中国古人如何发现星象的规律

人类在过去400多年间望远镜给我们带来的天文学进展。这一讲我们将简单回顾一下中国古人如何发现星象规律的。

人类有文字记载的文明历史有着将近5000年，在这漫长的历史长河中，天文学是一门非常重要、也是最早发展起来的学科。最早在古巴比伦文明中，距今4000多年前，就已经出现了非常丰富的天文学知识。比如，他们在当时已经可以精确地预测日食的周期，这就是我们现在所熟知的沙罗周期，18年11天8小时，而且一直使用至今。

人类早期天文观测

中国也是四大文明古国之一，也有着非常良好的天文记录传统。在人类天文观测的早期，中西方天文观测人员都使用一样的观测工具，那就是我们的眼睛。相比较后来出现的望远镜，眼睛看到的范围很是有限，而且看到的不少天体都是一样的，比如太阳、月亮、和金星、木星、水星、火星、土星这些大的行星，还有其他一些位置相对比较固定的恒星，根据观测者所在的位置而有所不同。正是基于这些基本而有限的观测，古代的天文学家们提出了各种不同的宇宙模型，在现在看来，这些宇宙模型都是唯象模型，属于朴素的宇宙观，在欧洲有深远影响的“地心说”，在中国有“浑天说”和“盖天说”。无论如何，在所有认知中，地球都是处在宇宙的中心位置，而在地球之外，宇宙究竟处于什么样的状态，宇宙有多大，并无人知道。

还有一点，中西方对于天的认识也是非常相似的，早期都认为天地相通、天赋皇权。如果天上出现一些新的天象，通常会被认为是对皇帝的一种警示。所以皇帝对于天上所发生的新的天象都非常重视，安排专门的机构和人员来负责记录，在中国通常是由类似于司天监或者太史局这样的机构来掌管，观星并且做记录是这些人员的日常工作。对于天象的重视，还有一个很重要的原因那就是在农耕社会，很大程度上要靠天吃饭，所以这个机构还要推算并且颁布历法。所以简单而言，司天监主要有两方面的职责：一方面观察天空中星星的运动规律和出现的各种“客星”，包括现代意义上的彗星、超新星和新星等；另外一个职责就是历法发布。

我们知道，地球公转的轨道平面被俗称为黄道，它和地球自身的赤道之间有夹角，正是因为这个夹角，在地球公转的过程中就形成了我们感受到的四季变化。

▲古代圭表示意图

对于靠天种庄稼的古人而言，确定一年的时间尤为重要。地球围绕太阳运行一圈就是一年。在地球绕转的过程中，从地球上来看，太阳每天在天空当中的轨迹也会有所不同。古代聪明的天文学家发明了圭表这类观测设备，来确定太阳的位置变化。通常把通过太阳位置变化确定的历法称之为阳历。在确定了一年的长度之后，中国人通过观察月相的变化，把月相变化的时长确定为一个月的长度，我们通常把使用月亮的历法称之为阴历，所以说中国的历法是采用了阴阳结合的历法，也称阴阳历。当太阳确定的回归年和阴历给出的偏差累积到一定程度的时候，就会在历法中插入一个“阴历月”，我们俗称闰月。所以通常情况下一年是12个月，但是如果是闰年，就会出现13个月。

为了方便确定季节的变化，古人也会利用夜空中的恒星位置。首先为了方便确定恒星在天空的位置，古人在很早的时候就把天空中看到的位置相对比较固定的恒星划分成不同的区域。在欧洲就有星座。我们现在所知道的全天88个星座就是国际天文学联合会根据欧洲的星座而划分的。在中国有3垣28星宿，这三垣分别是紫薇垣、太微垣和天市垣。其中紫薇垣，是因为皇帝是上天在人间的代理者，整个国家都是围绕着皇帝运转的，所以天上的星星也是围绕着某个点而转动，因此中国古代的天文学家就在北天极附近设立了紫薇垣，象征着皇帝在天上的紫禁城，而处在北天极上的北极星在古代也因此被称为紫微星。另外太微垣代表了天上的“政府机构”，而天市垣代表了天上的市集。区别于欧洲的黄道12宫，中国古代的天文学家将黄道以及附近的恒星划分成28宿，以东方苍龙、南方朱雀、西方白虎、北方玄武各7宿来代表。在对天空中的星星进行区域划分之后，就可以利用一些明显的恒星位置很方便地确定季节。比如，中国传统的仲春节日龙抬头，就是指28星宿中东方苍龙中的龙角星出现在地平线上，这就意味着春耕要开始了。

▲清中期 铜鎏金天球仪

要想精确观察和预测太阳、月亮以及其他星星的位置及其运行规律, 中国古人也发明了一些观测设备，比如浑仪、简仪，来辅助观测，帮助提高观测的精度。同时为了展示和预测天体在天空当中的位置，还发明了浑象，就是我们现在所说的天球仪，它的表面就刻着古代人们所能够看到的星宿，用来展示每天所看到的星空。

中国古代关于彗星的记录

在观测记录方面，因为中国是唯一一个没有中断的文明古国，所以相比较欧洲和其他国家的天文记录，中国的记录更加完整、时间更加悠久。比如，中国有着历史上最早的彗星分类图。在上个世纪70年代被发现的马王堆汉墓当中，就保存着一幅珍贵的帛书彗星图。这件帛书现在藏在湖南省博物馆当中，别克“寰行中国”在2018年也曾经到访过这里。

▲帛書《天文气象杂占》，西汉，1973年长沙马王堆三号汉墓出土，尺寸：长150厘米，宽48厘米，图来自于湖南省博物馆官网

帛书上面画着形状不一的29个彗星。尽管这个墓葬的年代为西汉初年，也就是公元前185年左右，而这幅彗星图应该成画更早一些，应该成书于战国时期的楚国，也就是诗人屈原所处的年代。根据现在的研究观测，肉眼能够看到的彗星其实是非常有限的。比如，2020年我们肉眼看到了新智彗星，而对于北半球而言，上一次肉眼看到彗星还要追溯到1997年的海尔波普彗星，那是23年前。考虑到南北半球，假如每10年会有1-2颗明亮的彗星经过地球被我们看到的话，每个世纪不过也就只能观测到10到20颗彗星。要想得到如此完整的彗星分类，应该观察至少100颗彗星，这样的话大约就是1000年左右。所以对于彗星的详细观察应该从周朝甚至于更早的时间就开始了。尽管欧洲也在很早的时候就开始记录天象了，但是如此完备的彗星图，一直等到了16世纪才出现，中国的彗星图远远比欧洲早了将近2000年。

在所有的彗星当中，最为知名的一个彗星估计要属于哈雷彗星了。对于它的记录也是相当的完整，从公元前240年开始，哈雷彗星29次接近地球，在过去2000多年的中国历史文献中，对于哈雷彗星的这29次到来的记录竟然一次都没有少。彗星在绕太阳运转的过程当中，会受到太阳和其他行星的扰动，周期就有可能会发生变化，从而到地球的距离也会发生变化。对于哈雷彗星，它的周期在74年到79年之间变化，平均为76年。在历史上，哈雷彗星距离地球最近的一次发生在公元837年4月5日前后，那时中国正处在唐朝。彗星出现之时，彗尾的长度覆盖了将近120度的天空，几乎占据了半边天。在出现的一个多月的时间里，司天监的官员们详细地观察着彗星的位置并且记录下来。这些都完整地被记载在了《新唐书》当中。按照现在的推算，当时彗星到地球的最近距离只有494万公里，是地月距离的13倍。而在最近的1986年的回归当中，哈雷彗星距离地球最近的时候也有6300万公里，比唐朝时候哈雷的最近距离远了将近13倍。

限于古代观测工具以及当时有限的认识，古人没有办法正确地认识观测到的天象。不过中国古人还是非常注意观察它们和其他天体之间的联系，比如尽管古人不知道彗尾的形成机制，但是他们注意到彗星的一个尾巴和太阳的方向一致，我们现在知道这是因为太阳风粒子和彗星相互作用后形成的离子尾，而另外一个尘埃尾是因为彗星自身的运动而形成的。

虽然历史文献的记录不及现代科学的数字方式精确，但还是为之后的研究提供了非常宝贵的信息。在国际上很知名的一件事例就是对于蟹状星云的历史记录。北宋至和元年己丑日（1054年7月4日），东方地平线上，月亮正在逐渐落下，太阳正在升起，夜晚即将结束，司天监的人员准备结束当天的观测任务，就在这时，突然看到了天关星附近出现了一种奇怪的光芒。即使在太阳升起后的几个小时内，依旧可以看到这颗亮星。根据司天监人员的经验判断，这就是新出现的一颗客星。之后持续观测，一直大约2年后才消失。有关这个客星发生的位置、亮度等都详细地描述在《宋会要辑稿》当中。而对于这个客星本质的研究一直要等到望远镜的出现。1758年法国天文学家梅西耶在望远镜中寻找彗星的时候，首先注意到了这个模糊亮点，并且把它列为自己星表中的第一个天体，这就是我们现在所熟知的梅西耶星表中的M1。之后其他天文学家利用更大望远镜进行观测的时候，发觉它看起来像一个螃蟹，所以就命名为蟹状星云。1928年，美国天文学家哈勃根据其气体膨胀的速度推断，这个星云应该爆发于大约900多年前。这一推断和中国的历史记录完全符合，而中国的历史记录给出了一个更为精确的爆发日期。

正是古人凭借着他们的聪明才智和辛勤观测，才创造了灿烂的古代文明，给我们留下了大量宝贵的天文学记录。