一本最大规模的天文观测成果

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-16

  〖2017年“十佳新锐科普创客大赛”参赛作品,版权归大赛主办方所有,任何媒体、网站或个人不得转载!违者追究相应法律责任!〗

  公元1279年,统一的蒙古帝国,由郭守敬等人主持在全国设立了二十七个观测点,开启了“东至高丽,西极滇池,南逾朱崖,北尽铁勒”的天文观测。其中,最北的北海观测点大约在北纬64°5′的地方,已经接近北极圈;最南的设在海南岛、西沙群岛。南北之间最远长达一万多里,东西绵延六千余里,这是我国古代和当时世界上最大的一次天文观测活动。然而这次观测的目的却是为了制定一本新历法——《授时历》。

  古代社会主要依靠农业生产,而农业生产的耕种收割和气候变化离不开,这就需要一个准确的历法,定节气、物候来指导生产。蒙古起先使用的是金朝颁布的历法,这种历法误差很大,多年之后已经不利于生产。所以在1276年,元军占有了南宋都城临安的那一年,元世祖忽必烈决定在全国任用一批天文学家展开制定新历,而这批人中首推郭守敬。

  郭守敬(1231-1316),河北邢台人,其祖父郭荣精通天文、算数、水利,在其影响下郭守敬很小便养成了极强的动手能力,据说十五六岁就用竹篾编制了测天的浑仪。郭守敬本身就不爱玩耍,后来又在当朝谋臣刘秉忠门下深造,年纪轻轻便在朝廷中主持参与水利、天文的工作。

  当郭守敬收到制定新历这份任务的时候首先便提出了“历之本在于测验,而测验之器莫先仪表”。仪表指的就是浑仪和圭表,前者用来测定二十四节气,特别是冬至和夏至的确切时刻,后者测定天体在天球(把天空假想成一个球面)上的位置。

  圭表中的“表”是一根垂直立在地面的标竿,“圭”是从表的跟脚上水平伸向北方的一条石板。当太阳转到正南方向的时候,表影就落在圭面上。量出表影的长度,就可以推算出冬至、夏至等各节气的时刻。它是我国创制最古老、使用最熟悉的一种天文仪器。

  当时大都城里天文台的仪器设备都是金国的遗物,所用的圭表因年深日久而变得歪斜不正。首先是表影边缘并不清晰。阴影越靠近边缘越淡,到底什么地方才是影子的尽头,这条界线很难划分清楚。影子的边界不清,影长就量不准确。其次测量影长的技术不够精密。古代量长度的尺一般只能量到分,往下可以估计到厘,即十分之一分。按照千年来的传统方法,测定冬至时表影的长,如果量错一分,就足以使按比例推算出来的冬至时刻有半个至一个时辰的出入。(一个至两个小时)这是很大的误差。

  面对这些困难,郭守敬分析原因,分别寻找对策。他把表杆从八尺增高至四十尺,增加一根横梁,是为“高表”,表影加长了,边缘部分清晰度便提高了。然而这还不能彻底解决边缘清晰度的问题,郭守敬又增加了一个名为“景符”的辅助仪器。景符又叫“影符”,是一片四寸长、二寸宽中间开了针孔的铜叶,并做成箱子盖般以便于调节它的倾斜度。把景符放在圭面上,正午测日影时使它与日光垂直,使太阳、高表横梁与景符小孔处在同一条直线上,圭面上便呈现出只有一条发丝一样细的影子,极大地提高了圭表的精确度。此外郭守敬还制作了“窥几”,使圭表在星光月光下也可以使用。

  接下来是对浑仪的改造,天文台里的三架破旧的浑仪还是北宋汴京时用的,可是纬度差了四度已经不能直接使用。郭守敬便建议修建新的观星台,并着手制造新的观天仪器。浑仪是由游环和观测用的窥管组成。游环由最初的赤经环、赤道环渐渐增加了地平环、子午环、黄道环、白道环和内赤道环。多重环是个杰出的创造,但也存在这两大缺陷:一是要把这么多的圆环组装得中心都相重合,十分困难,因而易产生中心差,造成观测的偏差。二是每个环都会遮蔽一定的天空,环数越多,遮蔽的天空也越大,这就妨碍观测,降低使用效率。北宋的沈括取消了白道环,而郭守敬居然直接取消黄道环,把浑仪拆成两个装置:简仪和立运仪,并在赤道环和立运仪间放入短铜棒。这在天文史上绝对是一个创举,而西方的达芬奇和第谷在两三百年之后才制造出类似的滚柱轴承以及赤道仪装置。

  有了基础设施的支持,庞大的国家便在郭守敬等人的倡导下陆陆续续展开浩大的天文观测活动。北至西伯利亚叶尼塞河流域,南到南海诸岛,郭守敬从上都(多伦),大都(北京)开始历经河南转抵南海跋涉数千里,亲自参与了各地测定工程。在其中的6个地点,特别测定了夏至日的表影长度和昼、夜的时间长度;测出的北极出地高度平均误差只有0.35;新测二十八宿距度,平均误差还不到5';测定了黄赤交角新值,误差仅1'多。这次测量活动,史称“四海测验”,这次大规模的测量为历法修订提供了大量而准确的数据。

  起初和郭守敬一起工作的王恂等人相继逝世,这使他身上的责任更加艰巨。但郭守敬不辞辛苦对我国近千年的四十多部历法进行了逐步查阅研究,把其中十三部的精华记录下来作为参考,同时焚烧了那些卜卦、念经之类的阴阳伪书。他大胆创新废除了从西汉以来的上元积年、以1281年冬至为起算点计算天文常数,又发明了三次内插法和接近现代球面三角公式等数学方法来处理数据,终于在1280年春天出炉了新历法,忽必烈以“敬授民时”的古语,把它命名为《授时历》。

  《授时历》推算出的一个回归年为365.2425天,即365天5小时49分12秒,与地球绕太阳公转的实际时间只差26秒钟,和现在世界上通用的《格里高利历》(俗称的阳历)的周期一样,但《格里高利历》是1582年(明万历十年)开始使用,比郭守敬的《授时历》晚三百多年。《授时历》在中国沿用了三百多年,产生了重大影响。朝鲜、越南都曾采用过《授时历》。

  1303年郭守敬已经垂垂老矣,元成宗下诏,凡年满七十岁的官员皆可退休,唯独郭守敬除外,因为朝廷还有工作还得依靠他,直到1316年郭守敬倒在太史院。

  郭守敬从21岁到86岁病逝,六十多年中不是治水观天就是研究地理数学,他不仅主持制订了古代世界上最精确的历法—《授时历》,进行了世界上规模最大的纬度测量,还创制了世界上第一台自鸣报时钟—七宝灯漏,最早发明并使用了滚动轴承,在大地测量中首次运用了海拔概念原理,在治水中开辟了集灌溉、航运、防洪为一体的综合利用的先河,晚年完成了《推步》等科学巨著。可以说他把一生的全部精力和聪明才智奉献给了人类科技的进步事业。

  郭守敬的一生是探索的一生,永不停懈的匠人般的一生。他事实求是,精益求精,为提高观测精确性不断改造天文仪器,治水时因百姓需要因旧谋新,渠首建闸。他善于继承,勇于创新,立足传统历法与仪器,同时又推陈出新,废除旧历中不足开辟新算法和历法。为了纪念郭守敬在天文方面的精神和成就,1970年国际天文学组织将月球背面的一座环形山命名为“郭守敬山”,1977年又将太阳系里一颗小行星命名为“郭守敬星”。

  在现代化的今天,农业生产已经大大摆脱了气节物候,我们也已经利用人造卫星、射电望远镜、铯原子钟等设备获取了极其精确的时间和历法。随着新的理论的提出,精密天文数据的测定,计算方法的改进等,历法也会不断地修正。或许郭守敬的成果渐渐过时,但他的科学精神,熠熠生辉,光耀后人!

扫码加蝌蚪五线谱微信