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第2章 天文学家的故事(2)

大凡有所建树的历史人物,除了有先天的智力因素外,更重要的是后天的努力和学习。学习知识除了要努力汲取前人的精华外,还要有“存疑”的精神,不能“人云亦云”,要勇于提出自己的看法和意见。这样,才能在验证中不断进步。

功绩卓越的刘焯

刘焯,字士元,隋朝著名天文学家。

刘焯自幼聪敏好学。小时候和刘炫是很好的朋友,两人一同寻师求学,互相鼓励,苦读不辍,终于学有所成,与刘炫并称“二刘”。

刘焯不畏权贵,仕途坎坷,两次被起用,两次被罢黜。经历这两次挫折之后,遂使他专心著述,不问政事。著有《五经述议》等若干卷,名声大振。他的门生弟子很多,成名的也不少,其中衡水县的孔颖达和盖文达,就是他的得意门生,孔、盖后来成为唐初的经学大师。

隋炀帝即位,刘焯被重新启用,任太学博士。当时,历法存在很多谬误,刘焯多次建议修改。他呕心沥血,造出了《皇极历》,但未被采用。后来,唐初李淳风,依据《皇极历》造出《麟德历》被推为古代名历之一。

刘焯在科学上的贡献主要有:

一、在《皇极历》中,他首次考虑视运动的不均匀性,并主张改革推算二十四节气的方法,废除传统的平气,使用他创立的定气法。这些主张,直到清朝才被《时宪历》采用,从而完成了我国历法上第五次也是最后一次大改革。

二、刘焯力主实测地球子午线。我国史书曾记载一种说法,南北相距1千里的两个点,在夏至的正午分别立一八尺长的测杆,它的影子相差一寸,即“千里影差一寸”说。刘焯第一个对此提出异议。724年,唐朝张遂等实现了刘焯的遗愿,并证实了刘焯立论的正确性。

三、他较为精确地计算出岁差。假定太阳视运动的出发点是春分点,一年后太阳并不能回到原来的春分点,而是差一小段距离,春分点遂渐西移的现象叫岁差,他根据这一现象定出了春分点每75年在黄道上西移1度。而此前晋代天文学虞喜算出的是50年差1度,与实际的71年又8个月差1度相比,刘焯的计算要精确的多。唐、宋时期,大都沿用刘焯的数值。

刘焯的创见和一些论断,在当时未被采纳,但却在后世被接受,并在他的研究基础上发展、改进,他对天文学的贡献是不可磨灭的。

探索的道路不会一帆风顺,真理也不会被永远尘封,只要坚信自己,胜利总有一天会属于你。

坚持实际测量的一行

一行原名张遂,唐朝人,《大衍历》的编制者。

一行自幼博览群书,勤奋好学,青年时代以学识渊博闻名长安。当时武则天在位,曾拉拢他入朝为官,他为了逃避入朝为官,21岁剃度为僧,取名一行。此后相继在河南嵩山、天台山学习佛教经典和天文数学,后来为我国天文学作出了独特的贡献。

武则天退位后,唐王朝多次招他回京,均被回绝,直到唐元宗派专人去接,他才回到长安,从此开始了一生中极其重要的天文研究生涯。他在天文仪器制造、开展天文大地测量和制定新历法《大衍历》方面都作出了重要贡献。

由于原先使用的《麟德历》多次预报日食不准,一行奉旨主持修编新历。他主张在实际测量的基础上编订历法。为做好天文实际测量工作,就得先制造精确的天文仪器,为此他制成了黄道游仪,此仪器的黄道可在赤道上移位,以符合岁差造成的黄道、赤道相对位置的变化,后来他又与人合作设计制造了水运浑象,用水力推动浑象运转,并附有自动报时设备。

后来,他主持了全国大规模的天文大地测量,以便为编订新历法提供丰富观测资料。在这次天文大地测量中,在今河南省,他们测量了四个地方的北极地平高度和夏至日影高度,据此计算得南北两地相距约129.22公里,其北极地平高度相差1度,从而否定了“日影千里差一寸”的传统观念。

公元7世纪20年代中期,一行开始编制历法。两年后,写成初稿,定名《大衍历》,同年一行去世。

《大衍历》比唐代已有的其他历法更精密,自颁行全国起,共施行33年。后来,此历传到日本,曾在日本行用近百年之久。《大衍历》的编排,结构严谨,条理分明,共分历数7篇,略例1篇,历议10篇。这种编排成为后世许多历法的楷模。

一行还编写了《七政长历》、《易论》、《心机算术》、《宿曜仪轨》、《七曜星辰别行法》、《北斗七星护摩法》等。后人总结其理论,编著《开元大衍历》。为了纪念一行的功绩,人们将小行星1972命名为“一行小行星”。

作为一名“超脱尘世”高僧,一行为我国天文学事业的发展作出了巨大的贡献。我们也应该像一行一样,不管身处何时何地,都不要放弃对真理的追求。

博学多才的苏颂

苏颂,字子容,宋代天文学家,世界上最早的天文钟、近代钟表关键部件“天关”的创始人。

苏颂小时候学习非常勤奋,中进士后为官五十多年,政绩颇著。任江苏江宁知县时,清查富户田田漏税情形,核实丁产,编成户籍,按册课税,既增加了国库收人,又减轻了穷人的负担。为南京留守,深得长官欧阳修的器重,赞许他“处事精密”。任颖州知州时,正值朝廷为宋仁宗修筑皇陵,许多州县官趁机加捐派款,中饱私囊。苏颂却从州库拨款置办朝廷摊派的物资,不侵扰颖州百姓。苏颂为官耿介,忠于职守。他担任知制法的第二年,王安石要越级提拔李定,宋神宗让苏颂起草诏令,苏颂却断然拒绝,即使被罢免了知制法的职务,也从不言悔。

苏颂博学多才,他在科学技术方面的成就远远超过他的政绩。他在国史馆任职期间,独立编著了《本草图经》21卷。该书对动物化石、潮汐理论的阐述、植物标本的绘制,都在相应学科中占有领先地位。苏颂一生最大的贡献还在于复制水运仪象台。宋代之前,东汉张衡创制的浑天仪和唐代僧一行等人的复制品都已失传,苏颂组织一批科学家,运用自己丰富的天文、数学、机械学知识开始着手复制,不久获得成功。后来,他又成功复制了铜质台。水运仪象台以水力运转,集天象观察、演示和报时三种功能于一体,是世界上最早的天文钟、近代钟表关键部件“天关”的创始人。在这个领域里,他的发明创造比欧洲的罗伯特·胡克早6个世纪。

苏颂写出《新仪象台法要》3卷,详细介绍了水运仪象台的设计及使用方法,绘制了我国现存最早最完备的机械设计图,附星图63种,记录恒星1434颗,比300年后西欧星图纪录的星数还多442颗。英国科学家把《新仪象法要》译成英文在国外发行,并给予苏颂以极高的评价。

苏颂令人景仰的,不仅仅是他在天文学的成就,还包括他忠于职守,执政爱民,敢于向强权说“不”的精神。

“中国的第谷”——天文学家郭守敬

郭守敬,字若思,河北邢台县人,元代杰出的天文学家、水利工程学家、数学家和仪表制造家。

郭守敬发明和创造了许多当时处于世界领先地位的天文仪器,为中国乃至世界天文学的发展做出了卓越贡献。他组织研究制定的《授时历》,以365.425日为一年,与地球围绕太阳公转一周的时间仅差26秒,比现行公历早了近三百年。明朝时来中国的德国传教士汤若望曾尊称郭守敬为“中国的第谷”。(第谷,16世纪丹麦天文学家,近代天文学奠基人,以制造精密天文仪器著称。)

郭守敬在少年时代就显露出了敏锐的观察力和超人的科学才能。大约在十五六岁时,一个偶然的机会,郭守敬得到了一份《石本莲花漏图》,郭守敬凭其聪明才智熟练掌握了莲花漏的制造方法和工作原理,并照图复制了一台莲花漏。郭守敬20岁时,担负了设计修复邢州石桥的重任。郭守敬经过仔细勘查后便很快制定出了修改方案,仅用了40天的功夫就修复了石桥。年轻的郭守敬所显露出来的科技才能引起了很多人的注意和赞扬。

忽必烈曾在开平府接见郭守敬。郭守敬北上应召时,把刚铸好的一套莲花漏运到燕京,取名为“宝山漏”,献给了忽必烈。这套计时器构造精巧,水流均匀,计量时间很准确,后来成为元代司天台(即国立天文台)的计时工具。

元朝统一后,元世祖下令设置太史院,王恂为太史令,郭守敬为同知太事院使,集全国各地的优秀天文学家和历法人员,开始了改编新历的繁重工作。郭守敬认为“历之本,在于测验;而测验之器,莫先仪表”,因此他率领一大批能工巧匠先后制出了许多精密的天文仪器,其中最为后人推崇的是简仪、仰仪和圭表等。

郭守敬在浑天仪的基础上发明了简仪。他大胆革新,只保留了浑天仪三组圆环系统中的两个圆环系统,又把其中的一组分立出来,改成另一个独立仪器,这样就扩大了观测范围、增加了实用性。郭守敬精心改制的这一仪器既精确又简单,故称之为“简仪”。而在欧洲,类似这样的天文仪器,直到18世纪才开始在英国使用。简仪是一件铜制中空半球形仪器,像一口仰放的锅,所以取名“简仪”。半球口沿上标有东西南北方位和十二时辰,里面以观测地的北极高度为中心,刻着纵横交错的赤道坐标网。口面中心用一横一纵两根竿子架着一块玑板,板心开着一个小孔,小孔的位置正好在半球面的球心上。太阳光通过小孔在半球里面成一倒像,这时人们根据赤道坐标网就可以测定在天空中的位置。此外,通过简仪还可直接观察到日食、月食等天文现象。遗憾的是郭守敬的这件杰作,到清康熙年间时竟毁于西方传教士手中,未能幸存至今。

圭表是我国最古老也是最常用的测定二十四节气的仪器。郭守敬借鉴旧圭表新设计了一种圭表,叫高表。高表的表柱用铜铸成,并且增高到三十六尺,这样就使得表影也相应地增长,按比例推算各个节气的误差就可以大大减少。圭面上的刻度也增加了,能够直接量到厘,还可往下估算至毫。为解决表高影长圭面模糊的问题,郭守敬进行了两项改进:一是表柱上端加一横梁,由两条四尺高的龙托住,从梁心到圭面共四十尺。横梁的阴影就是表影的尽头;二是设计了一件辅器——景符。就是利用小孔成像的原理,使日光通过一个薄片上的小孔,再射到圭面,从而收到影界清晰的效果。郭守敬的这些发明与改革从根本上克服了自唐宋以来圭表所存在的一些主要缺陷。

郭守敬还设计和制造了许多天文仪器,如适合野外工作用来投正方位的正方案、推算地平高度的窥几,还有大明殿漏灯、丸表、悬正仪、座正仪、浑天象、玲珑仪、立运仪、证理议、日月食仪等。很多仪器其设计的科学性和使用的准确性,在当时世界上也处于领先地位。

创制好各种天文仪器后,郭守敬便向忽必烈呈奏,请求扩大观察范围。元世祖考虑到制定新历的需要,便采纳了郭守敬的建议,令监候官十四人赴全国各地进行观测研究。郭守敬亲自率领一批人马,从上都出发,中间经过大都、河南等地,最后到达广州,一路上进行了测验日影等多项科研活动。郭守敬充分利用自己研制的仪器,进行了一系列的天文观测工作,取得了令人瞩目的辉煌成就,其中关于黄赤大距的测定和二十八宿距离的测定,具有特别重要的意义。经过四年多的辛勤劳作,一部当时世界上最先进的历法——《授时历》宣告完成了。元世祖忽必烈大喜过望,即令从第二年起,全国一律实行《授时历》。《授时历》以365.425为一回归年的日数,这和地球绕太阳一周所经历的实际时间只差26秒,比现行公历整整早了300年。

《授时历》一反传统彻底废弃了上元积年的传统,采取实事求是的简易办法,并以1280年冬至为推算各项天文数据的起点,这在我国历法上是一大进步。由于授时历所取朔望月和交点月的长度都很准确,加之它又在掌握了较准确的日月运动轨道的基础上,采用了缜密的计算方法,所以,它对日食和月食的预测十分准确。

授时历颁行之后,深受人们的欢迎。不仅如此,授时历还漂洋出海先后传至朝鲜和日本,为当地人民所接受和使用。

授时历制定完毕后,郭守敬便集中精力总结多年来积累的丰富经验进行著书立说,他先后编纂了《时候笺注》二卷、《修改源流》一卷、《仪象法式》二卷、《二至晷影考》二十卷、《五星细行考》五十卷、《古今交食考》一卷、《新测二十八宿杂座诸星入宿去极》一卷、《新测无名诸星》一卷、《月离考》一卷,但只有《授时历经》和《授时历仪》因载入了《元史》而得以幸存至今。

为纪念郭守敬的功绩,人们将月球背面的一环形山命名为“郭守敬环形山”,将小行星2012命名为“郭守敬小行星”。

郭守敬不因循守旧,勇于开拓创新,实事求是,编写了当时非常精确的历法,产生国际性的影响,成为我国一代天文大师。也正是这种实事求是、勇于创新的精神,促进了人类社会的不断进步。

我国天文学的先驱——徐光启

徐光启,明末著名的科学家,第一个把欧洲先进的科学知识,特别是天文学知识介绍到中国,可谓我国近代科学的先驱者。徐光启出生在一个由经营商业转归为经营农业的家庭,青少年时代的徐光启,聪敏好学,万历九年中秀才后,因家境关系,徐光启开始在家乡教书。加之连年自然灾害,他参加举人考试又屡试不中,这期间,他备受辛苦。

徐光启20岁时中秀才,36岁中举人,考中进士时已是43岁,为科举功名共用去了23年时间。考中进士以后,徐光启对垦荒、练兵、盐政等方面都多所建术,但其主要精力则是用于修改历法。

徐光启在天文学上的成就主要是主持历法的修订和《崇祯历书》的编译。徐光启从编译西方天文历法书籍入手,同时制造仪器,精心观测。编制历法,在中国古代乃是关系到“授民以时”的大事,为历代王朝所重视。由于中国古代数学历来重视实际计算并以此见长,历来重视和历法编制之间的关系,因此与世界上其他国家和地区相比,中国古代历法的准确程度是比较高的。但是到了明末,却明显地呈现出落后的状态。一方面是由于西欧的天文学此时有了飞速的进步,另一方面则是明王朝长期执行不准私习天文,严禁民间研制历法政策的结果。徐光启参考了古代托勒玫旧地心说和以当代第谷的新地心说为代表的欧洲天文知识,会通当时的中西历法,主持编译了《崇祯历书》。在历书中,他引进了圆形地球的概念,明晰地介绍了地球经度和纬度的概念。他为中国天文界引进了星等的概念;根据第谷星表和中国传统星表,提供了第一个全天性星图,成为清代星表的基础;在计算方法上,徐光启引进了球面和平面三角学的准确公式,并首先作了视差、蒙气差和时差的订正。此外还亲自参加了其中《测天约说》、《大测》、《测量全义》等书的具体编译工作。

《崇祯历书》的编纂对于我国古代历法的改革是一次飞跃性的突破,它奠定了我国近三百年历法的基础。徐光启的编历工作为中国天文学由古代向现代发展奠定了一定的思想理论和技术基础。

科学没有国界,古为今用、西为中用,融会贯通,这才是学习的本质所在。

历算第一名家——梅文鼎

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