隋唐五代科技史之隋唐五代的天文历法

隋唐五代的天文历法
　　伴随着封建经济的发展，隋唐五代时期的天文历法取得了卓越的成就。
　　唐政府设置太史局（或叫浑天监、司天台等），内置天文博士、历法博士、天文观生、历生等，掌管天文，制定历法。这一时期涌现出一大批优秀的天文学家，如刘焯、张胄玄、李淳风、僧一行、傅仁钧等。他们在总结前代天文历法研究成果的基础上，努力探索，不断创新。在天文测量、历法编纂、测量仪器的改进等方面取得了重大进展，谱写了光辉的篇章。
　　（一）定朔法的应用及历法的改进
　　准确推算合朔的时刻，一直是历法中的一个重要问题。在南北朝以前，由于人们还不完全知道日、月的视运动是不均匀的，在历法中一直采用平朔法来确定合朔时刻，用平气来定节气。也就是说用一个朔望月的平均日数确定合朔时刻，这种方法因其所取的分数不是过大，就是过小，推算合朔发生的时刻不是提前就是推后，不能得到真正的合朔时刻。他们曾用调整分数的方法来解决这个问题，但是由于日、月的运动速度是随时间不同而变化的，因此都不能从根本上解决这一问题。平气也是同样，他们根据一年太阳行一周天，每天太阳行一度，一年是３６５度，认为每个节气日数也是相等的，推算出每气１５。２日。这样定出的节气也不符合实际情况，产生不准的问题。
　　公元１世纪，天文学家发现了月亮视运动的不均匀性，曾提出用月亮的实际运行情况，来确定合朔时刻，即定朔法，但都遭到非难。关于平朔、定朔的争论十分激烈，多次反复，延续了数百年。北齐张子信经过多年的观察，发现了太阳的视运动也是不均匀的，提出 日行在春分后则迟、秋分后则速 （《隋书？天文志》）。这一发现对定朔法的应用起到极大的推动作用，根据日、月的实际运行情况来确定合朔日期的定朔法应用势在必行。
　　刘焯（公元５４４- ６１０年），隋初著名的经学家、天文学家。字士元，信都（今河北冀县）昌亭人。对数学和天文学有较深的造诣。 推步日月之经，量度山海之术，莫不覈（ｈé合）其根本，穷其秘奥。著《嵇极》十卷，历书十卷，《五经述议》并行于世 （《隋书？刘焯传》）。他针对当时张宾制定的《开皇历》仍循古蹈旧的问题，曾多次向隋文帝、炀帝上书，批评现行历法，要求改制新历，并于公元６００年编制了《皇极历》。他制定的《皇极历》是当时最好的一部历法。在《皇极历》中，他第一次同时采用日行和月行速度的不均匀性理论，用以推算五星位置和日、月食起迄时刻及食分等。
　　用定朔法代替平朔法，这在我国历法史上是一个重大的突破。他还采用定气的方法，来计算日行度数和交令时刻。他推得春分、秋分离冬至各８８日之多，离夏至各９３日之多。尽管他给定的太阳运行快慢数值与实际不大相符，但一改过去的平气之说，是历法上的一大进步。对岁差的认识，也由于刘焯的努力，在隋代达到了一个新的高度。由于地球是一个椭圆球体，自转轴对黄道平面是倾斜的，地球赤道那里的突出部分受到日月等吸引而引起地轴绕黄极作缓慢的移动。大约２。６万年移动一周，由此产生了岁差现象。冬至点在黄道上大约每年西移５０。２秒，就是７１年８个月差１度。按我国古代所用的度数，也就是７０。６４年差１度。自晋代虞喜（公元３３０年前后）发现岁差，指出 使天为天，岁为岁 （《大衍历？历议》）后，岁差便在历法的计算上得到实际应用。祖冲之是第一个用它来改进历法的人，他实测得冬至点在斗１５度，认为不到１００年相差２度，得出４５年１１个月相差１度。刘焯在他的历法中使用７５年差１度的的岁差数值，已大大接近实际数值，这在当时是很精密的。而当时的西方仍沿用１００年相差１度的数值。刘焯在岁差问题上，还提出黄道岁差的概念。在他之前的历法给出的岁差值都是属于赤道岁差，是由冬至点（或夏至点）赤道宿度的变化求得的。为了精确推算日月五星的行度以得定气和定朔，他曾测定了２８宿的黄道度，并与东汉时代测定的数值进行比较，发觉其中有１１个宿的黄道度有了变化。他认识到这种变化是岁差引起的，曾指出： 岁久差多，随术而变 （《隋书？律历志》）。就是说，为了精确推算当时日、月、五星离冬至点的黄道积度，不能根据过去的而必须根据当时的２８宿黄道度来归算。如果要推算过去或将来的行度，则必须先按岁差求得那时候的２８宿黄道度。一行的《大衍历》接受了刘焯推算黄道日度的原理。刘焯还在推算交食时第一次考虑视差对交食的影响，也就是在地球表面观测天体和在地心观测天体所产生的天体位置差，这在当时都是十分可贵的创见。刘焯编制的《皇极历》，当时因受到太史令张胄玄和张宾等人的排斥，未能施行，但他对天文历法学的贡献却没有埋没。
　　在唐代的２８９年中，历法先后变更了８次。《旧唐书？历志》的记载中， 但取戊寅、麟德、大衍三历法.这确实是三部有价值的历法。
　　唐初傅仁钧制订的《戊寅历》于武德二年（公元６１９年）颁行。这是我国第一部采用定朔法正式颁行的历法，是我国历法史上的重大改革。
　　贞观十九年（公元６４５年）以后，因采用戊寅历出现连续４个大月的情况，反对用定朔的历家认为这是不应有的现象，又改用平朔。至麟德二年（公元６６５年），李淳风以刘焯的《皇极历》为基础加以改进，再用定朔，颁行了《麟德历》。《麟德历》对过去定时分 有章、蔀（ｂù音部，古代历法名词），有元、纪，有日分、度分，参差不齐 （《新唐书？历志》）的情况加以统一，简化了计算过程。为避免连续出现几个大月或几个小月的情况，采用临时变通调整的方法，并在无中气的月分置闰月，在当时受到好评。
　　开元九年（公元７２１年），因《麟德历》所推算的日食不准，唐玄宗命僧一行重新造历。一行全面研究了我国历法的结构，并且参考了当时天竺国（印度）的历法，在此基础上大胆创新，于开元十五年（公元７２７年）编制了闻名中外的《大衍历》。一行是极为严谨的天文学家，他经过认真测量，得出冬至附近日行最快，所以二气之间的时间最短；夏至附近日行最缓，所以二气之间的时间最长，指出了正确的日行快慢规律，纠正了刘焯的错误。
　　他又测知从冬至到春分６个定气间共８８。８９日，日行一象限；从春分到夏至６个定气间共９１。７３日，也行一象限，秋分前后和春分前后情况相同。根据明代授时历实测，从冬至到平春分前三日（定春分），日行一象限，需８８。９１日；从平春分前三日到夏至９３。７１日，日也行一象限，秋分前后相同。可见一行测量的数据是相当精确的。宋代科学家沈括曾说： 开元大衍历最为精密，历代用其朔法.《大衍历》从唐中叶到明朝末年，使用了８００余年。
　　唐时，日本留学生吉备真备把《大衍历》带到日本，在日本广泛流传使用，影响很大。《大衍历》共分７篇：一，步中朔，即计算平朔望、平气；二，步发敛术，计算７２候；三，步日躔术，计算每天太阳的位置和运动；四，步月离术，计算月亮的位置和运动；五，步轨漏，计算每天见到天空的星象和昼夜时刻；六，步交会术，计算日月食；七，步五星术，计算五大行星的位置和运动。在一行以前，历代编写历法，格式不一。自《大衍历》后，一直遵循这种格式，直到明末吸收西方历书的特点才有所改变。可见《大衍历》在我国历法史上的重要地位，一行也因此成为唐代最伟大的天文学家。
　　在唐德宗建中年间（公元７８０- ７８３年），民间曾出现一种《符天历》，系天文学家曹士（ｗěｉ，音伪）所编。它以显庆五年（公元６６０年）为历元，不用上元积年。它以雨水为气首，以一万为基本天文数据的分母，也即把数据化为十进小数，从而大大减轻了计算工作，也简便易行。但不为当时一般历官所重视，被贬称为 小历 ，只在民间受到欢迎，曾流行于唐末、五代直到宋的好几百年之间。历法，本是封建统治权的象征之一，在我国古代一般是不许可各地颁行与中央不同的历法。但由于当时的藩镇割据，中央的历书已不能遍及全国，而人民的生产生活又必须有历书，这就为民间历书的流通创造了条件。
　　（二）一行及其对子午线的测定
　　僧一行（公元６８３- ７２７年），魏州昌乐人，俗名张遂。从小刻苦好学，聪慧过人， 博览经史，尤精历象、阴阳、五行之学 （《旧唐书？一行传》）。
　　因不愿结交权贵武三思而出家为僧，隐居于河南嵩山。出家之后，仍勤奋攻读，求师闻教，在天文、数学等方面造诣很深。公元７１７年，因当时行用的《麟德历》出现误差，被唐玄宗强召入京，令其 考前代诸家历法，改撰新历.一行以极其严肃认真的态度，深入实际，大胆革新，在天文历法学方面作出了卓越的贡献，把我国古代的天文历法研究推向一个前所未有的高度，成为隋唐时期最伟大的天文学家。
　　他的主要贡献，一是和梁令瓒合作，制成了观测天象的铜浑天仪和黄道游仪；二是在天文观测中发现了恒星移动的现象；三是制定了沿用８００年之久的《大衍历》；四是组织在全国各地测量日影，客观上实施了对地球子午线的测定。这些都是旷世纪的工作，尤其是对地球子午线的测定，这在全世界还是第一次。
　　我国古代的历法不但包括了年、月、日的安排，而且还包含了日、月食的预报，各个节气日的昼夜时刻长度等等。这些项目都跟观测地球的纬度有关。开元十三年（公元７２５年），在一行的倡议下，唐政府派南宫说等人到全国１３个地方进行观测。观测的项目包括：这一地点的北极出地高度，冬至、夏至和春秋分日太阳在正南方向的时刻八尺高表的影子长度。在这次测量中，以南宫说等人在今河南省的四个地点进行的一组最重要。他们除了测量北极高度和日影长度外，还测量了这四个地点之间的距离。这四个地点是：白马、浚仪、扶沟和上蔡，它们的地理经度几乎完全相等，误差很小。一行根据这些地点实测所得的数据算出：从白马到上蔡，距离相差５２６里２７０步，（唐代尺度一步等于５尺），夏至日表影的长度差２寸挂零。这一次观测再一次证明古代流传的 南北地隔千里，影长差一寸 的说法是错误的。 千里一寸 的说法，早在公元４４２年（南北朝宋文帝元嘉十九年）就被天文学家何承先所否定了。但是何承先却认为，影差一寸的任意两地，其间南北距离的差总是相等的。这个说法意味着地是平的，结论自然是错误的。隋代刘焯就曾否认这个说法，提出影差和南北距离差的比率不是常数，但他仅是估测，没有实测。一行根据南宫说等人的实测证实了刘焯、李淳风的说法是正确的。他完全放弃了 地隔千里，影差一寸 的概念，而代之以北极高度差１度，南北距离差多少的概念。根据南宫说等人的实测，一行求出南北两地间距离相差３５１里８０步，北极高度相差１度。我国古制１里等于３００步，一步等于５尺，１尺约合２４。５２５厘米，１度等于３６５。２５６５- ３６０度。换算为现代单位，即为南北相距１３１。１１公里，北极高度相差１度。这实际就是测量地球子午线上１度的长度。按现代测量的结果，在纬度３５度处，子午线１度长为１１０。９４公里。一行所得的数据比现代测量的数字偏大２０。１７公里，虽然误差大了一些，但它是世界上第一次对地球子午线长度的实测，具有划时代的意义。西方国家最早关于子午线的测量，是伊斯兰教阿尔曼孟于８１４年在美索不达米亚地方举行的，比我国实测晚了９０年。一行这次测量的地理范围，南到北纬１７度线的林邑（今越南中部一带），北到５２度线的铁勒回纥部（位于现在蒙古人民共和国乌兰巴托西南的喀拉和村遗址附近）。中经朗州武陵（今湖南省常德市）、襄州（今湖北襄樊市）、太原府（今山西太原市）和蔚州横野军（今河北蔚县东北）等１３处。其规模之大也是史无前例的。一行生活在儒、佛、道等封建思想盛行的年代，又是一个僧人，尽管在他的思想中充塞了很多封建迷信的糟粕，但他力行实践，并尊重实践的结果，这是很可贵的。通过这次测量活动，他还初步认识到在很小范围有限的空间得到的认识，不能任意不加分析地扩展到很大甚至是无限的空间去使用，这在我国科学思想史上是一个进步。正如他所说： 古人所以恃句（ｇōｕ，勾的古字）
　　股之术，谓其有征于近事。故未知目视不能远，浸成微分之差，其差不已，遂与术错 （《旧唐书？天文志》）。
　　一行组织的这一次大规模的天文测量活动，开创了我国通过实际测量认识地球的途径，把地球子午线的测量同地面距离结合起来，从中寻找出接近实际的变化规律。彻底推翻了千里差一寸，以地平推算宇宙半径的荒谬观点。
　　从而为制订新的历法提供了较科学的依据，也为后来的大地天文测量提供了基础。一行这次测量的实践活动和数据成果，很可惜没有引起更多人们的重视；根据浑天说中地球如鸡子的猜想，一行和他的同事们如果具有更大胆的精神，完全有可能推算出地球的大小了。由于受历史的限制，我们可以看到，他们把目标过于放在数据的精确性方面，而没有把所得的材料从整体方面综合起来思考，没有去思考大地和日、月、星之间的确切关系和根本运动规律。
　　而当时的哲学家们也把主要精力放在文化性的事物方面，论述天人关系，即使是牵涉到宇宙和天的问题，他们也对天文学家的计算数据乃至新的发现不够注意。唐后期的刘禹锡（公元７７２- ８４２年）和柳宗元（公元７７３- ８１９年）
　　对天的问题很关心，分别写了《天论》和《天说》，但他们不过是从朴素的唯物论出发，指出天命论的错误，从没有考虑大地和日月星辰的结构问题，只把日月星辰的排列运行和山崩地裂等自然现象看成是与神和人事无关而已。但于天体结构则相去甚远，唯有一行在天文史上率先测知子午线这一伟大功勋，才是永远不会磨灭的。
　　（三）浑仪的改进与测天精度的提高
　　浑天仪是我国古代研究天文的唯一测器。自汉以来，天文学家都以制造浑天仪为其首要任务，其制造技术不断改进提高。浑天仪制造技术的提高，也使测量天文常数的精度进一步提高。
　　隋文帝时，耿询（字敦信，丹阳人）就曾改进、试造浑天仪， 不假人力，以水转之 与天象密合。他还曾制作十分精巧的 马上刻漏，世称其妙 （《隋书？耿询传》）。
　　唐初李淳风鉴于当时北魏造的铁浑仪不够精密，因而立意改革，于贞观七年（公元６３３年）造了一架新型的浑天黄道铜仪。同时写了《法象志》一书７卷，论述 前代浑天仪得失之差.李淳风所造的浑仪在前人基础上作了重大改进，它吸收了北魏铁浑仪设有水准仪的优点， 下据准基，状如十字.进一步把浑仪由两重改为三重，就是在六合仪和四游仪之间再安装一重三辰仪。李淳风把张衡浑天仪的外面一层，由地平圈、子午圈和赤道圈固定在一起的一层叫做六合仪，因为中国古时把东西、南北、上下六个方向叫做六合。把里面能够旋转用来观测的四游环连同窥管，叫做四游仪。在这两层之间新加的三辰仪是由３个相交的圆环构成。这３个圆环是黄道环、白道环和赤道环。黄道环用来表示太阳的位置，白道环用来表示月亮的位置，赤道环用来表示恒星的位置。古时把日、月、星叫做三辰，所以称之为三辰仪。
　　三辰仪可以绕着极轴在六合仪里旋转；而观测用的四游仪又可以在三辰仪里旋转。这样就可直接用来观测日、月、星辰在各自轨道上的视运动。由于黄白交点在黄道上有较快的移动，李淳风在黄道环上打了２４９个小洞眼，每过一个交点月，就把白道环移过一对洞眼，较好地解决了实际的需要。浑天仪用三层，是从李淳风开始的。经这样改进后，黄道经纬、赤道经纬、地平经纬都能测定。
　　李淳风黄道浑仪的研制成功，是对天体产生新认识的结果，标志着我国古代在天文学研究方面进入了一个新的阶段。
　　一行在开元九年（公元７２１年）接受修订新历后，提出直接观测太阳视运动的要求。但当时由于李淳风的黄道浑仪亡佚， 官无黄道游仪，无由测候.一行和另一位天文学家梁令瓒合作，制成了铜浑天仪和黄道游仪。
　　铜浑天仪是在汉朝浑天仪的基础上加以改进制成的。一行为了使铜浑天仪能自己转动，应用了古代计时漏壶滴水的原理，在仪器上安装一个齿轮，用漏壶滴水的力量推动齿轮，齿轮带动浑天仪绕轴旋转，每天转动一周，用水力运转仪器反映天体现象。其中还安装有自动报时器， 立二木人于地平之上，前置鼓以候辰刻，每一刻自然击鼓，每辰则自然撞钟 （《旧唐书？天文志》）。整个位置构思精巧，结构精细，在天文钟的发明制作和机械工艺史上都是一个大创造。
　　黄道游仪是在李淳风黄道浑仪基础上加以改进的。先是用木试制，后用铜铁浇铸。铜游仪于开元十三年（公元７２５年）造成，唐玄宗 亲为制铭，置于灵台以考星度.黄道游仪制作时，在赤道环和黄道环上每隔一度都打上洞，使黄道环也可以沿赤道环转动，白道环也可以沿黄道环移动，成为 动合天运，简而易从 的天文观测仪器。
　　由于天文仪器的改进和人们艰苦的探索，这一时期的天文测量和天象记录等方面也取得了辉煌的成果，天文常数的测量精度也进一步提高。如隋代张胄玄的《大业历》（公元６０８年），在五星位置的推算上给出了令人惊叹的五星会合周期的准确值，其中火星误差最大，为０。０１１日，木星和土星的误差均为０。００２日（２。８８分），水星仅差０。００１日（１。４４分），而金星则达到密合的程度。又如这一时期的十余种历法中所用交月点的长度同理论推算值之间的差异，绝大多数均在１秒以下。近月点长度值的误差为１。５秒左右，达到了历法史上精确度的高峰。关于交食周期的数值，也达到十分精确的程度。郭献之的《五纪历》（公元７２６年）中采用７１６个朔望月１２２次食季的交食周期，这同１９世纪末西方的所谓纽康（Ｎｅｗｃｏｍｂ，Ｓｉｍｏｎ，美，１８３５- １９０９年）周期是相等的。以后边冈的《崇玄历》（公元８９３年）使用了３０８７个朔望月有５２６食季的交食周期，由此推算得交食年的长度为３４６。６１９５４１２日，这同理论推算值仅有１４秒的误差。再如徐昂的《宣明历》（公元８２２年）所用的黄赤交角值为２３°u65299X４′５５″，仅比理论值小３７″。
　　一行用他制造的仪器在唐开元十二至十三年（公元７２４- ７２５年），重新测定１５０余颗恒星的位置，同时也测量了二十八宿距离北极的度数，经过他们的测量，发现与前代测量的数据有很大差异，从而推断出恒星在天体上的位置也在缓慢地移动，并不象古人认为恒星位置是永恒不动。早在唐初贞观年间（公元６２７- ６４９年），李淳风为修《麟德历》而进行的观测中，就已发现了二十八宿距星间的距度有变化，但他在这个问题上陷入保守。而一行则在自己的历法中革除了沿用几百年的陈旧数据，改用自己测定的数据。这在世界天文史上是第一次。１７１８年，英国天文学家哈雷测量恒星的黄道度和古希腊不同，提出恒星移动的理论，这已比一行的观测结论晚近１０００年了。在敦煌发现的唐代星图上标有１３５０颗星，是当今世界上留存星数最多而又最古老的星图。这份绘于８世纪初的星图，从１２月开始，按照每月太阳的位置，分１２段把赤道带附近的星，用圆筒投影的方法画出来，再把紫微垣画在以北极为中心的圆形图上。据分析它可能是更早星图的抄本，但也表明了我国古代测天成就达到相当高的高度。敦煌星图于１９０７年被英国人斯坦因带走，现存英国伦敦博物馆内。
　　在天象记录方面，也留下了十分珍贵的记录。如唐代对彗星的记载：仪凤元年（公元６７６年）７月丁亥， 有彗星于东井，指北河，长三尺余。东北行，光芒益盛，长三丈，扫中台，指文昌.记录的不仅形象逼真，而且位置准确。《新唐书？天文志》中还记录有彗星分裂的现象，如唐 乾宁三年十月，有客星三，一大二小，在虚、危间，乍合乍离，相随东行，状如■（ｄǒｕ，今简作 斗 ），经三日而二小星没，其大星后没.记录的非常细致。
　　由于这个时期天文科学的发展，天文知识的普及也出现繁荣的局面。唐初王希明所作的《步天歌》，以七字一句的诗歌形式专门介绍陈卓星图中２８３个星官，１４６４个星辰的知识。它把全天分为３１个天区，即后世流传的所谓 三垣二十八宿 的分区法。这种对星空的区分方法，一直沿用到近代，这也是《步天歌》的创造。每个天区绘有星图，配上诗句，便于人们对照和背诵，是一部普及天文知识的优秀著作，对古代普及天文学知识起了很大作用。