中國古代天文科技成就
| 在北宋仁宗至和元年五月的河南開封的一個早上，白日當空，陽光普照，但是天上竟 然出現一顆亮星！人們都抬頭向天，驚訝吵雜，不知道這顆忽然出現天際的 "客星"主 何吉凶 ..。九百多年以前，河南開封是北宋的國都，也是當時全國的政治金融中心。 也就是在這裡，中國人做出了全世界第一次，對超新星爆炸，最完整的觀測記錄。 這顆超新星就在我們銀河裡頭，距離地球只有六千光年，所以非常的明亮，連續二十 幾天白天都可以看得到。從它出現到消失，整個過程長達兩年。宋朝的天官仔細的記 錄了它出現的時間、位置，以及兩年中間亮度的變化。當時，西元1054年，在歐洲， 正是羅馬帝國崩潰，充滿了瘟疫和戰爭的黑暗時期來臨的時候。而在美洲，要到四百 多年以後的1492年，哥倫布才發現新大陸。 因此宋朝天官對這顆 "客星" 所作的完整觀測，就成為當今世界上，對超新星爆炸，最 完整而可靠的古代記錄。這顆超新星，也就成為當今世界上天文學家所公認的 "中國 超新星" 。 當然，這並不是唯一的一次重要的古代天文觀測成就。在黃河流域發源的先民，從很 早的時候就有天文觀測的記錄，在河南鄭州黃河南岸大河村出土的遺物，證明了在五 千零四十年前仰韶文化的晚期，中國人就已經有了簡單的太陽觀測和月相記錄。 在河南省鄭州北郊，大河村出土的先民遺址，代表著六千八百年前到三千五百年前的 中國古文明。這個時期涵蓋著新石器時代中期的仰韶文化，晚期的龍山文化，以及夏 文化跟商文化四個階段。當時的人們，不僅已經能夠使用木骨整塑的方法來修建堅固 的窯舍，更已經對天上的天文氣象作了簡單的觀測跟記錄。 在此地出土的彩陶片上面，清楚地顯示了當時的人們對天上日月星辰跟氣象作的一些 記錄。彩陶片上可以看到像太陽紋、新月狀的月亮紋、星座紋，以及日暈的形狀。這 是中國古時候，對天象描繪所發現的最早的記錄之一。 接下來在三千五百年前的商代甲骨上，我們看到了更多日食、日珥、和月食的記錄。 不過真正有系統的日食記錄，出現在中國第一部編年史書「春秋」裡。「春秋」涵蓋 的時間，是從周平王東遷，到魯哀公西狩獲麟之間的兩百四十年；也就是西元前的七 百二十年到西元前四百八十年。在這段時間裡，「春秋」一共記錄了三十七次的日 食。 到了西元前一百年左右的西漢，天象觀測和記錄發展的更為完備。不單單是由史官按 年按月的記錄觀測結果，在民間的一般大眾，對天象的認識和描述，更是豐富而又活 潑。具體的表現之一，就是在西漢的古墓裡頭，所發現的畫像石及壁畫裡的天文圖 像。 在河南省洛陽古墓博物館的陳列室中，有一個天象圖，出土在一個距今兩千多年前， 西漢時期的空心磚上，它是繪製在十二塊空心磚上，一塊磚就代表一個時辰。第一塊 磚上繪製的是一個太陽，太陽裡面有金烏。其他的五塊磚上都繪製著彩雲，彩雲中間 還有一個一個的紅點，表示是一個星座，在第七塊磚上是一個月亮，月亮裡面有桂樹 和蟾蜍。這幅天象圖可以說是我們國家目前發現的，年代最早的一幅天象圖，非常完 整。 在其他古代的天象圖中，我們可以看到了中國古老的星空劃分方法。東方蒼龍、南方 朱雀、西方白虎、北方玄武，配合了神話的造型，生動的表現了當時人們對夜空星象 的詮釋。即使是結合了神話傳說和造型的天象記錄，在科學上也有相當的價值。 在古代一些畫像石上我們看到了北斗七星，牛郎織女，也看到了代表太陽的金烏背負 著日輪，代表月亮的月輪中間有蟾蜍。但是最具有科學意義的，要算是 "日月合璧" 了。在這幅圖中金烏原來應該背負著日輪，但是卻背負著帶有蟾蜍的月輪，相信這是 古人對日蝕的描述；帶著蟾蜍的月輪遮掩了日輪。這說明了，在西元一百年左右的漢 朝，中國人就已經了解了日蝕的成因。 古人常用 "金烏" 來代表太陽，這是因為古人在觀測太陽的時候，認為 "日中有金烏" ，所以在 "后羿射日" 的神話裡，我們看到了天上的金烏一個個中箭落地。而這個 "金 烏"，我們現在認為，應該就是 "太陽黑子" ，是太陽表面磁場活動劇烈的地方。磁場 的活動限制了從太陽內部傳送到表面的能量，所以黑子區域的溫度比周遭來的低，顏 色來的暗。 我國先民對於太陽黑子的觀測，最早可以追溯到三千多年前的殷商時代。不過世界上 公認的最早的關於太陽黑子的記錄，出現在西元前28年，也就是西漢成帝的河平元 年：「日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央」。從西漢一直到清末，我國史書上，總 共記錄了兩百七十多次的黑子現象。由這些記錄的日期和間隔，可以算出太陽表面活 動的周期大約是十一年，這和現代天文學對太陽周期的觀測完全符合。這些珍貴的黑 子記錄，對於研究太陽物理、日地關係，以及氣候變遷都有重要的參考價值。在歐 洲，關於黑子的最早記錄，出現在西元 807年，比中國晚了八百多年！ 春秋時代留下了另一項古代先民重要的觀測記錄。魯文公十四年，也就是西元前六百 一十三年，先民記錄了一顆明亮的彗星，「秋七月，有星孛，入于北斗」。這顆明亮 的彗星就是我們現在所熟知的，每七十六年來拜訪一次的哈雷彗星。而中國上古的這 次記錄，也就是世界上最早的一次對哈雷彗星所作的觀測。 雖然它是由中國人第一個觀察到，但因為哈雷彗星是一顆周期性的彗星，這個七十六 年的周期一直到了十七世紀末期，才由英國天文學家哈雷所確認。因此中國人在哈雷 彗星的觀測上沒有辦法佔盡光榮。 這些上古中國重要而珍貴的天文觀測，並不是單單靠肉眼就能作出來的，上古先民們 製作天文儀器的巧思和技術，是另一項讓我們驚訝讚歎的成就。 相傳三千年前，周公營建東都雒邑的時候，為了要正日影，就在當時的陽城，也就是 現在的河南省登封縣告成鎮，興建了一座土圭，用來測量日影跟四季的變化。唐玄宗 開元十一年，也就是西元七百二十三年，仿土圭舊制，用石表石圭代替。這也就是我 們今天看到的，「周公測景台」的舊址。 「表」，就是垂直豎立的一根長竿。立竿見影，測量日影的長短變化，可以幫助我們 分辨四季。夏天的中午，因為太陽的位置較高，所以影子較短；冬天的時候，太陽位 置較低，影子也就比較長。 為了精確地測量日影長短，古人使用「圭」。「圭」，就是一把用來度量日影的玉 尺，又叫「量天尺」。南北平放，與「表」垂直，就組成了「圭表」。 「圭表」的用途很廣，可以決定方位，確立四季，校正曆法，推定節氣。對農漁牧業 都有深遠的影響。歷朝歷代都使用「圭表觀測日影，但是一直到了元朝，才由郭守敬 把「圭表」的應用發展到了極致。也就是在元朝，中國古代天文觀測的成就達到了世 界的頂峰。 元世祖忽必烈雄才大略，入主中原以後，看到百姓流離，民不聊生。他知道，要達到 社會安定，必須先有良好的農漁牧業，而這個關鍵就在於「按天授時，以利耕作」， 所以大力發展天文觀測，重編曆法，確定節氣。這整體發展天文的工作，是由郭守敬 來總其成的。 這位偉大的元朝天文學家郭守敬，不但修改跟創新了觀測儀器，還在周公測景台的舊 址上，親自建造了中國有史以來，第一座精密觀測用的天文台。這座天文台包含了觀 星台跟量天尺。觀星台上有欄杆環繞，可以架設儀器，進行觀測。置於台下的量天 尺，也就是「臥圭」，是由三十六方青石組成，全長一百二十八尺，用來測量日中的 時候，日影的長度。石圭和表槽的橫樑上，都有水槽，用來測定水平。歷代所用的 「表」，大多是八尺高。八尺的表，一年的日影誤差幾毫米，而換算成時間上的誤 差，就是一兩個小時。但是郭守敬建造的這座觀星台，把八尺的表，增高為四丈，也 就是四十尺，大大的增進了測量的精確度。為了把這個時間搞的更準確，八尺表擴大 為四十尺，頂上搞了個大的橫樑，底下搞了個大型的量天尺。在這地方，當時測了一 個回歸年的長度為365.2425日，即 365日5小時49分12秒，可是，現代化儀器測一個回 歸年長度為365天5小時48分46秒，年差26秒鐘。一年有三千一百萬秒，而測量誤差僅 僅26秒，這準確到百萬分之一的精度，在西元1273年的世界上，的確無人能出其右。 歐洲所使用的曆法，要到四百多年以後，才達到同樣的精度。 在歐洲，加利略在16世紀末，使用望遠鏡，獲得了好幾項重大成就，其中之一就是有 系統的研究了木星的四大主要衛星，這是為什麼今天木星的四大衛星我們統稱為 "加 利略衛星"。但事實上，在我們的戰國時代，甘德就曾經藉助 "窺管" ，觀測到了木星 的衛星。 "窺管" 又叫 "望筒" ，是一根兩端口徑相等的中空竹管或金屬管，它可以減少背景的光 害，同時縮小了觀測者的視野，再加上適當刻度的輔助，就可以用來記錄星星的位 置，以及追蹤行星的運動。 古人進一步的使用 "窺管" ，把它裝在"渾儀" 的上面，藉著 "渾儀" 的旋轉，可以很方 便地觀測天上不同區域的星體。這也就是現代赤道儀望遠鏡的前身。 那渾儀又是什麼？渾儀是一種觀測天體，並記錄天體座標的儀器。它除了中央的窺管 之外還包括了描述地平的地平圈，通過天頂南北的子午環，描述太陽跟行星運動的黃 道圈，跟平行於地球赤道的赤道圈，在中央的窺管找到了星星以後，由各個圓圈的刻 劃，就可以決定這個天體的座標。整個渾儀，坐在一個四方台上，上圓下方，代表中 國人天圓地方的觀念。四角有四座銅山，代表天地山風的乾坤艮巽四座山，山上原有 鐵鍊，拴住四隻頑皮的龍，好讓他們共同與中央的駝龍背負天球。但最早發明 "渾儀" 的人，已經無從查考，史書上記載最早使用渾儀的人，是西漢的"落下閎" ，他曾經使 用自製的渾儀，觀察過五大行星和天球的運動。 當時所用的渾儀，結構可能相當簡單，但是後代歷經東漢，魏晉，隋唐的不斷改革增 進，儀器愈做愈大，整個結構變得無比複雜，所以後人就想法改進。元代的著名天文 學家郭守敬，他把渾儀整個拆散，加以簡化，製成簡儀。它包含有獨立的赤道裝置跟 地平裝置，上面還有窺管。郭守敬對窺管做了革命性的改變，他去掉了窺管的管身， 只在兩端留下兩個小圓洞，這樣的裝置，稱做「窺衡」。整個簡儀的結構簡單，但是 刻度精密，是近代中國，在天文望遠鏡傳入之前，最重要的觀測儀器。而同樣類型的 赤道型望遠鏡，在歐洲，要到三百多年以後的1598年，才由第谷創造發明出來，因 此，郭守敬他所製作出來的簡儀，可以說是近代天文學上赤道型望遠鏡的前驅。 提到渾儀，不能不提渾天儀。這兩個儀器，是完全不同的兩回事。渾儀是一種天文觀 測儀器，而渾天儀，它又叫渾象，也叫天體儀，是一種觀賞跟教學的儀器。它是一個 大圓球，上面畫滿了日月星辰，標示著各種各樣不同的天球座標。為了能更有效的達 到教學的目的，東漢的著名天文學家張衡，結合了水力以及機械，創作了一套「水運 儀象」。藉著水力運轉，模仿天體運行的情形。 這個「水運儀象台」，包括了上層的 渾儀，中層的渾象，以及下層的報時裝置。台頂的活動屋頂可以摘除；使用渾儀對全 天進行觀測，就如同今天的天文台一樣。台中的渾象，可以在密閉的室內模擬天球上 的天體運行，就如同今天的「天象儀」。而下層的報時裝置，有五層木閣，各有小 人，按照不同的時刻搖鈴、敲鐘、擊鼓，有的小人，則抱著時辰牌，按序出現在門 口，以指示時間。整體的設計十分精巧，其中關鍵的槓桿裝置，極有可能是歐洲中世 紀天文鐘錶的直接祖先。 張衡除了在天文觀測跟教學上，有偉大的成就之外，他在西元 132年，也做了一具非 常著名的候風地動儀，用來測量地震的方位跟強度。候風地動儀周遭有八條龍，候八 方之風，所以稱「候風地動儀」 在地震傳來的時候，龍首吐丸，下面的蟾蜍接著丸， 由吐丸的方位跟丸落的聲音，來決定地震的方向跟強度。它可以測量連人都無感的地 震，這比歐洲的地動儀要早了一千七百多年，開啟了人類用儀器測量地震的歷史。 在上古到近代這五千年的歷史裡，中華民族在天文觀測的記錄和技術上，對世界文明 的發展作出了不可磨滅的貢獻。在東漢，在北宋，在元朝，都出過偉大的天文學家， 作出過足以傲視全球的成就。而天象記錄更是豐富，二十四史中，我們看到了兩百七 十多項太陽黑子的記錄，三百多項隕石的記錄，四百多項流星雨的記錄，一千多項的 慧星記錄。 但是，很遺憾的，我們需要指出來一點，中華民族雖然出過許多偉大的天文學家，累 積了豐富的天象觀測記錄，可是天文學─這個中國最古老的學門─卻從來沒有真正的 發展成為一門「科學」。從春秋中晚期以後，由於政治和軍事的需要，觀測天象的主 要目的，就是「星占」。皇帝透過「星占」掌握天機，幫助他控制臣子和鞏固政權。 因此，絕大多數的天文觀測，雖然有它科學上的價值，但當初進行的觀測的動機，多 半都只是在為政治服務，而沒有經過有系統的整理分析，得出解釋宇宙現象的完整理 論。 有兩個例子，可以清楚的說明這個事實：一個是「五星聯珠」，一個是「熒惑守 心」。 「五星聯珠」就是金、木、水、火、土五個行星在天空中，相距很近，有如聯珠，這 是一個美麗而壯觀的天象。古人認為這是明君在位的吉兆。 中國歷史上出現過十幾次 這樣的記錄。其中有一次記載是在漢高祖元年，也就是西元前 206年，「五星聚于東 井，沛公至霸上。」這也就是說，「五星聯珠」的現象剛好發生在漢高祖劉邦取得政 權的時候。 可是根據現代的推算，這一次「五星聯珠」的天象實際上是發生在第二年，也就是西 元前 205年。我們相信，這是因為史官刻意把天象發生的日期提前，以增加劉邦得天 下的光采。 根據現代的推算，另外還有兩次「五星聯珠」的天象，應該分別在漢、唐代發生。可 是遍查史書，卻全無記載。「五星聯珠」是如此明顯的天象，不可能為人輕易忽略。 當我們仔細查證發生的年代，發覺是在漢高祖的呂后，以及唐中宗的韋后當政時發生 的。我們相信，這是因為後代修史的史官對這兩位女主的評價非常低，但如果天象如 此卻不能不以「明君在位」的吉兆來解釋，因此只好略而不談，不去記錄。 上面這個例子裡，政治的考量，干預了自然現象的正確記錄，也因此妨礙了科學的的 發展。 而「熒惑守心」又是什麼樣的天象呢？「熒惑」就是我們中國古代稱呼「火星」的另 外一個名稱。那麼火星對於不管是中國或西方的天文學家而言，或者一般的古代的人 而言，都是屬於不吉利的一個星體，它的顏色看起來有一點赤紅色。譬如說宋徽宗的 時候，當時景德鎮燒瓷器，不曉得怎麼樣發生了「窯變」，結果燒出來的瓷器都帶著 赤紅色，當時就有一種謠傳說是天上的「熒惑」影響到了，結果所有的窯戶都把瓷器 打碎，所以「熒惑」對於中國古代人而言，是一個相當不好的一顆星。而「心」，其 實就是古代二十八宿裡面的一個「心宿」，相當於現代的「天蠍座」。這個「心宿」 主要是有三顆星，中間這顆最亮的就是代表皇帝，旁邊一顆代表太子，另外一顆代表 庶子。「熒惑守心」就代表著火星它走到了天蠍座這三顆星附近，停留在那個地方有 一段時間，這樣的一個天象，在古代是認為說是非常不吉利的一種天象。 這個現象從今天去解釋，是因火星和地球相距很近，地球比較接近太陽，走的比較 快，因此當地球與火星接近的時候，火星看起來好像在天上停住了，這種現象稱作 「留」，有時行星甚至倒退著走，這種天象，稱做「行星逆行」。 「熒惑守心」在星占學上它主要有兩層的意義，如果看到了這種天象的話，一個可能 性是皇帝會死掉，另外一個可能性就是宰相要換人。 西漢成帝綏和二年，也就是西元前七年，有一天天文官向皇帝報告，觀測到了「熒惑 守心」的天象。當時的宰相叫做翟方進，漢成帝本身對這種事情相當的相信，所以他 很害怕這種天象會應驗在他身上，就是皇帝會死掉。所以他就要求宰相去職，那麼翟 方進就被迫告歸，可是回鄉的路上走到一半，漢成帝愈想愈不對勁，他擔心說這樣子 還不能夠堵塞這個災異，所以派人賜了毒酒給這個翟方進，把他給毒死了。 這個表面上看來愚不可及的作為，背後是存在著深遠的原因的。 我們現在對整個行星的運行掌握得相當的清楚，所以我們用電腦回推了一下綏和二年 那個時間火星的運行，發覺很有趣的，火星根本就不在「心宿」，也不要談「守 心」，完全沒有這種天象。所以可以想見，當時有人買通了天文學家，報了這一個天 象，皇帝很害怕，就把當時最有權勢的翟方進給毒死了。這個事件很奇怪的，翟方進 死掉以後大概沒幾天，漢成帝他突然暴斃，整個政治的局勢一下子就變成落在王莽這 個王家手上，王莽後來稱帝，第一個起來反抗王莽的就是翟方進的兒子翟義 . . . 殘酷的政治鬥爭，披著科學的外衣進行。這是我國古代重視星占的思想下，一個最特 殊的案例。也正因為天文觀測的主要目的是星占，所以過去嚴禁一般人學習天文，否 則不是處死，就是流放。天文官必須集中居住在京師，以便管理掌握。 例如在宋太宗的時候，他即位之初，就下了一個命令要全國把這個各地懂天文的人全 部集中到京師來，他希望能夠掌握全國懂天文的人，不希望這些人流落在民間，製造 各種的謠言或怎麼樣，把知識傳播開來。他給這幾百人一次考試，然後把其中考得最 好的幾十個人就分送到天文台裡面去做事情，就不准他們回家了，那麼其他考不好的 這些人，就在臉上刺字，然後發送到海島。 天文官的職位是世襲的，擔任這個職位的人，不見得對仰觀天象有興趣，更談不上主 動的去觀察日月星辰的運行，以及窮究宇宙的奧秘。因此世代傳襲的結果，知識逐漸 零散稀薄。而更糟糕的是知識集中在少數菁英的結果，就是在每次改朝換代的時候， 好不容易累積的知識和技術毀於一旦。因為中國改朝換代的方式，常常是全盤否定， 不但一把火燒了前朝的一切，原有的掌握知識的上層菁英，也消滅殆盡。在這樣的環 境下，科學知識永遠沒有辦法累積。因此每個朝代一旦開張，幾乎所有的科學知識與 技術，又得要從零開始。 站在世界的角度來看，無法累積科技成就的結果，是逐漸的被歐洲趕上。中國天文發 展，在元朝達到了頂峰之後，就逐漸的走下坡。明神宗萬曆以後，西洋方法傳入中 國，影響深遠。現存於北京古觀象台上的清朝觀測儀器，稱的上是藝術珍品。但絕大 多數都是在外國傳教士的監造下完成的。 清朝康熙十二年，也就是西元1673年的時候，在比利時傳教士南懷仁的幫助之下，建 成了黃道經緯儀、赤道經緯儀等等六個主要的天文觀測儀器；而在康熙五十四年，又 在另一個比利時傳教士紀理安的幫助之下，建成了地平經緯儀，以後陸續在乾隆年 間，製成了璣衡撫辰儀，同時，也接受了英國贈送的象限儀。這段時期，在歐洲正是 文藝復興接續著工業革命的時候。歐洲天文曆算科技的進步，是一日千里。而藉著這 些外國傳教士的來華，歐洲的曆算科技，也逐漸的在這段時間之內傳入中國。 即使是由西洋曆算取代了中國曆算，站在科學的角度來看，也無可厚非。因為宇宙只 有一個，不論用什麼方法觀測計算，只要結果是正確的，就是可以接受的。 然而積弱不振的國勢，不僅無法維持中國曆算的光輝成就，就連近代傳入的西洋曆 算，也沒有辦法順利紮根。西洋曆算傳入中國的具體代表，就是今天保存在北京古觀 象台上，由外國傳教士設計製造的精巧儀器。這些儀器，在過去，不但曾經記錄過天 上的星辰運行，也記錄了人世間的殘暴血腥。在清光緒二十六年，也就是西元1900年 的時候，八國聯軍進了北京。當時德國跟法國洗劫瓜分了觀象台上頭主要的明清天文 觀測儀器。那時後，觀象台上頭只剩下一面向風旗。 直到第一次世界大戰結束，德法兩國在世界輿論的強大壓力下，才分批把劫奪去的觀 測儀器歸還中國。 時至今日，古觀象台上的儀器還有八國聯軍進北京的時候，留下來的彈痕。同樣的， 紫金山天文台珍藏的明代圭表，上面也有抗戰的時候，日本人想把它鋸斷帶走，所留 下來的鋸痕。今天，它們安然無恙的躺在這個地方，但是在我們的歷史上，卻留下一 頁永遠抹不去的記錄。 時至今日，我們覺得慶幸的是，在古代中國被視為奇技淫巧之末的科學知識與技術， 今天能得到充分的尊重；天文工作者也已經脫離了政治的束縛，從事獨立的科學研 究。在河北省興隆縣，有東亞最大的光學望遠鏡；在北京近旁，懷柔水庫的邊上，有 北京天文台轄下的另一個主要天文觀測站─懷柔太陽塔；北京天文台底下，又有四個 主要天文觀測站，興隆、懷柔、沙河，跟密雲。因為有著悠久的傳統和良好的基礎， 即使經濟條件不好，大陸上天文的觀測和研究仍然持續進行。先進的觀測設施也不斷 增加。 |