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梦溪笔谈·极星测量

 作者:沈括  更新日期:2011-04-07
浑仪、浑象与极星 【原文】 天文家有浑仪①,测天之器,设于崇台②,以候③垂象④者,则古机衡⑤是也。浑象,象天⑥之器,以水激之,或以水银转之,置于密室,与天行相符,张衡⑦、陆绩⑧所为,及开元中置于武成殿者,皆此器也。皇祐中,礼部试⑨《机衡正天

浑仪、浑象与极星
【原文】
天文家有浑仪①,测天之器,设于崇台②,以候③垂象④者,则古机衡⑤是也。浑象,象天⑥之器,以水激之,或以水银转之,置于密室,与天行相符,张衡⑦、陆绩⑧所为,及开元中置于武成殿者,皆此器也。皇祐中,礼部试⑨《机衡正天文之器赋》,举人皆杂用浑象事,试官亦自不晓,第⑩为高等。汉以前皆以北辰居天中,故谓之“极星”。自祖亘以机衡考验天极不动处,乃在极星之末犹一度有余。熙宁中,余受诏典领历官,杂考星历,以机衡求极星。初夜在窥管中,少时复出,以此知窥管小,不能容极星游转,乃稍稍展窥管候之。凡历三月,极星方游于窥管之内,常见不隐,然后知天极不动处,远极星犹三度有余。每极星入窥管,别画为一图。图为一圆规,乃画极星于规中。具初夜、中夜、后夜所见各图之,凡为二百余图,极星方常循圆规之内,夜夜不差。余于《熙宁历奏议》中叙之甚详。

【注释】
①浑仪:也叫浑天仪。我国古代测定天体位置的一种仪器,在支架上固定着两个互相垂直的圈,分别代表地平和子午圈;在其内还有若干个能绕一条和地轴平行的轴转动的圈,它们分别代表赤道、黄道、时圈、黄经圈等;在可转动的圈上附有可绕中心旋转的窥管,用以观测天体。
②崇台:高台。崇:高。
③候:伺望,侦察,这里是“观测”的意思。
④垂象:(天空)显现的星象。
⑤机衡:有的版本校作“玑衡”。玑衡,璇玑玉衡的简称。据胡道静先生考证,东汉一部分人认为璇玑玉衡就是浑天仪,后人研究认为这是错误的。尽管文献记载中浑天仪的历史可追溯到唐尧时代(见《隋书·天文志》引《春秋文耀钩》),但是都不可靠。李约瑟的《中国科学技术史》根据先秦时代“以管窥天”的成语推测,当时的观测仪器仅是一个简单的望筒,直到两汉时代,它的规格才渐渐完备起来。另外,古代常将浑象和浑仪两者总称为浑天仪,直到隋唐以后才比较明显地将它们加以区别。
⑥象天:模拟天象。象:象征,这里有“模拟”、“演示”、“验证”的意思。
⑦张衡:东汉科学家、文学家,字平子,河南南阳西鄂(今河南南阳石桥镇)人。他精通天文历算,创制了世界上最早用水力推动的浑象仪和测定地震的地动仪,并第一次正确地解释了月食的成因。他在文学方面也是才华出众的,所创作的赋和诗在文学史有一定的地位。
⑧陆绩:字公纪,三国吴郡吴县(今江苏苏州)人,精通天文、历算,曾制造过浑象仪。
⑨礼部试:唐代的进士考试本由吏部员外郎主持,到开元二十四年(736年),改由尚书省的礼部侍郎主持,通称省试。此后历代沿袭,科举遂为礼部专职,因此称在京城举行的会试为礼部试,亦称礼闱。
⑩第:科举考试的等第,这里用为动词,是“考官判定名次”的意思。
祖亘:即祖暅,祖冲之之子。
典领历官:沈括于宋神宗熙宁五年(1072年)提举司天监之职,“典领历官”即指此事。
复出:指所观测的北极星移动并离开了窥管的视野。
凡历三月:一共经过了三个月时间。
别:另外。
圆规:这里指圆圈。
循:这里指极星按圆圈路线移动。
《熙宁历奏议》:沈括于熙宁八年(1075年)上呈《奉元历》时所写的奏议。

【译文】
天文学家有浑天仪,是观测天文现象的仪器,设置于高台上以观察天象,即古代所称的玑衡。又有浑象,是模拟天球的仪器,用水冲击,或用水银泄漏作动力,使它转动,设置于密室之中,以与天球的运行相符合,张衡、陆绩所造及唐开元中置于武成殿的天文仪器都是这种器物。本朝皇祐年间,礼部举行贡举的省试,用了《玑衡正天文之器赋》的考题,举人们都杂用浑仪、浑象的典故,主持考试的官员自己也不明白二者的区别,遂将这类答卷列入高等名次的评定范围。汉代以前,人们都以为北辰星处在北天的正中位置,所以称之为“极星”。自从祖暅用玑衡加以观测验证,才发现北天极点不动的位置,实在北极星所在天区的尽头,其视觉定位距北极星还有一度多。熙宁年间,我受命提举司天监,掌领历法官的职事,曾杂考星象历法,用浑天仪观测考求北极星的位置。夜初时分,北极星在窥管中,不多时候就游出于窥管之外了。以此知道窥管太小,不能容纳北极星游动转行的范围,于是渐渐扩展窥管来观测它。如此历时共三个月,才使得北极星完全在窥管中游动,始终看得见而不会再隐去。然后知道北天极点不动的位置,距离北极星最远还有三度多。当时每当北极星进入窥管,就另外画一张图。图为一正圆形,于是画北极星的运动位置于圆形中。凡是初夜、中夜、后夜所见的位置都具备,分别画在图上。这样共制出二百多张图,北极星才一直在设定的圆形内循环运动,运行轨迹夜夜不差。我在《熙宁历奏议》中,对此有详细的叙述。

二十八宿
【原文】
予编校昭文书时,预①详定浑天仪。官长问予:“二十八宿,多者三十三度,少者止一度。如此不均,何也?”予对曰:天事本无度,推历者无以寓其数,乃以日所行分天为三百六十五度有奇②。(日平行三百六十五日有余而一期③,天故以一日为一度也。)既分之,必有物记之,然后可窥而数,于是以当度之星记之。循黄道④日之所行一期,当者止二十八宿星而已,(度如伞橑⑤,当度谓正当伞橑上者。故车盖二十八弓,以象二十八宿。则予《浑仪奏议》所谓“度不可见,可见者星也”。日月五星之所由⑥有星焉,当度之画⑦者凡二十有八,谓之舍⑧,舍所以挈度、所以生数也。)今所谓距度星⑨者是也。非不欲均也,黄道所由,当度之星止有此而已。

【注释】
①预:参与。
②奇(jī):零头,余数。
③一期:一个周期。
④黄道:古代天文学上指太阳视运动在天球上的轨迹。
⑤橑(lǎo):通“轑”,撑起伞或车盖的弓形木架。俗称伞弓、车盖弓等。
⑥由:经由,经过之处。
⑦画:划分,界限。
⑧舍:二十八宿又称二十八舍。“宿”、“舍”同义,盖取义于日月五星舍止之处。
⑨距度星:二十八宿的每一宿实际上都表示一个星空区域,其中被选为测量标志的一颗星即被称距度星,也称距星。距星的距度(与相邻距星的度数之差)代表各宿星区的广度。

【译文】
我在编校昭文馆书籍时,曾参与详细审定浑天仪的工作。官长问我:“二十八宿之间的距离,多的有三十三度,少的只有一度。如此不均匀,为什么呢?”我回答说:天体运行本无所谓“度”,是推算历法者无从运用他们的推算数据,才按太阳每年所行经的轨道,划分周天为三百六十五度多一点。(太阳运行平均三百六十五天多一点为一个周期,所以周天也以太阳每天所行的距离为一度。)既要划分周天,必然要有参照物作标记,然后才可以测量和运算,于是便以正好在黄道附近可以作为分度界点的星体为标志。太阳沿着黄道运行一周,可以当做分度界点的星体也不过二十八宿的代表星官而已,(分度的界线就像撑伞的弓形架条,“当度”指正好处在伞弓上。所以车盖有二十八条弓架,用以象征二十八宿。这也就是我在《浑仪奏议》中所说的“度是不可见的,可见的是星”。日、月、五星所经之处都有许多可见的星,而正好可以作为分度界点的大概有二十八宿的星官,且称之为“舍”,“舍”就是用来提领分度和产生度数的。)现在所称的距度星就是这种代表星。并非是天文学家不想均匀划分,而是在太阳所行经的黄道上,可以作为分度标志的星体只有这些罢了。

日月之形
【原文】
又问予以“日月之形,如丸①邪?如扇②也?若如丸,则其相遇岂不相碍③?”余对曰:“日月之形如丸。何以知之?以月盈亏④可验也。月本无光,犹银丸,日耀⑤之乃光⑥耳。光之初生⑦,日在其傍⑧,故光侧⑨而所见才如钩;日渐远,则斜照,而光稍满⑩。如一弹丸,以粉涂其半,侧视之则粉处如钩,对视之则正圜。此有以知其如丸也。日、月,气也,有形而无质,故相值而无碍。”

【注释】
①丸:弹丸,圆球形。
②扇:团扇,圆形。
③碍:阻碍。限于科学认知能力,宋代人普遍认为太阳、月亮都在天上,它们到地面的距离是相同的,所以才会有当它们碰到一起时会不会互相阻碍的疑问。
④盈亏:指月盈、月亏,即月亮的圆缺。
⑤耀:照耀,照射。
⑥光:文中用作动词,是“发光”的意思。
⑦光之初生:月光初现时,这里是指阴历每月初只能看到一道月牙。
⑧傍:通“旁”。
⑨光侧:指阳光从侧面照射月球。
⑩稍满:指随着太阳的移动,人们可以见到月球被阳光照亮的地方逐渐增大、变圆。
正圜:正圆。圜:同“圆”。
气:气体。古人误认为日、月都是由气体组成的。
质:实体。
相值:相遇。值:遇到。

【译文】
官长又问我以这一问题:“太阳和月亮的形状是像个圆球呢,还是像把扇子呢?如果像个圆球,那么它们相遇,又怎会不互相妨碍?”我回答说:“太阳和月亮的形状像个圆球。何以知道它们是这样子?以月亮的盈亏就可以验证。月亮本来不发光,譬如一个银球,太阳照耀它,它才发光。月光初生的时候,是太阳在它旁边照射,所以光在它的侧面,人们能够看到的月光面就仅仅像个弯钩;太阳渐渐远离月亮,则斜照过来,月光就逐渐变得圆满。犹如一颗弹丸,用白粉把它的表面涂抹一半,从旁边看去则涂了粉的地方如同弯钩,对着涂粉的一半正面看去则还是正圆。由此可见太阳和月亮都像个圆球。太阳和月亮都是由气凝结而成的,有形状而无质体,所以相遇也没有妨碍。”

古之繇辞
【原文】
古之卜者,皆有繇辞①。《周礼》三兆②“其颂皆千有二百”。如“凤凰于飞,和鸣锵锵”;“间于两社,为公室辅”;“专之渝,攘公之羭,一薰一莸,十年尚犹有臭”;“如鱼竀尾,衡流而方羊,裔焉,大国灭之,将亡,阖门塞窦,乃自后逾”;“大横庚庚,余为天王,夏启以光”之类是也。今此书亡矣。汉人尚视其体,今人虽视其体③,而专以五行为主,三代④旧术,莫有传者。

【注释】
①繇(zhòu)辞:据龟甲上的裂纹来判断吉凶的语词。
②三兆:指玉兆、瓦兆、原兆,一般认为它们指三部上古占卜的书。
③体:兆象。
④三代:夏、商、周。

【译文】
古代用龟甲占卜的人都有繇辞。《周礼》三兆中“其颂都有一千二百条繇辞”。如“凤凰于飞,和鸣锵锵”;“间于两社,为公室辅”;“专之渝,攘公之羭,一薰一莸,十年尚犹有臭”;“如鱼竀尾,衡流而方羊,裔焉,大国灭之,将亡,阖门塞窦,乃自后逾”;“大横庚庚,余为天王,夏启以光”这类都是繇辞(沈括所引五段繇辞,前四段出自《左传》,最后一段出自《史记》)。现今这一类的书都失传了。汉代人还是存有这种看龟甲上的裂纹下繇辞的旧制,现今的人虽然也观察龟甲上的裂纹,却全用五行学说来进行阐释,夏、商、周的旧术没人能传承。

张子信观天象
【原文】
北齐张子信候天文,凡月前有星,则行速,星多则尤速。月行自有迟速定数,然遇行疾者,其前必有星,如子信说,亦阴阳相感自相契耳。

【译文】
北齐时的张子信观测天象,发现凡是月亮的前面有行星时,月亮就运行迅速,行星多时就尤其迅速。月亮运行的快慢自有定数,然而运行迅速的时候其前方必定有行星,就像张子信所说,这也是因为阴阳互相感应而自相契合。

捕鼠木钟馗
【原文】
庆历①中,有一术士②姓李,多巧思。尝木刻一“舞钟馗③”,高二三尺,右手持铁简④,以香饵置钟馗左手中。鼠缘手取食,则左手扼鼠,右手运简毙之。以献荆王⑤,王馆于门下。会太史言月当蚀于昏时,李自云:“有术可禳⑥。”荆王试使为之,是夜月果不蚀。王大神之,即日表闻,诏付内侍省问状。李云:“本善历术,知《崇天历》⑦蚀限⑧太弱,此月所蚀,当在浊中。以微贱不能自通,始以机巧干荆邸⑨,今又假禳以动朝廷耳。”诏送司天监考验。李与判监楚衍⑩推步日月蚀,遂加蚀限二刻;李补司天学生。至熙宁元年七月,日辰蚀东方,不效。却是蚀限太强,历官皆坐谪。令监官周琮重修,复减去庆历所加二刻。苟欲求熙宁日蚀,而庆历之蚀复失之,议久纷纷,卒无巧算,遂废《明天》,复行《崇天》。至熙宁五年,卫朴造《奉元历》,始知旧蚀法止用日平度,故在疾者过之,在迟者不及。《崇》《明》二历加减,皆不曾求其所因,至是方究其失。

【注释】
①庆历:宋仁宗赵祯年号(1041—1048年)。
②术士:古代有时指儒生,有时指道术之士,文中指懂得天文、历法、卜算与某方面技艺的人。
③钟馗:传说中的一个专门打鬼的判官。
④铁简:文中指狭长的铁板子。
⑤荆王:宋神宗的弟弟赵頵。
⑥禳(ránɡ):迷信的人用祈祷的办法消除灾难。
⑦《崇天历》:宋代所用历法之一,分别用于1024—1064年和1068—1074年。
⑧蚀限:即食限,指日食限和月食限。《辞海》:“在朔日,月球中心离白道和黄道的交点使日食成为可能的极限角距离叫‘日食限’。距离在15°21′(下限)以内必发生日食,在18°31′(上限)以外无日食。在望日,地影中心离白道和黄道的交点使月食成为可能的极限角距离叫做‘月食限’。月食的上限为12°15′,下限为9°30′。在上下限之间可能发生日偏食或月偏食。”
⑨荆邸:文中指荆王府邸。
⑩楚衍:宋代开封阼城人,精于天文历法,曾补司天监学生,进司天监丞,是《崇天历》的参与编制者。
司天学生:司天监的下级官员。
辰:辰时,指上午7时至9时。
不效:没有应验,与推算的时间不符。
坐:因某事受牵连而受处罚或被定罪。
谪:贬官,文中指受降职处罚。
周琮:宋英宗时任殿中丞判司天监,曾主持编制《明天历》。
《明天》:即《明天历》,宋英宗治平元年(1064年)由周琮等编制而成,应用于1065—1067年。
熙宁五年:1072年。熙宁:宋神宗赵顼年号(1068—1077年)。
卫朴:宋代人,平民出身,为沈括举荐,编制了《奉元历》。
《奉元历》:宋代历法之一,为平民卫朴编制,应用于1075—1093年。

【译文】
宋仁宗庆历年间,有一个姓李的术士,多有奇思妙想。他曾经刻制了一个能动的木头人叫“舞钟馗”,(木头人)有二三尺高,右手拿着一根铁板条,左手里放着喷香的诱饵。当老鼠顺着木头人的手爬上去吃诱饵的时候,它的左手就会紧紧抓住老鼠,右手会挥动铁板条将老鼠打死。姓李的术士把这个木头人送给了荆王,荆王就把他留下来做了门客。(后来有一次)恰巧碰到太史说黄昏时刻会发生月食,姓李的术士自己(出来)说:“我有办法使月食消除。”荆王就试着让他去消除月食,那天月食果然没有发生。荆王感到非常神奇,当天就将此事上奏朝廷,皇帝便下令由内侍省来询问这件事的具体情况。姓李的术士说:“我本来就善于历法,知道《崇天历》对食限的角度定得过小了,这次月食的位置应该在地平线以下。因为自己出身寒微,不能自己将此事上报官府,所以才做了一个设置了机关的木头人借机进了荆王府,现在又假借能够消除月食来引起朝廷注意罢了。”皇帝于是下令将姓李的术士送到司天监,对他的说法进行检验。姓李的术士同司天监长官楚衍一道推算日食、月食,于是把食限增加了两刻,姓李的术士也因此而得以补司天学生的职务。(但是)到了宋神宗熙宁元年七月的一天,按推算当天早上要发生日食,却没有应验,恰恰是食限增大了的缘故。于是历法官们都因此而被降职。皇帝下令司天监官周琮重新修正历法,他又减去了庆历年间所加的二刻食限。(这样一来)如果算准了熙宁年间的这次日食,庆历年间的那次月食就又算不准了。(如此这般)争论了很久,始终没有一个巧妙的算法,于是废掉了《明天历》,又重新采用《崇天历》。直到熙宁五年,卫朴编制了《奉天历》后,才知道过去推算日月食时只用了太阳运行的平均速度,所以当太阳运行速度较快时就超过了,当太阳运行速度较慢时又会达不到。《崇天历》和《明天历》两种历法对食限的加减,都没有探究寻找到产生偏差的真正原因,直到这次才弄清了产生偏差的原因所在。