬天因水流凝冻迟涩而影响仪器运转速度的问题。与浑象运转联动的报时装置,胜过东汉张衡及后来的一些同类仪器,小木人也增加到十多个。 《宋史・天文志》载: “值神左摇铃、右扣钟、中击鼓,以定刻数。每一昼夜,周而复始。又以木为十二神,各值一时,至其时,则自执辰牌,循环而出,随刻数以定昼夜长短”。七值神即七曜值日,实际上,这是一个带有日历显示的时钟,是采用星期制的报日和报时装置。其中由金、木、水、火、土加日、月表示七值周期,以金曜日为七值周期之首。这种记日制度,早在唐代《符天历》和五代时期的《调元历》中已经使用,宋代建隆四年(963)起行用的《应天历》中,也有七值内容。此外,在一天之内又分十二辰,由十二神轮流出现报出时辰,而时初、时正和刻数则分别由铃、钟、鼓声报出。张思训的仪器继承和发展了唐代一行和梁令瓒的成果,并对后来的仪象设计产生了一定的影响。他也因创制仪器有功而升任司天浑仪丞。

宋太宗至道元年(995),天文学家韩显符制成一台供观测用的铜浑仪,通称“至道铜候仪”。大中祥符三年(1010)他再造一台相类似的浑仪,专门用于司天台培养观测生的教学。此外,皇祐三年(1051)舒易简、于渊、周琮等人制成黄道浑仪;熙宁三年(1070)沈括、皇甫愈等人制成熙宁浑仪。这些仪器每台用铜量都在两万斤左右,各自有一些新的创造。如皇祐浑仪,它的时间分划一改在地平环上刻度的旧制,而改刻在固定的赤道环上,正确反映了天体位置随时间变化的规律。熙宁浑仪简化结构,从计算上去解决月亮在白道上的位置,将浑仪上的白道环取消,使用方便,而且提高了测量的精度。

天体周而复始不断地在天穹运动,不同时刻它们的位置不同,因此,在使用浑仪观测天体时,相应地也要有良好的计时仪器,客观需要提出了提高漏刻精度的要求。天圣八年(1030)燕肃发明莲花漏,在多级漏壶(上匮和下匮)的最后一级漏壶(下匮)上部开孔(分水孔),使壶中的水位恒定地保持在孔下,多余的水由孔经注水筒(竹注筒)流入减水盎。由于末级漏壶水位恒定,所以漏水均匀,提高了计时精度。皇祐初期,舒易简、于渊、周琮等人又在莲花漏的基础上,再加一级恒定水位的平水壶,从而使漏刻的精度进一步提高。

宋代最为精巧的天文仪器,当推苏颂领导研制成功的水运仪象台。元祐元年(1086),苏颂奉旨校验天文院和太史局两处的新旧浑仪,考察中他发现同一台仪器由不同的人去操作,所得测量结果不同,他们“各指得失,终无定论”。于是他想制造一种以水为动力,浑仪和浑象联动并能与天同步运动的仪器。另外,一行、张思训已将这种仪器与报时装置集为一体,所以新的仪器还要同时解决报时问题。苏颂首先遇到的困难是缺乏参考资料,正如他自己所写: “张衡之制,史失其传;开元旧器,唐世已亡”,本朝“太平浑仪,自思训死,机绳断坏,无复知其法制者”,所以制作新仪必须重新设计。经过苏颂与精通数学、天文学并有巧思的吏部守当官韩公廉等人的反复研究和精心设计,新仪从元祐二年(1087)开工制造,三年制成木样,经鉴定和检验后,据此正式铸造铜仪。元祐七年(1092),这座中国古代最宏伟、最复杂的天文仪器建成,宋哲宗赐名“元祐浑天仪象”,后人通称“水运仪象台”。

苏颂实现了将浑仪、浑象和报时结合于一体的设想,整座仪器使用水力 为动力,经变速、传动和控制使三部分仪器联动并能跟踪天体运行。仪器总高约 12米,宽约 7米,分上、中、下三层,底层是动力与传动装置和报时钟,中层密室中转动着的是浑象,上层为浑仪。浑仪上的望筒可对准并可自动跟踪天体,而随望筒运动的三辰仪时圈则可指示出时间的变化,此外,浑仪所在小室的屋顶可以启闭,这与现代天文台上的望远镜转仪钟与活动圆顶作用相同。

水运仪象台的报时部分也精巧绝伦。它共分五层,其中三层用于白昼报时,两层用于夜间报时,共有承担报时职能的木人 254个,每个时辰分时初与时正,分别由左门小人摇铃和右门小人敲钟报出,每至一刻由中门小人击鼓。第二、三层的木人分别举辰牌与刻牌,当非正点辰刻没有报时声的时候可从牌上看出当时的时辰与刻数;第四、五层的木人敲钲以报更,没有报更声的时候可从木人所举更牌上看出更次。水运仪象台的整台仪器由水提供动力自动运转。它的又一项重要发明是其“天衡”装置,它类似于近代钟表的擒纵器(卡子),控制着仪器,使之均匀运动。国际科学史界对水运仪象台的评价极高,认为它是现代钟表的祖先。关于它留下了较详细的记载,特别是其机械结构、装配图等都收于苏颂所著的《新仪象法要》一书中。苏颂还制造过另一台大型天文仪器,据《玉海》记载,它是一架假天仪,“大如人体。人居其中,有如笼象。因星凿窍,如星以备。激轮旋转之势,中星、昏、晓,应时皆见于窍中。星官历翁,聚观骇叹,盖古未尝有也。”据研究,这台仪器的主体是用竹条制成的球体,很像一个圆形笼子。表面上再用不透明的纸绢裱糊,并按星宿位置校算开孔。人坐在密封的球内,球面上小孔透过来的光如同夜空中的繁星。这种便于演示和观察天体运行的仪器,可以说是今日天象仪的鼻祖。

宋代制造的天文仪器,数量众多,精密复杂,并有不少创新,这是中国古代天文学发展进入高峰的重要标志。

恒星测量与星图

恒星测量是天文学的基础工作,而星图则是观测恒星的记录和查找恒星的一种工具。中国古代的星图大致可分为两类,一类是天文学家作为认识和记录天空中星官位置而绘制的星图,另一类是多为装饰用的示意性质的星图。五代吴越钱元祐墓及其妃子吴汉月墓后室顶部各有一块石刻星图,这是我国现存最早的石刻天文图。这两幅星图的直径约 1.9米,比后来南宋苏州石刻天文图大了一倍,刻星各约 180颗左右,虽是示意性质,但位置比较准确。

宋代是进行全天恒星观测最多的时期,先后进行过七次较大规模的恒星测量。如宋太宗太平兴国年间(976—984)作了二十八宿距度测量。又据《文献通考》和《玉海》记载,宋仁宗时曾查阅开国之初的恒星记录,见“止截二十八舍及大角至屏星四十二官”,并查知这次测量是因为发现当时的观测值与唐一行所测不相同,为了占考“灾祥之度”,进而实测了这些星,其结果与开元年间的测值相差两三度甚至五度。大中祥符三年(1010),韩显符等用其制造的浑仪又补测了外官星的位置。

景祐年间(1034—1038),再一次测量了二十八宿距度及周天恒星。当时宋仁宗下令要编一部新的星占书《景祐乾象新书》,为使历代诸家占语与当时天象相符,所以要求重新测量恒星位置,主持测量的则是韩显符的授业学生杨惟德。这次测量比以前测量的星数要多。 《景祐乾象新书》中曾列有一张周天星座入宿、去极度数表,可惜这份星表已经失传,仅在《宋史・天文志》中载有其中关于二十八宿距星的实测结果。皇祐年间(1049—1054),周琮等人用所铸黄道铜仪重测二十八宿及周天恒星。这次观测所使用的仪器刻度精确,并且改进了漏刻,因而取得了极有价值的成果。这些观测结果后来被收入北宋王安礼重新修订删改的《灵台秘苑》一书。其内容包括 345个星官的距星的入宿度和去极度。这是我国现存明末以前所收星数最多的一份星表。

元丰年间(1078—1085)又进行一次恒星测量,测量精度也比较高。这次测量的成果被绘成星图,并刻石保存下来,这就是现存苏州博物馆的著名的苏州石刻天文图。图碑高 2.16米,宽 1.06米,上半部为星图,外径 91.5厘米,下半部为天文图碑文,总共刻星 1431颗。原图为绍熙元年(1190)黄裳绘制,南宋淳祐七年(1247)由王致远刻石成碑。该图将中原地区可见星空展现在一幅图中,不但星位准确,而且二十八宿、三垣、十二次、内规、赤道、外规、分野、星官联线、星官名称都刻得清清楚楚。苏州石刻天文图是研究宋代全天星空的宝贵资料。明代正德元年(1506)的江苏常熟石刻天文图,则是根据苏州石刻天文图经订正翻刻而制成的。北宋的重要星图还有苏颂《新仪象注要》一书中所附的五幅星图。据研究,这些星图也是实际观测的结果,就画法而言,则属于两种不同的投影系统。其一是两幅赤道带横图及一幅北极区圆图,按天区分别画出全天恒星,图上用经线将二十八宿隔开。这种系统避免了盖天式圆图在南纬星区的失真问题,较科学地表现出全天星空。另一系统是将整个天球沿赤道剖开,北半天球以北极为心,画一圆图,南半天球以南极为心,另画一圆图,而南极附近恒隐圈内的星空在北半球的北宋都城汴京(今开封)是看不见的,所以图上空着,留待补充。这种形式新颖的全天星空表示法是苏颂等人的首创。

绍圣二年(1095)再测二十八宿距度,崇宁年间(1102—1106)又一次重测。上述几次恒星测量比较起来,以姚舜辅等人主持的崇宁年间的测量,目标最为明确,这次测量是为编撰《纪元历》作准备的,而所得测量结果也最为精确。如据研究,其二十八宿距度误差的绝对值平均只有 0.15度,在没有望远镜的时代,这实在是相当精确的测量了。

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参考文献:

白寿彝:《中国通史》,第七卷 中古时代·五代辽宋夏金时期,第八十九章“天文学”,上海人民出版社,2004年版。

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