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“挖藕人”黎耕:天文学是人类文明的天花板

2021-09-18  热带咖啡
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一直以来人类对于天文就有着原始的好奇感,而天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代,它广泛用于生活的方方面面。面对浩如烟海的夜空天象,星罗棋布的星际轨道,我们的祖先在没有手机、钟表的时代,确定了一年四季,有了时间的概念,并且开始指导农业生活。

古代用“夜观天象”来预测明天的事情,甚至还设有专门的机构“钦天监”,这些无疑都给天文学增添了神秘的色彩。那么我们的祖先在没有望远镜的年代,是怎么用肉眼看星星的?又是怎样掌握时间的呢?

《国家宝藏·挖藕季》作为《国家宝藏》第三季回归序曲,是节目组送给网友的一份特别的礼物。这次邀请到的“挖藕人”是一位80后的天文学专家——中科院国家天文台副研究员、中国科学院大学副教授黎耕。

本期节目中,《国家宝藏》总导演于蕾和黎耕教授会带大家一起走进历史中的天文学,在上下五千年的历史荷塘中挖一根分量十足的“天文藕”。让我们一边文博“挖藕”,一边热切期待《国家宝藏》第三季在12月初的隆重开播吧。


天文学是人类文明的天花板

中国科学院国家天文台副研究员

中国科学院大学副教授 黎耕

天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代,从这一点来说,天文学是最古老的自然科学学科之一。远古时期,人们为了指示方向,确定时间和季节,就会观察太阳、月亮和星星在天空中的位置,找出它随时间变化的规律,并在此基础上编制历法,用于生活和农牧业生产活动。
 
实际上,古人观测天文最早的目的是为了定时间。时间跟我们日常生活是非常紧密相关的,尤其是农业。比如,清明前后“种瓜点豆”,但我们怎么知道什么时候是清明?日历是谁观测的?其实现在的历法是天文学家在发布,紫金山天文台有专门的历算室,会发布天文年历。而整个世界的天文历法,则是国际天文联合会一起来约定的。
 
其实古人比我们想象的还要聪明得多。他们做了多年很精细的观测,逐渐发现了一些规律。比如,斗转星移。当你每天看日出,就会发现太阳每一天都会在不同的位置出来,而当你持续不断的去观测一年太阳轨迹,周而复始,就会得出太阳的运动周期,那么这就是一年的概念。 

古人是怎样测量时间的?


“陶寺”在考古学上被认为是国家形成的前夜,那时候已经有了职业的天文学家,也就是现在考古天文学家的前身。在山西襄汾陶寺发现的陶寺遗址,距今已有4000多年。当时的古人做了一段半圆弧形的一座石墙,就好像立了一排柱子,但是这些柱子缝隙又不一样,有的稍微大,有的稍微小,看上去就是一个弧。
 

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山西襄汾陶寺遗址

在研究的过程中,有些科学家就曾提出:陶寺的中间好像有一个圆心,所有的点好像都对着中间的这个圆心。于是考古队就开始在此处发掘,结果真的发现了一个夯土的台基。也就是说古人在台子上进行观测,它周围的那一圈石墙就是太阳南北折返跑的范围。通过这面石墙把太阳的标度给标出来,此后只要一看太阳从哪出来,古人就知道今天是几月几号了。
 
实际上还有比观测日出要更好的测量方法,俗称“立竿见影”。当一根杆子立放着,就可以看到它的影子,如果你天天盯着影子,就会发现这个影子在动。在一天里面,影子的转动代表的就是时间。当我们把它画下来,就形成了一天的表,这个表就叫做日晷。
 

日晷现在很多地方都可以见到,故宫太和殿门口就有一个日晷。但那时皇帝肯定已经不需要去看日晷来计时了,因为有了西洋的机械钟,包括中国的漏刻在当时都已出现。所以日晷为什么要放在那里?其实,日晷代表的文化含义是皇权的正统性,意味着天道历法由天子来定。
 
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除了日晷之外,还有一种更简单的仪器就是圭表,它是一个L型的天文仪器。立着的叫表,横着的叫圭。圭是两个土,其实就是刻度。它测的是每天正午的影长。

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圭表

当太阳光从正南方射过来,影子在正北方,这时去测量影长,它就有了意义——一年里影长最长的一天是冬至,之后影子开始慢慢变短,到了夏至变得最短,而后影子又开始慢慢变长。

就算没出太阳,古人也有办法,他们测好多年去平均,最后把它平均出来就是365.2422171……即一个回归年。大家在地理书上学到,356.25就是一个近似值,意味着什么呢?一年有365天,每4年会多一天,所以闰年就是这么来的。
 

为何古代皇帝总爱“夜观天象”?

 
我们在影视作品中看到过皇帝召见“钦天监”的官员,来预测一个黄道吉日。中国古人认为老百姓和天文、星星之间是没有关系的,这些只跟皇权、国家有关。“钦天监”在古代应该算是国家天文台的前身,从这个意义上说,我们国家天文台的历史差不多能到4000多年。
 
到了明清时期,钦天监还有几个重要的功能,其一是制定立法,其二是预测天下。比如,什么时候有日食,或者是“荧惑守心”等奇怪的天象,“钦天监”要把平时不太常见的天象算出来,预测呈给皇帝。如果是吉的,皇帝自然很高兴,如果是凶象,皇帝就会提前拟一些预诏,提前给全国发诏书。甚至有的时候有一些天象古人解释不的,皇帝就大赦天下,以此安民心。
 

“钦天监”的第三个功能是帮皇帝选黄道吉日、选地方。比如建立都城就必须要选择方位,这里的方位就是中轴线。中轴线是由天文学家来定的。

周礼》里面讲:惟王建国,辨方正位。意思是——作为一个国君,要建立都城,首先要辩方正位,找到轴线。这是中国古代搞城市规划最基本的步骤。首先确定一条线,然后确定中心点,确定了中心点之后,再找周围的山,然后通过这些线就慢慢的把城市规划出来了。所以天文对于古代皇帝而言,纵向可以帮助他掌握时间,横向可以掌控空间。
 
古代的天文学家在皇帝身边有很高的话语权,但也是“高危行业”,一旦预测错了,就可能被砍。我们在古代发现很多天象记录,大部分记录是对的。中国古代天象纪录非常多,而这些天象记录对现代天体物理事业有很大贡献。

其中最著名的就是,记录了2000多年历史中哈雷彗星所有的回归,这是非常了不起的。
 

另一个是,发生在1054年7月4日早上的一颗超新星的爆炸。据史记载,这天早上北宋钦天监的官员发现天上多了一颗非常亮的星星,有半个月亮那么亮,事实上比金星还要亮。如果这件事放到现在,天文学家肯定很兴奋,千年一遇的事被我赶上了可以发《Nature》了。但在当时,“钦天监”的天文学家就慌了,这颗星是吉还是凶,我是报还是不报?如果报错了搞不好就砍了,所以纠结了几个月才给皇帝报。

有一个叫杨威德的人,其实已经退休,但他是德高望重的一个占星家,最后大家把他抬出来,让他去跟皇帝汇报。他跟皇帝说这是吉星,祖国有大贤,皇帝很高兴,那就把这记在档案里了。这颗星大概过了两年才消失不见。

所以中国古代的很多天象记录,对于现代的天气物理研究是非常有帮助的,也是古代留给今天世界的一笔遗产。


天文学是人类文明的天花板



今天科学家基本断定,中国古代陶瓷时期就有了天文学。在4000多年的陶瓷时期,古人已经可以通过观测太阳的日出方位,通过圭表测影,精确地来定出时间。

古人不但要定时,还要授时,国家要颁布这些时间和立法给老百姓,这也是最初的统治形态,文明便由此慢慢诞生、形成。天文学在其中起了很重要的作用。
 
什么是“世界观”?我们对于大地的认识,汉代时期就有“盖天说”和“浑天说”的争论。“盖天说”就是我们经常说的天圆地方,“浑天说”就认为宇宙像鸡蛋一样,中间是个蛋黄,外面是个蛋壳,它是一个同心圆。所以经过几百年的发展,一直到唐代最终才尘埃落定。从唐代到宋代,1000年前后,当时中国的天文学是远远领先于世界的,因为欧洲那时候基本上还是在汉代的水平。但是到了元明清以后,西方科学革命崛起,中国在天文学方面就没有了太大的发展。到清代已然变成了“西学东渐”,甚至 “钦天监”的很多官员都是外国人。当时西方天文学对中国的冲击是很大的。

实际上,古代天文学和近现代天文学中间是割裂的,不光是中国,包括古希腊也是。虽然西方人讲究一脉相承,但是现在天文学研究的东西和古希腊天文学研究的东西仍然是有很大的差别,所以古代世界和现代世界之间实际上还是有一条鸿沟的。

如今我们可以理解的宇宙,大概只有不到5%。有95%的宇宙,人类目前是理解不了的。并不是指看不见,而是所有的波段没有办法探测。比如,暗物质。我们只知道它有质量、有能量,但是它是什么?我们说不出来,也没法探测。

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梵高《星月夜》(The Starry Night)

其实,天文的研究还可以拓展到很多领域,因为天文学是一个很古老的学科,同时这个学科它又有很强的延续性,会影响周围的很多东西。比如,荷兰著名画家梵高在《星月夜》(The Starry Night)这幅画里描绘了一个漩涡型景象。这个漩涡当时用肉眼是看不到的,然而就在梵高画这幅画之前约三四十年,英国的罗斯伯爵三世,也就是爱尔兰的天文学家,他用望远镜看到了这种漩涡型的天体星系,并且把这个星系画了下来。
 
有这样一个观点,如果把人类文明看做一个面包,天文学在每一个时期就是一个个切片,它决定了人类文明在这个时期的天花板。已故的原中国天眼的首席科学家南仁东先生曾说,人类区别于动物的一个最大的区别,就是我们有好奇心,我们有求知欲,我们想对未知有一个探索。

天文学家很重要的作用,就在于我们在不断地抬升人类文明的天花板。
 

《国家宝藏》总导演于蕾手记:

一直以来天文学就给人神秘而充满吸引力感觉,在第二季《国家宝藏》我们就曾讲过与天文占星相关的文物——五星出东方。宇宙浩瀚,有太多未解之谜需要我们一代代天文学家持续探索。历史同样如此,中华五千年的文明也有太多我们不知道的东西,需要我们以“Stay hungry、stay foolish”的心态持续学习、继续“挖藕”。
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