第四讲  中国古代的历法成就

我国古代历法的起源是很早的。有原始的农牧业就应该有原始的历法。早期的历法现在只留下片言只语的传说，难以深入考究。成文的历法从周末到汉初的《古四分历》开始，经过多次的历法改革，在改革和斗争中不断进步和完善，达到了相当高的科学水平，取得了一个又一个成就。我国古代的历法大都使用传统的阴阳历，但是所包含的内容却不仅仅是年月日时的安排，还包括日月五星位置的推算、日月食的预报、节气的安排等等。历法的改革，包括了新的理论的提出，精密天文数据的测定，计算方法的改进等等。我国古代的历法成就，在世界天文学史上占有相当重要的地位。下面只介绍几个主要方面。

一、对太阳视运动的研究

由于地球的自转轴并不和它的公转轨道平面垂直，黄道和赤道相交成二十三度半左右的夹角，这就使得同一地区太阳地平高度作规律性的变化，形成这一地区气候寒暖的更替。因此，对于太阳视运动的研究直接关系到历法的制定。研究太阳视运动的方法有两种：一种是测量中午时候日影的长度变化，来决定季节的变化和测定回归年的长度（古代称作“岁实”）。这种观测所使用的仪器是圭表。一种是测定太阳在恒星间的位置，研究太阳一年中运动的快慢变化和测定冬至点逐年变化的数值（古代称作“岁差”）。这种观测使用的仪器是浑仪等测角仪器。下面主要讲三项：

（1）冬至时刻的测定和回归年长度的推求

冬至、夏至在战国时期以前称作“日南至”、“日北至”，表明冬至是一年中日在南天最低位置的一天，日影最长，夏至是日在南天最高位置的一天，日影最短。由于冬至影长，夏至影短，冬至的测定结果比夏至要精确一些。

只有准确测得冬至的时刻，才能准确地预报季节；有了几次准确的冬至时刻，就能得到岁实的数值。因此，测定准确的冬至时刻是我国古代历法工作者的重要课题。保留下来的我国最早的冬至时刻的观测记录是在春秋时期的鲁僖公五年（公元前655年）和鲁昭公二十年（公元前522年）。

从理论上说，测得相邻两次冬至时刻，就能求得回归年的长度。但是，由于用土圭简单地观测日影的变化所定出的冬至日期并不很准确，可能有一二日的误差；另一方面，每次到达冬至的时刻并不正好在日中，简单地用土圭观测，并不能得到冬至发生在某一天中的确切时刻。古人为了弥补这一缺点，尽量利用相隔多年的冬至日的观测记录，以便减少观测误差给推求回归年长度带来的误差。

春秋时期末年（公元前五世纪），我国开始使用《古四分历》，它的岁实是365.25日，这是当时世界上所使用的最精密的数值。希腊的《伽利泼斯历》和我国的《古四分历》相当，但是要比我国晚大约一百多年。《古四分历》规定十九年中置七个闰月，就是十九个回归年正好有235个朔望月，那么一个朔望月等于29.53085日，也比较精密。《古四分历》的创制是一项具有世界意义的伟大贡献。

随着社会的进步和科学的发展，人们对于历法提出了越来越精密的要求。《古四分历》使用了一个时期以后，人们就发现历法所推的气朔逐渐落后于实际天象。为了避免这一现象，必须改用新的历法，来纠正这一误差。西汉《太初历》和东汉《四分历》就是通过改元的办法来纠正误差的。但是，人们逐渐懂得，不断改元并不能从根本上解决问题。东汉末的刘洪认识到误差的产生是由于《四分历》的岁实太大，他第一次减小了岁实，这样就提高了历法的精度。

要进一步提高历法的精度，必须从冬至时刻的测量方法上改进。西汉以后，人们就已经习惯使用八尺高表来测定冬至的日期。但是，用八尺高表简单地进行测量，并不能得到理想的结果。于是人们曾想过好多改进的方法。南北朝时期的祖冲之（429—500），首先从观测技术的改进上达到了提高观测精度的目的。由于冬至前后的影长变化不太明显，这给冬至时刻的准确测定带来困难，更重要的是简单的测量只能得到冬至发生的日期，而不能得到一天中什么时刻是冬至。祖冲之想出一个新的方法，他不直接观测冬至那天日影的长度，而是观测冬至前后二十三四日的日影长度，再取它们的平均值，求出冬至发生的日期和时刻；又由于离开冬至日远些，日影的变化就快些，所以这一方法提高了冬至时刻的测定精度。祖冲之制定的《大明历》的岁实取365.2428日，这在当时来说是很精密的，只有到了南宋以后的几个历法，才能达到或超过他的水平。宋代《明天历》以后的历法，采用更多的观测点，并加大了两个冬至时刻年代的间隔，这样就减小了所求回归年数值的误差，才更加提高了精度。

元代的郭守敬，是数学、天文、仪器制造等方面都有重要贡献的科学家，他不但继承了前人观测日影的方法，而且创造了一个叫做“景符”的仪器，用来解决日影边界模糊不清的问题。景符的原理是，使照射在圭表上的日光首先通过一个小孔，再射到圭面，形成一个米粒大小的光点，它的边缘就很清楚，可以量取比较准确的影长。按理说，加长表高就能使日影变化更显著，但是表高增加以后，边界模糊不清就更严重，实际上达不到提高精度的目的。解决了日影边缘的清晰问题，就可以加大表高来增加测量冬至时刻的精度。现存的河南登封测景台，就是郭守敬所造的巨大的砖石结构的圭表。表高四丈，是传统高度的五倍。南宋的杨忠辅对历史上的观测数据进行了认真的分析研究，在他于宋宁宗庆元五年（公元1199年）制定的《统天历》中首先使用了365.2425日的精密的岁实数值。郭守敬根据自己多次精密测定的冬至时刻的结果，并且利用历史上从祖冲之《大明历》以来的六次冬至时刻的观测资料，证实了365.2425日是我国历史上所使用的最精密的数值。这个数值的使用，在世界历法史上是最早的。欧洲的著名历法《格里历》也是采用这个数值，但是要比《统天历》大约晚四百年。明末的邢云路又把表高加大到六丈，测得岁实365.242190日，比用现代理论推算的当时数值只小0.00027日，精密程度超出了当时欧洲天文学的水平。

（2）冬至点和岁差的测定

冬至点就是指冬至时太阳在恒星间的位置，这种位置现代都以赤经、赤纬来表示。我国古代是以距离二十八宿距星的赤经差（称作入宿度）和去极度来表示。

战国时期的《古四分历》所测得的冬至点在牵牛初度。秦代使用的《颛顼历》立春在营室五度，按古度推算，那太阳冬至点的位置也在牵牛初度。这应该是我国最早的冬至点的实测数据。

由于太阳的位置不能直接测量，只能间接推得，早期测定冬至点的方法大致是利用当时给定的冬至日，以漏刻得到夜半的时刻，由这个时刻中天的恒星的入宿度，反推得到太阳的位置。这一方法由于漏刻定的时间难以准确，所以测得的数值也比较粗略。

在晋代以前，我国的天文学家是不知道有岁差现象的。天周和岁周不分，以为从冬至到冬至一周岁（岁周），就是太阳在众星间运行一周天（天周）。所以当《四分历》把回归年长度定作365 1/4日，也把周天划分成365 1/4度。他们相信冬至点的位置一旦测定，就永远不变，所以战国时期到西汉大都沿用冬至点在牵牛初度这个数据。西汉武帝太初元年（公元前104年）制定的《太初历》，认为冬至太阳在建星，实际并未改变。西汉刘歆在成帝绥和二年（公元前7年）说，冬至点的位置进退牛前四度五分，含糊其词，不敢肯定。东汉贾逵在章帝元和二年（公元85年）才明白地说，冬至太阳在斗21 1/4度。汉代人不知道岁差的现象，但是通过实际观测，已经明显地反映出冬至点的位置是变化的。南北朝时期后秦的姜岌，想出了一个巧妙方法，就是在月食的时候测量月亮的位置，这样推得太阳的位置，再核算到冬至太阳的位置。这种方法是相当准确的。他实测得冬至点的位置在斗十七度。

地球是一个椭球体，又由于自转轴对黄道平面是倾斜的，地球赤道那里的突出部分受到日月等吸引而引起地轴绕黄极作缓慢的移动，大约二万六千年移动一周，由此产生了岁差现象。这种变化是缓慢的，冬至点在赤道上每年西移的度数，依我国古代所用的度数计算，大约七十七年差一度。

晋成帝的时候（公元330年前后），虞喜（约284－约360）比较了历史上冬至点的观测结果，第一次明确地提出冬至点有缓慢的移动，认识到太阳在天球上运动一周天并不等于冬至到冬至一周岁，应该“天自为天，岁自为岁”。太阳从冬至到下一个冬至，还没有回到原来恒星间的位置，还不到一周天，于是称这个现象叫“岁差”。虞喜根据自己的分析结果，认为五十年冬至点沿赤道西移一度。他的发现虽然比古希腊的依巴谷迟约四百五十年，却比依巴谷冬至点每百年沿黄道西移一度（依我国古代度制计算）相当于冬至点经109年多沿赤道西移一度）的数值精密。在虞喜以后不久，岁差便在历法的计算上得到实际应用。

何承天也讨论过岁差现象，他以为赤道岁差每百年差一度，但是没有应用在他的历法中。祖冲之是第一个用它来改进历法的人。他实测得冬至点在斗十五度，和姜岌的斗十七度相比较，不到一百年就差二度，因而得到四十五年十一个月差一度。虽然祖冲之所得的数据不很准确，但是他在历法中引用岁差，却是一个很大的革新。隋代的刘焯，在他的历法中使用七十五年差一度的黄道岁差数值，这在当时来说，已经相当精密了，而这时候西方还是沿用依巴谷的数值。唐宋以后，赤道岁差值的推算更加准确，如周琮的《明天历》、皇居卿的《观天历》、陈得一的《统元历》等都曾采用平气和定气地球沿着离心率很小的椭圆绕太阳运动，每天实际运行的距离是不等的，但是由于离心率很小，这种差数是不大的。古代受观测仪器的限制，在南北朝以前还不知道太阳的视运动是不均匀的，认为太阳每天所行的角度相等。当时也不知道有岁差，那么一年太阳行一周天，一年365 1/4日，一周天就是365 1/4度，太阳每天行一度。每一节气所占的日数也相等，是15.2日。后人把这种规定节气的方法称作平气或恒气。

北齐张子信用浑仪在海岛实测了许多年，才发现太阳的视运动是不均匀的，发现“日行在春分后则迟，秋分后则速”（《隋书·天文志》）。事实上，当时冬至点离开黄道的近地点不远，近地点只在冬至点前十度多，这一结果是大致符合实际情况的。随着时代的推移，冬至点和近地点越来越接近，大约在南宋的时候二者相合。

张子信的这一发现，对历法的改进是有很大意义的，不久就应用在历法中。刘焯等开始提出在历法中改用二十四等分周天来定节气，得每气十五度多，这种划分节气的方法称作定气。由于太阳每天在黄道上移动的快慢不同，所以太阳移行一气所需的日数也不一样。冬至前后日行快，一气只有14.718日；夏至前后日行慢，一气达15.732日。他推得春分、秋分离冬至各88日多，离夏至各93日多。但是他所给定的太阳运行快慢数值是和实际不符的。僧一行的《大衍历》却更符合实际情况，认为冬至附近日行最快，所以二气间的时间最短，夏至附近日行最缓，所以二气间的时间最长。《大衍历》指出了正确的日行快慢规律，纠正了刘焯的错误认识。实际上，《大衍历》日行最快的时刻定在大雪和冬至之间，当时实际近地点在冬至点前九度，所以《大衍历》的数据是准确的。《大衍历》又测知从冬至到春分六个定气间共88.89日，日行一象限；从春分到夏至六个定气间共91.73日，也行一象限。秋分前后和春分前后情况相同。

郭守敬的《授时历》把日行最快的时刻定作冬至，《授时历》创作时代的近地点实际在冬至后不到一度，所以它所使用的数值是很精密的。《授时历》根据实测，知道从冬至到平春分前三日（定春分），日行一象限，只需88.91日；从平春分前三日到夏至93.71日，日也行一象限；秋分前后相同。

由此可知，从《大衍历》以后，就有了能够比较准确地推算太阳位置和推算定气的方法。但是由于长期使用平气的习惯影响，安排节气仍用平气，定气这种概念只是在计算日行度数和交会时刻等的时候才使用。直到清代才改用定气。