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古人如何觀測日食?

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新京報 微博 | 2009年05月20日17:22

  作者:劉錚

  這根牛骨上刻有一則與日食有關的占卜記錄,“癸酉,貞:日夕又食”。

  在西方,人們認為古希臘哲學家泰勒斯曾經(jīng)利用自己推算出的一次日食,阻止了一場戰(zhàn)爭。

  日食是地球、月球形成之后就已經(jīng)存在的自然現(xiàn)象。而人類到來之后,日食有了新的意義。日食進入了人類的歷史,并且成為歷史重要的內(nèi)容,從記錄日食到預測日食,從相信它是天神干預人間事務的手段,到能夠?qū)λM行科學的解釋,中間經(jīng)歷了漫長的歷史,發(fā)生了很多有趣的故事。

  日食記錄 中國第一

  日食是人類肉眼所能觀察到的最震撼的天文現(xiàn)象,所以人類自古就對日食重視有加。中國有悠久、豐富的日食觀測記錄。《竹書紀年》記錄了夏仲康五年秋九月庚戌朔(約公元前二十世紀)的日食,這是目前世界上發(fā)現(xiàn)最早的一次日食記錄。據(jù)統(tǒng)計,從春秋到乾隆年間,中國史書記載的日食大約近千次,居世界首位。

  在中國古代,觀測日食的方法主要是用水盆反射的方法。這種方法最早見于公元前一世紀的《開元戰(zhàn)經(jīng)》。到了宋代,人們用油盆代替了水盆。元朝的郭守敬用小孔成像法能夠準確測量食分(食分是被月亮遮住的太陽部分視直徑與整個太陽視直徑的比)。到了明朝末年,天文學家徐光啟開始用望遠鏡觀察日食。

  日食預測有風險

  人類預測日食的歷史也非常久遠。因為日食被賦予了很深的政治意義,所以古代皇家天學家的重要職責之一,就是預報日食。據(jù)《尚書·胤征》記載,羲和(相傳為帝堯所任命的皇家天學官員)因沉湎于酒,未能對一次日食做出預報,結(jié)果引起了混亂。這一失職行為給他帶來了殺身之禍,這說明當時已經(jīng)開始預報日食。而在西方,公元前1000年左右的巴比倫人就已經(jīng)能夠預測日食(當然,他們也不一定預測得準)。

  預測日食聽上去很了不起,其實不需要現(xiàn)代的科學知識也能做到。首先,它的原理不難猜到,因為古代的天文學家整天都在跟蹤太陽和月亮的運行軌跡,所以很容易發(fā)現(xiàn)日食的時候月亮會“侵入”太陽,從而推測出日食的成因。第二,預測日食不用掌握“日心說”。其實,從運動學的角度來說,說太陽繞著地球轉(zhuǎn)也沒什么問題,之所以最終日心說勝出,是因為這種說法更簡潔,也更符合牛頓力學的解釋。預測日食不一定非要認為地球繞著太陽轉(zhuǎn),只要能夠算出太陽的“軌道”和月亮的“軌道”的交點在何時何地即可。當然,這種計算還要輔以大量的觀測數(shù)據(jù)。

  那么,中國古代是采用什么樣的宇宙模型,是怎么預測日食的呢?清華大學科技史研究所所長馮立昇說,中國古代確立了與現(xiàn)代球面天文學模型基本一致的天球模型,還是比較先進的。中國人很早就知道了月球、太陽運行和日食的關系。中國古人在西周時發(fā)現(xiàn)日食都是在朔日發(fā)生,在戰(zhàn)國時已經(jīng)對交食周期進行了研究,從而確定了一套預測日食的公式,東漢時提出了時限概念,因此預報日漸準確還是比較準確的,當然也有預測錯誤的時候。西方在近代研制出能夠通過模擬太陽、地球和月亮運動而預測日食的儀器,中國古代并沒有用這類儀器預測日食。

  所以,古代有很多成功預測日食的例子,也有很多失敗的例子。北京天文臺臺長朱進說,古代之所以預測日食不十分準確,一是因為宇宙模型不是太正確,二是計算精度也不高。

  當然,現(xiàn)在的日食預測是非常準確的。朱進說,現(xiàn)在日食的預測已經(jīng)不需要觀測,全靠計算就可以精確預測日食,靠著計算機,可以很快很好地預測日食。雖然因為潮汐、小行星和遙遠天體的微小引力等原因會引起地球、月球軌道的微小改變,但這種改變對日食預測的影響很小。

  錯報日食是件好事

  《新唐書》卷二七《歷志三·下》記載,當時負責天象觀測、推算的官員報告說,開元十三年十二月會出現(xiàn)日食。古代中國人錯誤地認為,日食是對皇帝“不德”的警告和懲罰,所以通;实蹅兟牭竭@樣的報告就會設法作出禳救。當時,唐玄宗正在從泰山封禪回京的路上,于是用禁食、簡裝的方法來補救。

  誰知道,到了天官預測的時間點上,日食居然沒有發(fā)生!如果這事擱現(xiàn)在,我們會說天官算錯了。可那時候這可了不得,大臣們興奮地認為皇帝德行感天,紛紛上表祝賀。

  這里引發(fā)出一個有趣的話題,如果日食是可以預測的,那么它就像二十四節(jié)氣一樣只是自然現(xiàn)象,很難再和政治活動掛鉤,那么“天官”的作用就下降了;但是如果完全不能預測,“天官”就變成單純的記錄者,地位也會下降,那么他們的地位是如何在很長的歷史時期里得以保持的呢?

  唐代的天文學家僧一行真是絕頂聰明的人,他一語道出真諦:“使日食皆不可以常數(shù)求,則無以稽歷數(shù)之疏密;若皆可以常數(shù)求,則無以知政教之休咎”。就是說,如果日食完全沒有規(guī)律,那歷法的準確性就無從談起;但如果每次日食都有規(guī)律可循,那就無法得知上天對人間政治優(yōu)劣所表示的態(tài)度了。也就是說,日食有可預測的因素,同時也有不可預測,或者人為力量可以臨時改變的因素,既有點像賭博,又有點像追求美女。

  “欽天監(jiān)”不懂天文學

  到了清代,由于行星運轉(zhuǎn)周期的細微差異,傳統(tǒng)中國的天學已經(jīng)與天文現(xiàn)象的實際情況出現(xiàn)了很大差距。耶穌會士的科學家們,比如湯若望,給中國帶來了近代天文學,這大大推進了中國天文學的發(fā)展。

  清朝初年,兩派天文學家還進行過一次“日食推算PK”。當時,湯若望推算出八月初一會發(fā)生日食,并預言了發(fā)生時刻。而中國天學家們也通過傳統(tǒng)歷法推算出與之不同的時刻。最終,日食果然在湯若望預言的時刻發(fā)生。事后,他被任命為欽天監(jiān)的“監(jiān)正”。此后,該部門一直陸續(xù)存在著耶穌會士的影子。

  1793年,馬戛爾尼率領的英國使團來到北京。他們帶來了當時最先進的天文儀器。這些儀器被認為“能預測未來1000年太陽、地球和月球的運行情況”,當然也能準確地預測日食。據(jù)當時使團成員丁維提的筆記,當時清政府中專門負責天象事務的部門“欽天監(jiān)”的工作人員,一開始還以為這不過是個“自鳴鐘”或者“八音盒”,搞清楚它的作用就走了。

  第二天,當時的北京主教、葡萄牙神父湯士選悄悄地找到使團請求幫助。原來,當時湯士選的主要工作就是掌管歷法,但他其實根本不能預測日食或月食。在此之前,他們由于有巴黎出版的《天文歷書》,所以能應付這項工作。但法國大革命切斷了新歷書的來源,他們的騙局就要露餡了。丁維提出于同情,給了他一本可用到1800年的航海歷書,這樣不學無術的“洋和尚”湯士選才可以堅持到1800年。

  日食幫助夏商周斷代

  日食在古代是一種非常重要的天文現(xiàn)象,所以有詳細的記載。誰能想到,兩千多年前的一次日食紀錄,在上世紀90年代的“夏商周斷代工程”中起到了關鍵性的作用。在古本《竹書紀年》中,有這樣一段簡短的記載:“懿王元年……天再旦于鄭”。人們早就知道,周懿王是西周王朝從武王算起的第七位天子,但“懿王元年”是哪一年,卻從沒有確切的記錄。天文學家懷疑,“天再旦”是在黎明時發(fā)生一次日食,使“天亮了兩次”。

  為了驗證是否會出現(xiàn)這種現(xiàn)象,1997年3月9日在新疆北部組織的日全食觀測網(wǎng),60位觀測者從18個不同地點觀測,寫出35份報告,證明了黎明時發(fā)生的日全食確實會產(chǎn)生“天再旦”的現(xiàn)象,F(xiàn)在計算出公元前899年有一次這樣的日食,從而推測出懿王元年就是公元前899年,從而把中國有確切紀年的歷史又向前推進了58年。

  新知專題采寫/本報記者 劉錚

  本專題感謝:朱進(北京天文臺臺長)、馮立昇(清華大學科技史研究所所長)

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