宋辽金夏科技史之天文学成就

天文学成就
　　（一）天　文　观　测
　　宋朝廷极为重视天象观测。宋代就进行过五次大规模的恒星观测。大中祥符三年（１０１０年）韩显符对外官星位置进行观测，他以斗宿代替冬至点，用冬至点作起量点，量出外官星与冬至点之间的赤经差，这种赤经差与现代的概念本质上是一样的，只是起量点不同，现代由春分点量起。这与传统的以二十八宿距星为标准，测量天体与二十八宿距星的赤经差是不同的。
　　景佑元年（１０３４年），宋仁宗下令编撰《景佑乾象新书》，进行过周天星座的测量。在《宋史？天文志》中留有当年所测二十八宿距星的位置，可惜的是星表已失。
　　黄佑年间（１０４９- １０５３年）周琮等人用黄道铜仪进行的周天星官的测量，是宋代最值得称道的一次。在北宋王安礼重修北周天文学家庾季才所著《灵台秘苑》和《宋史？律历志》中有记载，其中有３４５个星官的恒星的入宿度和去极度，是现存明代以前星数最多的星表。
　　有趣的是，元丰年间（１０７８- １０８５年）的观测结果载入了《元史》，这一阶段的测量还体现在苏颂《新仪象法要》的星图及苏州石刻天文图二十八宿距的划分上。
　　崇宁年间（１１０２- １１０６年）姚舜辅进行的测量，应用于他编写的《纪元历》中，进一步提高了准确性，在测量中成就最高。
　　这数次大规模的天文观测结果都反映在星图、星表上，表现了我国宋代的天文学发展水平。
　　星图表示的是恒星的分布和排列图形，为了表示恒星的位置，又划有一些标志性的线圈，如黄赤道、恒星圈之类，类似于地图上的经纬线。
　　宋代的星图已由隋代的横图发展到半球式星图。它首先见于苏颂的《新仪象法要》，这是将天球沿赤道分成南北两半球，以极投影方式分别绘出南北两半球的星象。由于中国地处北半球，南极附近一部分星空永不升起，所以北半球的观测者看不到，故这幅南半球星图在南极附近恒隐图内一片空白，这种处理方法在我国星图史上也是首见。
　　北宋时已出现多种星图形式，但古老的盖图式全天星图还在流传，南宋时的苏州石刻天文图，是世界古星图中的珍品。它采用盖图式样，上有黄赤道、内外规和银河，又有二十八宿的分界经线，外围还刻有周天度和分野及二十八宿距离，有星１４００余颗。图中外圆是南天星可见的界线，包括赤道以南约５５度以内的恒星；中圆是天赤道，直径为５２。５厘米；永不下落的常见星用直径为１９。９厘米的小圆界分开，黄道与赤道斜交，交角约２４度，并按二十八宿距星之间的距离（赤经差）从天极引出宽窄不等的经线，每条经线的断点处注有二十八星宿的宿度。再外边还有两个比较接近的圆圈，圈内交叉刻写着十二次、十二辰及州国分野各十二个名称。星图记载了我国北宋许多人辛勤观测的劳动成果，在一定程度上反映了当时天文学的发展水平，对于研究古代星官、论证现代恒星提供了宝贵的史料。石刻天文图的石碑总高８尺，宽３尺５寸，上为天文图，下为说明文字。根据星象位置和所载数据可判断此图采用了北宋元丰年间（１０７８-１０８５年）全天恒星观测数据，１１９０年由黄裳绘制，１２４７年由王致远主持刻在石碑上。最新报道，在张家口宣化县下八里村大型辽代壁画墓群中发现在各墓群顶部彩绘着星象图，一种是受西方古巴比仑黄道十二宫影响，融中国三恒二十八宿为一体的中西合璧彩色星图；另一种把中国古代十二辰象加在上述星图外周；还有一种只用中国太阳太阴二十八宿。这对研究辽代天文历象如何借鉴西方成果提供了宝贵的资料。
　　星图是星空的形象表示，星表则是星官的数值表示。我国古代的第一份星表是战国时代石申的《石氏星表》，而第二份全天星表则是基于宋代皇佑年间的观测，其资料保存在《灵台秘苑》和《文献通考？象纬考》之中，有星３６０颗，能与现代星名证认的有３４５颗。据考察，这份星表的精度大约半度，测定年代约为１０５２年。
　　此外，宋代还有关于超新星观测的记载。《宋会要》记载，至和元年（１０５４年）五月，有星 晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四射，色赤白，凡见二十三日.据考察研究这是一颗爆发的超新星。这是宋代天文观测的突出成就。
　　（二）历法的变迁与发展
　　所谓历法，简单说就是根据天象变化的自然规律，来计量较长的时间间隔，判断气候变化、预示季节来临的法则，内容包括每月日数的分配，一年中闰月、闰日以及节气等项内容的安排等。
　　宋辽金夏时期是我国历法史上最重要的一个时期，为了计算各天体在固定周期内的非均匀运动，发展了二次和三次内插法等数学方法。它们以第一期的均匀运动为基础，再考虑各种非均匀运动的改正，用逐步逼近的方法力求符合天象，构成了中国历法计算的主体。宋从公元９６１年立国到１２７８年南宋灭亡，先后有２０多部历法。北宋就创制了１２种历法，颁行的有９家。如王朴的《钦天历》（公元９５６- ９６３年），王处讷的《应天历》（公元９６４- ９８２年），吴昭素的《乾元历》（公元９８３- １０００年），王睿的《至道历》（未用），史序的《仪天历》（１００１- １０２３年），张奎的《乾兴历》（未用），宋行古《崇天历》（１０２４- １０６４年，１０６８- １０７４年），周琮《明天历》（１０６５- １０６７年），卫朴《奉元历》（１０７５- １０９３年），姚舜辅的《占天历》（１１０３- １１０５年）和《纪元历》（１１０６- １１２７年，１１３３- １１３５年）。南宋的天文学家创制了１１种历法，有陈德一《统元历》（１１３６- １１６７年），刘孝荣《乾道历》（１１６８- １１７６年）和《淳熙历》（１１７７- １１９０年），石万《五星再聚历》（未用），刘孝荣《会元历》（１１９１- １１９８年），杨忠辅《统天历》（１１９９-１２０７年），鲍瀚之《开禧历》（１２０８- １２５１年），李德卿的《淳佑历》（１２５２年），谭玉的《会天历》（１２５３- １２７０年），陈鼎的《成天历》（１２７１- １２７６年）。
　　北宋时沈括在晚年还曾提出《十二气历》，建议废除以十二个或十三个朔望月为一年的传统历法，提出以十二气为一年，以立春为一年之始，大气３１日，小气３０日。把月相的变化以朔望等注于历中。后来太平天国采用的历法，基本与《十二气历》相同；现在普遍采用的公历也是与《十二气历》基本一致的阳历，在月份规定上还不及《十二气历》科学。
　　北宋颁行的历法中，以姚舜辅的《纪元历》成就最高。它创立了观测金星定太阳位置的方法，从而提高了观测太阳运行的精确性。《纪元历》中的许多公式也更为简便、精密。南宋的各家历法，杨忠辅的《统天历》所定回归年长度为３６５。２４２５日，与欧洲３８０多年后颁布的格利高利历完全一致。杨忠辅提出回归年长度不断变化，古大今小，是天文学史上一个重要发现。有关这一点的近代理论６００多年后才提出来。
　　西夏政权有时使用宋历，有时也使用自创的西夏历法。由大英博物馆收藏的西夏历书残页可知，西夏历书以西夏文和汉文书写，有月份、星宿、节气、干支，时间为１０４７年，是迄今最早的西夏文历法文献。西夏历法明显受中原天文学影响，也是分二十八星宿，这在辽宣化张世卿基壁画的星图中可以看出。
　　辽代的历法最初使用后晋马重绩的《调元历》。公元９９４年，贾俊修撰《大明历》，可惜现已失传。金代创制历书，有杨级于１１２７年创《大明历》，赵知微于１１３７年重修《大明历》，耶律履的《乙未历》等。《重修大明历》在月球运动周期方面有较高的精确性，它的黄赤交角与现代理论计算的数值十分接近。
　　（三）宋代的天文仪器
　　１。浑仪、浑象及水运仪象台浑仪是我国古代天文学家用来测量天体坐标和两天体间角距离的主要仪器，它以浑天说为理论基础，历代都有制造。宋代的浑仪主要铸造于北宋，大型的就有５架，每架用铜１００００公斤以上，可见规模之大。宋代浑仪注意精度方面的改良，如窥管孔径的缩小，降低人目移动造成的误差，调正仪器安装水平和极轴的准确，降低系统误差，又发明转仪钟装置和活动屋顶，成为中国天文仪器史上两大重要发明。
　　浑仪到了宋代已是环圈层层环抱的重器，它在天文测量和编历中起了重大作用，但也渐渐显露出了多环的弊病：安装、调正不易，遮蔽天空渐多，使许多天区成为死区，不能观测。因此，宋代之后开始酝酿浑仪的重大改革。
　　沈括提出取消白道环，这是浑仪发展史上的一个转折点。取消白道环代之以用计算的方法确定月亮的位置，改变浑仪中的黄道环、赤道环的位置，使它们不遮挡视线。沈括的工作，为浑仪的发展开辟了新的途径，为元代郭守敬简仪的出现奠定了基础。
　　浑象是我国古代创造表示天体运动的天文仪器，它表演天象的变化，也称浑天象或浑天仪，甚至还与观测用的浑仪混称浑仪。
　　浑象是把太阳、月亮、二十八星宿等天体以及赤道和黄道都绘制在一个圆球面上。它能使人不受时间的限制，随时了解当时的天象。白天可以看到当时天空中看不到的星星和月亮，而且位置不差；阴天和夜晚也能看到太阳所在的位置。用它能表演太阳、月亮以及其他星象东升和西落的时刻、方位，还能形象他说明夏天白天长、冬天黑夜长的道理等。不仅填补了观测的空白，而且能够帮助人们直观、形象地理解日月星辰运动的规律。
　　北宋太平兴国四年（９７９年），民间天文学家张思训汲取汉、唐 水运浑天 的精华，制造了大型的 水运浑天 ，高一丈有余，如同一座小楼房。
　　新仪器进一步完善了其报时设备，它有铃、钟、鼓３种报时信号，设有１２个木人手持时辰牌，循环出来摇铃、击鼓、打钟报告时刻。另外，水运浑象的运行是由漏壶中流出的水带动的。不同温度下，水的粘滞性不同，对浑象的运行速度产生影响。张思训进一步提出解决这一问题的方法，用水银代替水推动浑象运转。他的浑象中，月亮、太阳的运转均由机械带动，基本能自如地如实演示太阳和月亮的运动规律。另外，这台浑象中的太阳与以前的浑象不同，是沿着黄道自然运行的，这样，根据太阳在黄道上的位置也就可以知道当时所处的节气了。
　　将 水运浑天 的制造水平推向高峰的是宋代的苏颂和韩公廉。他们于元佑七年（１０９２年）制成了中国古代最雄伟、最复杂的 水运浑天 ——水运仪象台。苏颂还专门著书立说，写了《新仪象法要》来介绍这座水运仪象台的具体情况。这台仪器包括有浑仪、浑象、报时三部分。最上层设置浑仪，且有可以开闭的屋顶，这已具有现代天文台的雏形。中层是浑象，下层是报时系统。这３部分用一套传动装置和一个机轮联接起来，用漏壶水冲动机轮，从而使浑仪、浑象、报时装置一起转动起来。它的报时除了时刻外，还增加了昏、旦时刻和夜晚的更点等，达到了空前的水平。与实际天象基本相符。
　　据《新仪象法要》记述，在水运仪象台的浑象部分还有３只圆环套在浑象体的外面，构成 浑象六合仪.位于水运仪象台下部的报时系统内容齐全，分为５部分，放在５层木阁中。第一层木阁中用声响报时，与其相应，在第二、三层木阁中用报时牌显示当时的时刻。木阁的第四、五层是专门用来报告夜间时刻的。可见，这台水运仪象台的报时系统更为丰富，更为实用。
　　在水运仪象台中特别值得一提的是天衡，它是报时装置中控制运转的关键部件，是后代钟表中擒纵器的雏形。天衡实际是由受流入水壶中的水量来控制动作的，通过其天关、格叉的每一次动作对枢轮的作用，使枢轮不能转动或让枢轮转过一只受水壶，这样泄水壶中流出的连续均匀的水流流动转换成枢轮的等间距间歇转动。这与现代钟表中擒纵装置的原理和作用极为相似。天衡的结构复杂，设计巧妙，考虑周全，是我国的一大发明。李约瑟说这使我们看到了从漏水计时到现代化机械钟表发展过程中达到关键一环。从中也可以看到，我国最早的机械计时器是同天文仪器结合在一起发展的。
　　苏颂、韩公廉等人在完成了 水运仪象台 之后，还制造了一架一人多高的浑天象，采用了人钻入圆球中观察的方式。他们在球面上相应于天空星象的位置凿有小孔，人在里面可以看到点点光亮，犹如天上的星星一样。天球用水力机械带动旋转，形象逼真。这是近代天象仪的祖先，只是苏颂、韩公廉等人创造的浑天象光源设在外面而不是里面，表演内容比近代天象仪简单一些而已。
　　与以前的水运浑象相仿，位于水运仪象台中部浑象的主要部分——浑象球，是一只遍布星象的圆球，据《新仪象法要》载，浑象上所标示的恒星数目达１４６４个，相当可观。《新仪象法要》中还附有５张星图，绘出了浑象上所标示的那些恒星的相对位置。这些星图是我国古代流传下来的最古老的星图中的一套，在天文学史的研究中具有较重要的地位。据书中所述，浑象中太阳、月亮的位置移动不像张思训的浑仪中由机械带动，而是由人工移动来实现的。这看上去似乎是退步，但由于太阳、月亮的视运动都比较复杂，要用简单的机械运动来演示它相当困难，演示过程总会出现偏离，而采用人工移动的方法，可以很方便地使浑象上所演示的太阳与月亮的位置与实际情况相符，并使机械结构大为简化。浑象还用同样的方法演示了５颗大行星在恒星之间的位置变化情况。为了保证浑象所演示的内容与实际天象完全符合，还根据安放在水运仪象台上层的浑仪所作的天文观测来校验浑象的运行， 以不差为准.这就使浑象的运行速度与天文测时紧密地结合在一起了。
　　根据《新仪象法要》的记述，推运这台水运仪象台运转的是一套相当于３只连用的泄水壶和３６只轮流接受漏水的受水壶组成的漏壶。虽然没有采用恒定水位的措施，但由于仪象台运转中通过一套自动提水装置不断补充其中水量，还可以人工进行提水，使水位变化范围很小，这样从第３只泄水壶中引出的水流速度比较均匀，保证了水运仪象台的正常运行。这台水运仪象台还采用了用漏壶互相参校的方法，用了４种类型不同的漏壶：浮箭漏、稗漏、沉箭漏、不息漏，通过互相参校，与浑象、浑仪进行互相比对，从而无论阴晴都可保证仪象台的运转。
　　２。漏刻计时及其他漏刻是我国古代的计时仪器。漏，就是漏壶；刻，就是刻箭。刻漏也叫作铜壶滴漏，它不仅可以用来计时、守时，而且不受白天或夜晚、晴天或阴天的限制。
　　宋以前如何保持漏壶中水位稳定这一问题一直未能彻底解决。１０３０年，宋代的燕肃迈出了关键性的一步。他抛弃了增加补偿漏壶这条老路，采用漫流式的平水壶解决了历史上长久未克服的水位稳定问题。他在制造莲花漏中首次使用了减水盎。他所造 莲花漏 分上匮、下匮两个壶。下匮有两个孔，一孔在上，为分水孔；一孔在下，下孔漏水入箭壶，以浮箭读数，而下匮中的水面超过上面的分水孔时，水就会通过竹注筒流到减水盎中去。只要从上匮来的水略多于下匮流出的水量，这样，下匮的水位就永远稳定在上孔的位置上，起了平定水位的作用，可以保持下匮水面的稳定性。这个减水盎就是后来的分水壶。燕肃这一发明经过６年的实验验证，到１０３６年才得到承认。
　　平水壶的发明和使用，是漏壶发展史上的重大成就，表明我国古代已明确掌握 在出水口横断面面积不变的条件下，水位差恒定时，单位时间出水量相等的科学原理。
　　燕肃的 莲花漏 ，因其受水壶的壶盖上有金色的莲花饰物而得名。标有时刻记号的木箭放在莲花饰物的中心孔中，木箭将随着受水壶中水位的升高沿莲花花心处的孔壁缓缓上升，从而很方便地读出当时的时刻。这套漏壶木箭有４８支，它们是根据１年中不同节气时昼夜长短变化而分别刻划的。据考察，用木箭读出的时刻能精确到现在的分钟数量级，可见这套漏壶计测时刻相当精细。
　　沈括在他的《浮漏仪》一文中，详细地介绍了他设计并制造的漫流式恒定水位漏壶。这套漏壶由两只泄壶和一只受水壶组成，称为求壶、复壶和建壶。另外一只废壶用来收集漫流出来的水，相当于前文中的减水盎、分水壶。
　　复壶的壶壁上，有用来泄水到建壶的出水口 玉权 和用来保持水位恒定的漫流孔 枝渠.复壶被一个有孔的隔板分为受水和泄水两个部分，从求壶中流出的水注入其中的受水部分，再通过隔板的小孔流入泄水部分，并通过 玉权 注入建壶。隔板上的孔截面口径是求壶出水口的一半，又是 玉权 的２倍。这样进水量要多于出水量，水位上升到枝渠位置时水就漫流出来，注入废壶。复壶的结构相当于两只水位恒定的泄水壶结合在一起，使漏壶工作更为稳定。由于采用了有孔隔板，使求壶流出的水不会引起复壶中泄水部分水面的波动，对提高漏壶的计时精度是很有利的。对于夜间计时，它还有一套特殊的计时标度。沈括在《浮漏仪》中还对漏壶的制造、校准、玉权、木箭、箭舟的技术要求、漏壶的用水等问题作了较为严格的规定，说明当时官方漏壶的使用已经有了比较严密的制度。《浮漏仪》是我国古代谈及漏壶情况的最详尽最完整的一篇文献。
　　南宋初年时孙逢吉所撰《铜壶漏箭制度》也曾讲到一套漏壶，构造与燕肃的基本相同。值得一提的是它具有一种简单的音响报时装置。它的受水壶上分别有龙、虎、雀、龟的造象，在其木箭上相当于每个时辰标志的地位可能有一拨牙，到时候能拨动有关的机械结构，使朱雀塑像吐出一个珠子，击响铜盘而报告时间。这在历史上是极其罕见的。
　　另外还有一种漏壶，是利用漏水的重量和体积计量时间的，称为秤漏。
　　据说是南北朝时北魏道士李兰发明的。宋代王应麟所编撰《玉海》一书中有关于一种大型秤漏的详细记述，可见它在宋代还在使用。它与漏壶共同之处在于指示时间的结构。漏壶利用受水壶水位高度变化及水的浮力原理，而秤漏则利用受水壶中水的重量及杠杆平衡原理。
　　除此之外，古人用来计时的还有香篆及辊弹等。香篆实际上就是更香。
　　虽然用它来计量时间精度很低，但由于它简单易行，在民间使用十分广泛。
　　南宋学者薛季宣的文集《浪语集》中曾谈到辊弹漏刻的情况。它是将一根长七尺五寸的竹子中间打通，截成四段， 之 字形地连接在一起，贴在一面宽、高皆为二尺的屏风背后。竹管上端、下端都有一朵铜制莲花。备有十只重约半两的铜弹丸，每次将一只铜弹投入竹管上端的铜莲花中，铜弹沿竹管曲折而下，落入竹管下端的铜莲花中，从而发出碰击之声，随后再投入下一个，十个铜弹投完，翻转屏风上的牌子，并继续投入铜弹。如此反复。它主要根据牌子翻动的情况和铜弹投下的个数知道当时的时间。它适宜在运动状态中从事计时工作。它在南宋湖北的将官及金代章宗明昌年间（１１９０- １１９６年）皇帝出巡时使用过。