天文学论文
摘要：明末清初, 是中国天文学发展的特殊时期, 天文学观测从理论、实践到仪器的使用, 发生了非常大的改变。同时, 这些改变为最终发生的天文学转轨及发展奠定了坚实的基础。本文仅就《表度说》《浑天仪说》《远镜说》等文献中天文学观测方面的相关内容进行探讨, 从理论、实践、仪器革新三方面进行整理与分析, 并阐释这些革新对发生在明末清初的天文学变革及其发展所产生的深远影响与重要意义。
关键词：明末清初; 天文观测; 《表度说》; 《浑天仪说》; 《远镜说》;
Reformation and Significance of Astro Observation in Late Ming and Early Qing Dynasties
DENG Ke-hui YANG Qi-qi
Humanity School, Donghua University
Abstract：
The late Ming and early Qing dynasties are special time for Chinese astronomy development, when astronomy observation had changed a lot from theories, practice to using devices. At the same time, those changes had laid a solid foundation for the final astronomy shunt and development. In this thesis, related contents to astronomy observation in such documents as Biaodushuo, Huntianyishuo and Yuanjingshuo have been discussed, to arrange and analyze in such three aspects as theory reformation, practice reformation and device reformation, to explain deep influence and important significance of those reformations on astronomy reform and its development in late Ming and early Qing dynasties.
Keyword：late Ming and early Qing dynasties; astro observation; Biaodushuo; Huntianyishuo; Yuanjingshuo;
一、理论革新
范式体现了一个科学共同体内部独有的形而上学预设、对问题与概念对理解以及解决问题对框架方式。如库恩所说:“这是一个与‘常规科学’密切有关的术语”“意欲提示出某些实际科学实践的公认范例——它们包括定律、理论、应用和仪器在一起——为特定的连贯的科学研究的传统提供模型”。[1]换句话说, 范式作为一种指南, 引导着科学家在常规科学阶段的科学活动。
中西天文学研究正是不同研究范式的重要体现之一, 在不同的范式体系下沿着各自道路发展。中国古代天文学注重伦理道德, 以政治主宰为行动准则, 沟通天人为具体功用, 意欲通过各种天文现象探求天意、从而行使皇权, 主观色彩浓厚。所以天文学观测仪器除却理论功用, 更是被赋予了神秘色彩。比如安置天文仪器的灵台的设立、仪器色彩和材质的选择、龙头造型和云形花纹等天文仪器装饰的构造……使得天文观测数据的获得以及意外天象的预报都必须极其谨慎, 这在一定程度上削弱了天文学的客观性。同时在天文模型的构建及数据的获得方面, 由于中国根深蒂固的“天人合一”思想, 在追求完满性时并未给出理论依据, 如盖天说模型当中高8尺的表的确立、日影千里差一寸定理的提出均未给予具体解释, 而且由于当时并没有掌握大量数学和几何知识, 数据获得的准确程度也存在一定缺陷。
西方天文学, 沿袭古希腊的理性传统以数学思想作为整个体系的重要基础, 是一门发现天文现象、探究天文规律的科学, 具有客观性的特点。西学东渐之后, 由于西方科学思想的引入, 中国古代天文学的传统观念也受到了一定冲击, 虽然传教士试图调和中国传统思想与西方思想之间的差异, 由于新的科学概念及观测仪器的引入, 所能观测到的精度越来越高, 对于之前一些由于观测和认识不清晰所赋予天意的概念, 都有了新的解释, 使中国天文学家认识到观测自然的重要性。在西方天文学范式与世界观框架的影响以及对其知识的借鉴学习过程中, 明末清初的天文学家开始不再如此前那样单纯地以天体位置为依据进行占卜、预测吉凶和揣测所谓“天意”, 丰富了对于宇宙的认识, 使观测结果更加准确。开始通过日月五星的运动构筑宇宙图景, 借助几何和三角等数学手段, 计算天体的位置, 预报日月交食。同时, 中国科学家逐渐明白历法推算是建立在天体运行模式的基础之上的, 在传教士的帮助下开始制定新的历法、绘制星图和地图, 使中国人的天文观念逐渐发生变化, 也使中国古代天文学逐渐实现了向现代科学的转轨。
二、实践革新
理论革新促进实践革新, 在新的理论思想指导下, 中国古代天文学的研究与观测路径也随之发生了实质性的变革。主要体现在这个时期编撰和翻译的一系列天文学文献当中:
(一) 《表度说》
圭表测影是中国古代经典的识天测天的方法, 西学东渐之前中国古代天文学家相较于理论探索, 更加注重实际观测, 其研究体系以代数学为特征, 而非星体运动的几何学模型。换句话说, 中国古代的传统测量方式更注重与历法等相关的实际观测及其相关探索, 所以如圭表等传统天文学观测仪器虽然使用历史悠远, 却没有专门介绍其理论基础的专著。西学东渐之后, 随着中西学者的交流愈加频繁, 翻译和编纂的书籍在理论性上有明显提升。以熊三拔所著《表度说》为例, 它以西方天体系统与宇宙模型假设为基础, 尝试提出了一种新的圭表测量技术;更重要的是, 它开始寻找一系列天文观测数据之间的内在联系, 并着手建立一个统一的体系与新的理论框架将传统天文学中的观点与问题纳入其中。
《表度说》的理论基础主要包括五个方面:
1.“太阳绕地球运转的速度是均等的”
2.“地球在宇宙的中心”
3.“地球和太阳相比, 大小相当于一个点”
4.“地球为球体”
5.“立表于地面, 表端之处均为地心”[2]
《表度说》的意义在于, 它对很多天文学概念作出了明确的界定, 并在此基础之上建构起了测量数据与理论之间的对应关系, 给出了一种更简便的测天识影的方法。更重要的是在满足了天文学测量的实际需求的同时, 它将很多诸如圭表测量等传统问题统一至一个天体系统和宇宙模型之中, 为它们提供了坚实的理论基础。
(二) 《浑天仪说》
中国古代很多关于仪器的记录很简单, 由于缺乏体系使得很多描述相当晦涩, 至明末很多天文仪器精确性已严重受损。在徐光启尝试推行改历以后, 中西天文学观念开始融会贯通, 其中便包括了天文观测等仪器的制作与使用方法。《浑天仪说》一书, 将中国传统天文仪器与西式天文仪器结合起来, 以黄道坐标与经纬制、分圆周为360度等理论和词语为基础, 详细介绍了浑天仪的构成与制作原理。[3]在编撰《浑天仪说》的过程中, 汤若望借用了中国的传统词语“浑天仪”“浑象”等, 体现了中西汇通的思想。
《浑天仪说》一书给中国的天文学仪器制造与发展产生了非常深远的影响, 这一过程还伴随着思想层面上的交流与碰撞。汤若望开始有意识地将西方的哲学思想引入中国, 并将其与中国的传统科学技术结合起来, 使中国的天文仪器制造和历法研究等都有了很大的促进与提高。
(三) 《远镜说》
传说利玛窦到中国进行传教活动之时, 随身带的三件宝便是《圣经》、圣母像和望远镜, 象征宗教、艺术与科学。望远镜的流入, 使天文学的观测步入了全新的阶段, 突破了肉眼观测的极限, 对自然、宇宙的认识更为科学与客观。
《远镜说》一书由汤若望翻译而成, 主要包括利用、分用之利、原理、造法用法四个部分, 对望远镜的构造原理及使用方法进行了相应介绍。同时, 在汤若望和罗雅谷的帮助下, 徐光启于1631年首次用望远镜观测到了日食。之后, 汤若望等人不断革新望远镜技术, 并将葺饰过的望远镜呈览给了崇祯皇帝。此时望远镜的制造方法开始在民间流传, 1631年, 苏州人薄珏制造了“千里镜”若干架, “镜筒两端嵌玻璃”, “望四五十里外如咫尺”[4]。随着望远镜的广泛使用, 中国古代天文学观念发生巨大的改观的同时也取得了积极的进步。
三、仪器革新
16世纪中叶, 传教士到达中国并开始其传教活动, 传教士所介绍的许多基本的天文学概念, 尤其是关于大地及宇宙的形状等都与中国传统观念有很大差别。仪器在一定程度上反映了所使用者秉承的自然观, 所以在西方天文学模型之下的许多天文仪器, 如圭表、日晷、浑天仪、望远镜等, 都有了不同程度的引入与革新。
(一) 圭表
圭表测影方法历史悠久, 是中国古代测天识天的重要途径, 最早于《周髀算经》中得到详细介绍。所谓表是一个直立的杆, 圭是测量表的投影的尺子, 圭和表固定在一起就成为圭表。圭表最初起源于立杆测影, 且对杆没有做出特别的要求, 它代表了中国传统的测天、识天的方法, 并在此基础上形成了一套最重要的独具特色的理论算法模型。其关键在于通过构造相似三角形运用勾股定理进行相关数据的测算, 主要可以用来测得冬至、回归年长、太阳出没方位及正午高度等。
圭表测影方法在当时的天文学观测中起到了非常重要的作用, 其精确程度几乎可以达到肉眼所能达到的最高精确度, 显示出了中国古代天文学在仪器运用方面的优良传统和发展水平, 但是由于当时对天文学研究理论的欠缺和不重视, 所以对很多数据的获得以及仪器背后的理论支撑都没有给出一个详细的解释。
西学东渐之后, 随着传教士对科学理论的传播, 以及《表度说》等文献的翻译, 圭表测影方法背后的理论源头也逐渐被重视和革新。首先, 将圭表测影方法从原先地心说的宇宙观中解脱出来, 将之置于西方天文学的新的宇宙图景之下。其次, 之前在测算过程中所秉承的很多约定俗成却没有任何根据的理论被逐渐抛弃, 取而代之纯数理化的方法。
(二) 日晷
日晷是在圭表基础上制造的另一天文仪器, 由于圭表本身便有计时的作用, 所以将圭表置于盘式结构并立一竖直杆, 便成了日晷的原型。赤道坐标系是中国古代最常使用的坐标体系, 以此坐标系为基础所构建的赤道式日晷便成为极具中国传统特色的产物。赤道式日晷晷面与天赤道相平行, 刻度均匀分布, 晷针横穿晷面中心的同时与之相垂直放置。这种日晷观测起来比较直观和简单, 可用于测算二分二至。
明清之前也有对地平式日晷制造和使用的纪录, 利用其刻画时间, 较正一天中的各时辰。但是由于采用天球坐标体系, 所以一天中的十二时辰在晷面上的反映并不是均匀分布的。地平式日晷晷面的刻度分配方式需要投影几何知识作为技术支撑, 然而这正是中国古代所缺乏的, 这也使得地平式日晷不能精确刻画时间, 因而得不到流行。
西学东渐之后, 数学及几何学知识开始被接受和学习, 西式日晷的制造技术也开始在中国传播。作为计时仪器, 日晷的制作方法得到更为普遍的关注, 晷影投影原理和晷面刻画线方法成为一套科学性的系统化的理论体系。
日晷的革新对明清天文学观测起到了重要的推动作用, 对星图研究及星象观察有积极意义, 同时制作过程中所使用的几何知识与球面三角形问题对数学天文学的发展影响深刻。
(三) 浑天仪
浑仪和浑象统称浑天仪, 它是古代进行天文学观测的重要仪器。浑天仪以浑天说为理论基础, 借以具象化地对天体坐标进行测量, 同时对天象进行直观演示, 可以通过其来对各天体的位置进行初步的模拟, 从而达到对恒星的测量以及对日月五星的观测。
浑天仪在古代天文学中是浑天说理论的具体体现, 通过模拟日月五星位置, 预测天象, 占卜凶吉。由于最初理论模型的缺陷, 所以至明末对天象的记录已存在较大偏差。为传播西方的科学范式, 传教士引入了第谷宇宙论模型, 并在此基础上引入了黄道坐标系、经度、纬度等一系列科学概念。天文仪器的选择在一定程度上反映了其所遵循的范式模型, 由于理论模型的转换, 仪器也必须进行相应的改造与革新, 《浑天仪说》一书中, 汤若望以浑天仪的制造为立足点, 详细介绍了其内部的构成原理以及具体的使用方法。
尽管新的浑天仪与古代的仪器相类似, 但它们的使用方法和运行原理是完全不同的。新的仪器主要是通过在表面模拟、演示天体运行来表述并展示星象运动现象, 它以周日视运动和周年视运动为基础, 对日、月、五星的运动及其轨迹进行显示。虽然无法真正通过浑天仪一个仪器将天上所有的星象运动全部展示出来, 但是可以以此为基础加之太阳的影长计算时刻、求各地方北极出地之度、及太阳高弧距地平等等, 一切的方位都与天上相同。浑天仪的改造与革新更加真实地反映了各天体的位置及运动变化的方式, 促进了天文学在当时的传播, 使天文学及其知识被更多人所学习和接受。
(四) 望远镜
望远镜的引入开始于西学东渐时期由汤若望翻译的《远镜说》, 该书对望远镜的使用及其广泛传播产生了深远影响。对于望远镜的原理, 他在书中并没有作出过多解释, 因为他认为只要符合基本原理, 剩下一切都是灵活机动的。而当谈到望远镜的用途时, 他详尽地展示出了该仪器的观测结果, 其中不仅包括了月球中的沟壑和起伏的山脉、太阳黑子、金星位相、木星的四个卫星、土星旁边的两小星 (或两耳) , 更加展示出了数目远超肉眼观测“数十倍”的恒星。
中国古代天文学中将制历放在了极其重要的地位, 从古代开始天文学家便开始通过观察太阳、月亮以及其他天体的运动和自然现象来确定时间、方向以更好地修正历法。明末清初, 正值大统历出现偏差越来越大, 改历势在必行, 由于当时国内出现的许多历法举措皆是修正原来的历法, 而没有一个更好的模式, 所以如何能够使历法中对交食的预测与实际相符合成为了需要迫切解决的关键问题。
望远镜极大地拓宽了视野及可观测到的现象, 崇祯四年后逐渐被用来观测日食等现象, 使得交食观测结果更加精准。《五纬历指》卷中曾如此记载:“自古代以来, 测候所及, 追天为本。……今测较古, 其精十倍, 又用远镜为准, 其精百倍……”[5]这也证实了西方天文体系及历法规则要更精准, 表明了改历的合理性与必要性。随着使用望远镜所获得的观测的不断深入中国古代天文学的宇宙观也在不断发生着变化, 之前被披上了“天意”的神秘面纱的现象有了科学的解释方式, 传统的宇宙模型以及对于宇宙的认识不可避免地发生了巨大变革, 中国科学家对天文学观测有了科学的意识, 能够以一种现代科学的眼光研究天文学。
四、意义
以《科学革命的结构》为例, 库恩分析展示并强调了在科学发展的不同时期科学研究的框架、方式与目的, 在某种意义上, 范式就是科学家团体就不同的科学概念、研究框架、解决问题的方式所作出的共同承诺。范式代表的是科学共同体基本的形而上学理解和本体论与方法论倾向, 它并非某种具体的工具而是创造工具的背景。西学东渐运动无疑促进了这场浩大的、意义深远的东西方文化交流, 它使得中国学者在接受新知识及其体系后, 开始有意识地反思传统科学, 科学观念随之而变。
科学是建立在特定理解与形而上学体系下的对世界图景的具体解读, 它一方面关联着我们“看到”的东西, 一方面又同时影响着我们“能够看到”什么。因而无论如何, 在这一过程当中, 观测及观测方式都显得尤为重要。中国天文学在西学的带动之下, 摆脱了其官学至上的研究宗旨, 在经验性的研究方式之上引入了理论性的知识架构, 其转变促进了新的观察和发现, 从而进一步实现了世界观、宇宙观的重大转变。天文仪器的革新与运用, 成为探求天体知识、宇宙境况的有利工具, 大大扩展了人类的视角, 提高了观测的精确度, 为中国天文学的发展开辟了新航路, 也使得中国古代天文学转轨成为必然。
参考文献
[1]托马斯·库恩.科学革命的结构 (第四版) [M].金吾伦, 胡新和, 译.北京:北京大学出版社, 2012:8.
[2]孙榕.《表度说》研究[D].上海:东华大学, 2016.
[3]李兴佳.《浑天仪说》的成书背景及其传入中国的意义[D].上海:东华大学, 2015.
[4]杜昇云, 等.中国古代天文学的转轨与近代天文学[M].北京:中国科学技术出版社, 2013:139.
[5]《新书算法·五纬历指》, 卷一, 《总论》。四库全书, 文渊阁影印本, 635-788页。