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  • 世界天文学简史

    发布时间: 2006/11/6 16:18:04 被阅览数: 次 来源: 转自《天文学简史》
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    由于农牧业和实际生活的需要,人们就注意观察某些显着天象了,而文字产生之后,天文学这门古老的科学就萌芽并进而诞生了。天文学的历史,就是人类探测宇宙的历史。天文学能成为一门科学是走过了漫长道路的。从神话传说,以及迷信崇拜和各种局限性的错误认识中,逐步解放出来,走向科学大道,就是天文学所经历的艰难历程。直到科学发达的现在,星象占卜的迷信活动仍然群魔乱舞,侵蚀着人们的思想,冲击着科学的堤岸。因此首先来认识和回顾天文学的成长和发展是十分重要的。
    古代天文学
    1.天文学与人类文明社会的兴起

    (1)古埃及的天文学
        埃及的观天工作最初是由僧侣们担任的,他们注意观测太阳、月亮和星星的运动,并从很古的时代起就知道了预报日食和月食的方法。但这种方法是严格保密的,详细情况不得而知。
        大体从公元前27~前22世纪,埃及人不仅认识了北极星和围绕北极星旋转而永不落入地平线的拱极星,还熟悉了白羊、猎户、天蝎等星座,并根据星座的出没来确定历法,最著名的例子是关于全天最亮星、大犬座天狼星的出没。
        从长期的实践中,埃及人发现,若天狼星于日出前不久在东方地平线上开始出现,即所谓的“偕日升”,再过两个月,尼罗河就泛滥了。尼罗河是古埃及人的命根子,它定期泛滥既能带来农耕迫切需要的水和肥沃的淤泥,也为广大地区和人民带来洪涝灾害。每年的6月,尼罗河洪水泛滥,使埃及人产生了“季节”的概念。河水泛滥时期叫做洪水季,此外还有冬季和夏季。与季节相联系的是,在不同的季节,出现在东方天空的星辰也是不一样的。久而久之,古埃及人就发现了星辰更替与季节变化的对应关系了,进行了长期的观察和研究,把原先一年360日,改正为一年365日。这就是现今阳历的来源。
        古埃及人还运用正确的天文知识,在沙漠上建筑起硕大无朋的金字塔。耐人寻味的是,金字塔的四面都正确地指向东南西北。在没有罗盘的四五千年前的古代,方位能够定的这样准确,无疑是使用了天文测量的方法,这也许是利用当时的北极星——天龙座α星来定向的吧!他们首先利用当时的北极星确定金字塔的正北方向,其它三个方向也就不难确定了。 
    (2)古印度人的时空观
        古印度人不停顿地观察太阳的运动,以太阳的视运动为依据,把一年定为360天,又以月亮的圆缺变化为依据,把一个月定为30天,以此编制历法。实际上,月亮运行一周不足30天,所以有的月份实际上不足30天,印度人称为消失一个星期,大约一年要消失5个日期,但习惯上仍然称一年为360天。将一年中分为春、热、雨、秋、寒、冬六个季节,还有一种分法是将一年分为冬、夏、雨三季。对于空间,古印度人有奇异的看法,他们认为在人类居住的世界之上,还有其它空间,这种时空观是壮大的,但却不现实。
     (3)发明星座的迦勒底人
        世界古代文明的另一个摇篮就是幼发拉底河和底格拉斯河流域。在古代这两河流域地区大约相当于现在的伊拉克共和国,希腊文为“美索不达米亚”,其意思是两河之间的地方。远在公元前3000年前,迦勒底人就从东部山岳地带来到两河流域,并在那里建立了国家。
       迦勒底人把星星称为“天上的羊”,把行星称为“随年的羊”,天上的“羊群”是随季节而变化的,迦勒底人注意到了这一点。长期的星象观察,使迦勒底人对天体运动有丰富多彩的发现,知道“日食每18年重复出现一次”,对于月亮和行星,迦勒底人也有很多正确的发现,但是对人类最重要的贡献还是创造了星座的划分。他们把天上显着的亮星,用想象的虚线连结起来,描绘出各种动物和人的形象,并且用一定的名称称呼它们。这就是现今星座的由来。白羊、金牛、双子、巨蟹、狮子、室女、天秤、天蝎、人马、摩羯、宝瓶、双鱼这12个星座,是世界上最初诞生的星座。美索不达米亚的文化被认为是西方文化的源泉,它的天文学被认为是西方天文学的鼻祖,因此,迦勒底人的星象天文学一向为人们所重视。 
    (4)古希腊的天文学
        欧洲人称古代希腊文化为“古典文化”。古代希腊天文学是当时历史条件下的产物,它总结了许多世代以来天象观测的结果,概括了古代人们对天体运动的认识,并力图建立一个统一的宇宙模型去解释天体的复杂运动,这种尝试在人类进步史上,是有一定积极意义的。
        泰勒斯(Thales of Miletus)(前640~前560年)是第一个希腊著名自然哲学家,到美索不达米亚学到了天文学。他推测地球是一个球体,认为构成宇宙的基本物质是水,据说,他曾经预言了公元前585年所发生的一次日食。把泰勒斯的宇宙观延伸并发扬光大的是他的门生阿那克西曼德(公元前611~前547年)。他认为天空是围绕着北极星旋转的,因此天空可见的穹窿是一个完整的球体的一半,扁平圆盘状的大地就处在这个球体的中心,在大地的周围环绕着空气天、恒星天、月亮天、行星天和太阳天。阿那克西曼德是有史以来第一个认为宇宙不是平面形或者半球形,而是球形的。
        数学家毕达哥拉斯(Pythagoras)(公元前560~前490年),他认为数本身、数与数之间的关系构成宇宙的基础。他主张地圆说,并且是人类科技史上第一个主张“太阳、月亮、行星遵循着和恒星不同的路径运行”的人。
        另一位伟大的学者德谟克利特(公元前460~前370前)提出了原子学说,认为万物都是由原子组成的,原子是不可分割的最小微粒,太阳、月亮、地球以及一切天体,都是由于原子涡动而产生的。这是朴素的天体演化的思想。他还推测出太阳远比地球庞大,月亮本身并不发光,靠反射的太阳才显得明亮,银河是众多恒星集合而成的。
        希腊天文学家托勒玫 (Ptolemy) 出版他的著作《天文学大成》,提出完整的“地心说”。在整个中世纪这本书被人们奉为天文学知识的经典著作。他指出:日、月、五大行星都在绕地球的偏心圆轨道上运转,并且各有其轨道层次。
    .中国古代天文学的辉煌成就 
        中国是世界上天文学起步最早、发展最快的国家之一,天文学也是我国古代最发达的四门自然科学之一,其他包括农学、医学和数学,天文学方面屡有革新的优良历法、令人惊羡的发明创造、卓有见识的宇宙观等,在世界天文学发展史上,无不占据重要的地位。
        我国古代天文学从原始社会就开始萌芽了。公元前24世纪的帝尧时代,就设立了专职的天文官,专门从事“观象授时”。早在仰韶文化时期,人们就描绘了光芒四射的太阳形象,进而对太阳上的变化也屡有记载,描绘出太阳边缘有大小如同弹丸、成倾斜形状的太阳黑子。
        公元16世纪前,天文学在欧洲的发展一直很缓慢,在从2世纪到16世纪的1000多年中,更是几乎处于停滞状态。在此期间,我国天文学得到了稳步的发展,取得了辉煌的成就。我国古代天文学的成就大体可归纳为三个方面,即:天象观察、仪器制作和编订历法。
        我国最早的天象观察,可以追溯到好几千年以前。无论是对太阳、月亮、行星、彗星、新星、恒星,以及日食和月食、太阳黑子、日珥、流星雨等罕见天象,都有着悠久而丰富的记载,观察仔细、记录精确、描述详尽、其水平之高,达到使今人惊讶的程度,这些记载至今仍具有很高的科学价值。在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中,已有丰富的天文象现的记载。这表明远在公元前14世纪时,我们祖先的天文学已很发达了。举世公认,我国有世界上最早最完整的天象记载。我国是欧洲文艺复兴以前天文现象最精确的观测者和记录的最好保存者。
        我国古代在创制天文仪器方面,也作出了杰出的贡献,创造性地设计和制造了许多种精巧的观察和测量仪器。我国最古老、最简单的天文仪器是土圭,也叫圭表。它是用来度量日影长短的,它最初是从什么时候开始有的,已无从考证。
        此外,西汉的落下闳改制了浑仪,这种我国古代测量天体位置的主要仪器,几乎历代都有改进。东汉的张衡创制了世界上第一架利用水利作为动力的浑象。元代的郭守敬先后创制和改进了10多种天文仪器,如简仪、高表、仰仪等。

        世界天文史学界公认,我国对哈雷彗星观测记录久远、详尽,无哪个国家可比。我国公元前240年的彗星记载,被认为是世界上最早的哈雷彗星记录从那时起到1986年,哈雷彗星共回归了30次,我国都有记录。1973年,我国考古工作者在湖南长沙马王堆的一座汉朝古墓内发现了一幅精致的彗星图,图上除彗星之外,还绘有云、气、月掩星和恒星。天文史学家对这幅古图做了考释研究后,称之为《天文气象杂占》,认为这是迄今发现的世界上最古老的彗星图。早在2000多年前的先秦时期,我们的祖先就已经对各种形态的彗星进行了认真的观测,不仅画出了三尾彗、四尾彗,还似乎窥视到今天用大望远镜也很难见到的彗核,这足以说明中国古代的天象观测是何等的精细入微。
        古人勤奋观察日月星辰的位置及其变化,主要目的是通过观察这类天象,掌握他们的规律性,用来确定四季,编制历法,为生产和生活服务。我国古代历法不仅包括节气的推算、每月的日数的分配、月和闰月的安排等,还包括许多天文学的内容,如日月食发生时刻和可见情况的计算和预报,五大行星位置的推算和预报等。一方面说明我国古代对天文学和天文现象的重视,同时,这类天文现象也是用来验证历法准确性的重要手段之一。测定回归年的长度是历法的基础。我国古代历法特别重视冬至这个节气,准确测定连续两次冬至的时刻,它们之间的时间间隔,就是一个回归年。
        根据观测结果,我国古代上百次地改进了历法。郭守敬于公元1280年编订的《授时历》来说,通过三年多的两百次测量,经过计算,采用365.2425日作为一个回归年的长度。这个数值与现今世界上通用的公历值相同,而在六七百年前,郭守敬能够测算得那么精密,实在是很了不起,比欧洲的格里高列历早了300年。
        我国的祖先还生活在茹毛饮血的时代时,就已经懂得按照大自然安排的“作息时间表”,“日出而作,日入而息”。太阳周而复始的东升西落运动,使人类形成了最基本的时间概念--“日”,产生了“天”这个最基本的时间单位。大约在商代,古人已经有了黎明、清晨、中午、午后、下午、黄昏和夜晚这种粗略划分一天的时间概念。计时仪器漏壶发明后,人们通常采用将一天的时间划分为一百刻的做法,夏至前后,“昼长六十刻,夜短四十刻”;冬至前后,“昼短四十刻,夜长六十科”;春分、秋分前后,则昼夜各五十刻。尽管白天、黑夜的长短不一样,但昼夜的总长是不变的,都是每天一百刻。

        包括天文学在内的现代自然科学的极大发展,最早是从欧洲的文艺复兴时期开始的。文艺复兴时期大致从14世纪到16世纪,大体相当于我国明初到万历年间。我国天文史学家认为,这200年间,我国天文学的主要进展至少可以列举以下几项:翻译阿拉伯和欧洲的天文学事记;从公元1405-1432年的20多年间,郑和率领舰队几次出国,船只在远洋航行中利用“牵星术”定向定位,为发展航海天文学作出了贡献;对一些特殊天象作了比较仔细的观察,譬如,1572年的“阁道客星”和1604年的“尾分客星”,这是两颗难得的超新星。
        我国古代观测天象的台址名称很多,如灵台、瞻星台、司天台、观星台和观象台等。现今保存最完好的就是河南登封观星台和北京古观象台。
        我国还有不少太阳黑子记录,如公元前约140年成书的《淮南子》中说:“日中有踆乌。”公元前165年的一次记载中说:“日中有王字。”战国时期的一次记录描述为“日中有立人之像”。更早的观察和记录,可以上溯到甲骨文字中有关太阳黑子的记载,离现在已有3000多年。从公元前28年到明代末年的1600多年当中,我国共有100多次翔实可靠的太阳黑子记录,这些记录不仅有确切日期,而且对黑子的形状、大小、位置乃至分裂、变化等,也都有很详细和认真的描述。这是我国和世界人民一份十分宝贵的科学遗产,对研究太阳物理和太阳的活动规律,以及地球上的气候变迁等,是极为珍贵的历史资料,有着重要的参考价值。
        世界天文史学界公认,我国对哈雷彗星观测记录久远、详尽,无哪个国家可比。《史记·秦始皇本纪》记载的秦始皇七年(公元前240年)的彗星,各国学者认为这是世界上最早的哈雷彗星记录。从那时起到1986年,哈雷彗星共回归了30次,我国史籍和地方志中都有记录。实际上,我国还有更早的哈雷彗星记录。我国已故著名天文学家张钰哲在晚年考证了《淮南子·兵略训》中“武王伐纣,东面而迎岁,……彗星出而授殷人其柄”这段文字,认为当时出现的这颗彗星也是哈雷彗星。他计算了近四千年哈雷彗星的轨道,并从其他相互印证的史料中肯定了武五伐纣的确切年代应为公元前1056年,这样又把我国哈雷彗星的最早记录的年代往前推了800多年。
        我国古代对著名的流星雨,如天琴座、英仙座、狮子座等流星雨,各有好多次记录,光是天琴座流星雨至少就有10次,英仙座的至少也有12次。狮子座流星雨由于1833年的盛大“表演”而特别出名。从公元902~1833年,我国以及欧洲和阿拉伯等国家,总共记录了13次狮子座流星雨的出现,其中我国占7次,最早的一次是在公元931年10月21日,是世界上的第二次纪事。从公元前7世纪算起,我国古代至少有180次以上的这类流星雨纪事。
    3.中国古代天文仪器 

     

        圭表是一种既简单又重要的测天仪器,它由垂直的表(一般高八尺)和水平的圭组成。圭表的主要功能是测定冬至日所在,并进而确定回归年长度,此外,通过观测表影的变化可确定方向和节气。
        很早以前,人们发现房屋、树木等物在太阳光照射下会投出影子,这些影子的变化有一定的规律。于是便在平地上直立一根竿子或石柱来观察影子的变化,这根立竿或立柱就叫做“表”;用一把尺子测量表影的长度和方向,则可知道时辰。后来,发现正午时的表影总是投向正北方向,就把石板制成的尺子平铺在地面上,与立表垂直,尺子的一头连着表基,另一头则伸向正北方向,这把用石板制成的尺子叫“圭”。正午时表影投在石板上,古人就能直接读出表影的长度值。
      经过长期观测,古人不仅了解到一天中表影在正午最短,而且得出一年内夏至日的正午,烈日高照,表影最短;冬至日的正午,煦阳斜射,表影则最长。于是,古人就以正午时的表影长度来确定节气和一年的长度。譬如,连续两次测得表影的最长值,这两次最长值相隔的天数,就是一年的时间长度,难怪我国古人早就知道一年等于365天多的数值。
      在现存的河南登封观星台上,40尺的高台和128尺长的量天尺也是一个巨大的圭表。

      
                               
        日晷又称“日规”,是我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”,垂直地穿过圆盘中心,起着圭表中立竿的作用,因此,晷针又叫“表”,石制的圆盘叫做“晷面”,安放在石台上,呈南高北低,使晷面平行于天赤道面,这样,晷针的上端正好指向北天极,下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻划出12个大格,每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时,晷针的影子就会投向晷面,太阳由东向西移动,投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。于是,移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针,晷面则是钟表的表面,以此来显示时刻。
        由于从春分到秋分期间,太阳总是在天赤道的北侧运行,因此,晷针的影子投向晷面上方;从秋分到春分期间,太阳在天赤道的南侧运行,因此,晷针的影子投向晷面的下方。所以在观察日晷时,首先要了解两个不同时期晷针的投影位置。 

        

                                    
        漏刻是古代的一种计时工具,不仅古代中国用,而且古埃及、古巴比伦等文明古国都使用过。漏是指计时用的漏壶,刻是指划分一天的时间单位,它通过漏壶的浮箭来计量一昼夜的时刻。最初,人们发现陶器中的水会从裂缝中一滴一滴地漏出来,于是专门制造出一种留有小孔的漏壶,把水注入漏壶内,水便从壶孔中流出来,另外再用一个容器收集漏下来的水,在这个容器内有一根刻有标记的箭杆,相当于现代钟表上显示时刻的钟面,用一个竹片或木块托着箭杆浮在水面上,容器盖的中心开一个小孔,箭杆从盖孔中穿出,这个容器叫做“箭壶”。随着箭壶内收集的水逐渐增多,木块托着箭杆也慢慢地往上浮,古人从盖孔处看箭杆上的标记,就能知道具体的时刻。漏刻的计时方法可分为两类:泄水型和受水型。漏刻是一种独立的计时系统,只借助水的运动。后来古人发现漏壶内的水多时,流水较快,水少时流水就慢,显然会影响计量时间的精度。于是在漏壶上再加一只漏壶,水从下面漏壶流出去的同时,上面漏壶的水即源源不断地补充给下面的漏壶,使下面漏壶内的水均匀地流人箭壶,从而取得比较精确的时刻。
      现存于北京故宫博物院的铜壶漏刻是公元1745年制造的,最上面漏壶的水从雕刻精致的龙口流出,依次流向下壶,箭壶盖上有个铜人仿佛报着箭杆,箭杆上刻有96格,每格为15分钟,人们根据铜人手握箭杆处的标志来报告时间。 

         

                           

        浑仪是我国古代的一种天文观测仪器。在古代,“浑”字含有圆球的意义。古人认为天是圆的,形状像蛋壳,出现在天上的星星是镶嵌在蛋壳上的弹丸,地球则是蛋黄,人们在这个蛋黄上测量日月星辰的位置。因此,把这种观测天体位置的仪器叫做“浑仪”。
      最初,浑仪的结构很简单,只有三个圆环和一根金属轴。最外面的那个圆环固定在正南北方向上,叫做“子午环”;中间固定着的圆环平行于地球赤道面,叫做“赤道环”;最里面的圆环可以绕金属轴旋转,叫做“赤经环”;赤经环与金属轴相交于两点,一点指向北天极,另一点指向南天极。在赤经环面上装着一根望筒,可以绕赤经环中心转动,用望筒对准某颗星星,然后,根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该星在天空中的位置。
       后来,古人为了便于观测太阳、行星和月球等天体,在浑仪内又添置了几个圆环,也就是说环内再套环,使浑仪成为多种用途的天文观测仪器。     

      

                         
        天体仪,古称“浑象”,是我国古代一种用于演示天象的仪器。我国古人很早就会制造这种仪器,它可以用来直观、形象地了解日、月、星辰的相互位置和运动规律,可以说天体仪是现代天球仪的直接祖先。北京古观象台上安置的天体仪,是我国现存最早的天体仪,制于清康熙年间,重3850公斤。  天体仪的主要组成部分是一个空心铜球,球面上刻有纵横交错的网格,用于量度天体的具体位置;球面上凸出的小圆点代表天上的亮星,它们严格地按照亮星之间的相互位置标刻。整个铜球可以绕一根金属轴转动,转动一周代表一个昼夜,球面与金属轴相交于两点:北天极和南天极。两个极点的指尖,固定在一个南北正立着的大圆环上,大圆环垂直地嵌入水平大圈的两个缺口内,下面四根雕有龙头的立柱支撑着水平大圈,托着整个天体仪。利用浑象,无论是白天还是阴天的夜晚,人们都可以随时了解当时应该出现在天空的星空图案。 

        

                           

        水运仪象台是宋代苏颂、韩公廉等人设计制造的一座大型天文仪器,它把观测天象的浑仪、演示天象的浑象和报时装置巧妙地结合在一起,是我国古代一项卓越的创造。水运仪象台高约12米,宽约7米,呈下宽上窄的正方台形,全部为木建筑结构。全台分为三部分,最上层是一个可以开闭屋顶的木屋,里面放置一架铜制浑仪,用来观测天象;中间部分是一间密室,放置浑象,可以随时演示天象;最为有趣的是下面的报时装置,在台的南面可以看到五层木阁,每一层木阁里都有报时的小木人,他们各司其职,根据不同的时刻,轮流出来报时。它的一套动力装置“可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。  

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