俞云伟
桂子山谈天:(1)天文学的起源
2020-3-29 14:54
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天文学的起源

天文学是人类极为古老的一门学问,我们很难确切地给出它的起始时间。不难想象,即使在人类的智慧懵懂未开的时候,人们也应该很容易感受到昼夜的交替、月面的盈亏、四季的循环等天文效应,从而形成日月年的概念。当然,我们不能仅把这样一些直观的感受就简单地称作是一门学问。真正体现人类智慧的更在于发现这些周期现象之间确切的关系,其核心在于弄明白什么是一年、一年到底应该包含多少天、多少个月。这些知识对于我们现代人来讲无疑只是一些常识,我们甚至可以马上说出月亮绕着地球转、地球绕着太阳转的一整套理论。然而,如果不是书本告诉我们这些常识和道理的话,聪明的我们又该如何去发现这些“简单”的知识呢?细想一下,很多人也许会感到茫然无措。显然,要清楚地揭示一年到底有多久其实并不是一个轻松的任务,需要我们对太阳或是星空做出有意识的持久的观察、记录、总结乃至推算。在远古的时期,这首先需要人类的生产力已然达到了一定的高度,从而可以支持一些特定的人来开展这样一些专门的非生产性活动。这实际上也说明彼时的人类社会已经具备一些复杂的结构。我们冒昧揣测,或许在大概一万年前,当现在智人走出非洲、人类历史进入新石器时代之时,也便是天文学作为一种专门的知识得以形成的时候。

古代人类对于天象的有意识观察首先肯定是基于一些更早的随意观察所积累下的经验。但他们观察的目的是什么呢?起先或许是出于人类好奇心的本能、后来或许是出于对自然和神灵的敬畏。不过,无论名义上是为了窥探何种神明的意志,其现实的目的很大程度上都应是出于为人类的生产和生活寻求时间上的指导,即在于建立一种计算时间的系统方法——历法。因为,基于天体运行而建立的历法系统显然会比基于动植物变化等简单自然现象而建立的物候历要准确和可靠得多,这无论对于农耕还是游牧都是至关重要的。因此,一旦人类掌握了天文历法,一方面无疑将大大提高生产能力使物质得到丰富,从而可以实现物质的再分配以支持非生产性活动。另一方面,那些掌握了天象规律的人也就逐渐拥有了“与神对话”的能力和资格,甚至成为“神”在人间的代言人,这将使人类的精神世界变得更加复杂。物质的再分配和精神活动的升华将最终导致社会组织形态和文化意识的深刻变化。因此,以追求历法为目的的远古天文学的诞生一定程度上可以说是人类进入成熟文明社会的助推剂和标志物。这一点可以从坐落在世界各地的古代遗迹中得到印证。

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在位于爱尔兰首都都柏林以北约45千米的博因河湾,有一群建于五千多年前的史前坟墓遗址——纽格兰奇墓地。每年冬至前后几天,太阳光都会径直沿着通道不偏不倚地照射在中央的坟墓上。而对于位于墨西哥的玛雅金字塔来说,太阳光则能在每年春分和秋分的时候,恰好掠过金字塔的边缘投射到北面的阶梯上。被阳光照亮的阶梯侧面恰与位于阶梯底部的石雕蛇首相连,呈现出神蛇从金字塔上缓缓下降的景象。春分、夏至、秋分、冬至这些日子分别是太阳光直射赤道、北回归线、赤道、南回归线的特殊时间节点。所以纽格兰奇墓地和玛雅金字塔的特点无疑说明它们的建造者已然掌握了太阳的运行规律。此外,以英国威尔特郡的巨石阵、美国怀俄明州的大角魔轮以及我国山西襄汾的陶寺遗址为代表的更多远古遗迹,更是直接显现出了古代观天计时遗址的迹象。所有这些遗迹都清晰地表明,至少在大约5000年前,人类肯定已经很好地掌握了太阳的运行规律,也就基本掌握了一年的时间长度。而从技术上来看,古人掌握这些规律的一个重要途径便是观察太阳光照射方向和物体影子长短的变化。根据影子的长短以及昼夜长度的变化便可以很好地确定春分、夏至、秋分、冬至这些特殊的时间节点。无论如何,这些遗迹充分反映了天文历法在古代人类精神世界中的重要地位。对于现代的我们,利用现代的技术,当然可以更为直观和简便地揭示一年中太阳在天上所处位置(对于每天同样时间而言)的变化,我们把这种变化称为太阳的周年视运动。通过这样的观察,我们便可以对一年的确切时间长度做出测量。根据精确的测量,我们现在知道太阳两次通过春分点的时间间隔为365天5小时48分46秒(即365.2422天),这一时间长度被称为一个回归年2.png

天文历法通常可以分为阳历、阴历和阴阳历三种。所谓阳历就是以太阳的回归周期为基础,在确定了年的长度后再来划分十二个月份的历法。由此所给定的每一个月的平均长度将超过30天,长于月面的盈亏周期29.53天。因此,阳历中的每个月实际上并不能够恰好反映月面的盈亏变化。那么,作为另外一种选择,阴历则是直接利用月面的盈亏周期来定义月份(称为朔望月),以29和30天两个时长来交替平均。然后,可以将十二个月相加来定义年的长度,即为354天。鉴于月面的盈亏变化非常易于观察,所以阴历的一大优势就是人们日常只需要通过观察月相就可以基本确定日期。但阴历的缺点也是显而易见的,那就是由它所定义的年与真正的回归年之间存在很大的误差。如果以此来指导生产,则会出现很大的问题。因此,古人考虑了一个折中的办法,通过增加闰月的方式来弥补阴历年和回归年之间的误差,从而将阴历和阳历相结合创造了阴阳历。中国古代所采用的历法其实就是一种阴阳历(虽然我们通常称它为阴历或农历)。在我国的这种历法中,至少从春秋时期便已经采用了十九年七闰制。具体来说,在19个年头中,阴历月所累积的总误差在210天左右,所以可以通过选择在其中7个年头中各增加1个月(称为闰月,每月30天)的方法来加以弥补,从而使得年的平均时长和回归年保持基本同步。可以看到,阴阳历无疑是一种科学性很强历法。

当然,古人对于天象的观察肯定不仅仅局限于太阳和月亮,璀璨的星空无疑更令人感到深邃和迷惑。漫天繁星、斗转星移,观察星空似乎是一件极为困难的事情。然而,实际上人们很容易发现,天上的星虽多,但它们相对的位置却并不会发生变化,因此我们称它们为恒星。每天晚上,恒星的东升西落完全是地球自转的结果,称为周日视运动,这种运动丝毫不会影响人们对它们的辨识。通常,人们会将相近的恒星联系起来,组成一个易于记忆的图像(称为星座),以达到辨识它们的目的。这样做的一个现实目的是方便古人在夜晚的时候通过观察星空来辨别方向。实际上,直到15、16世纪的大航海时代,水手们也仍然需要利用星空来帮助导航。当然,如果仔细观察星空的四季变化,原则上也可以发现年的周期。并且,还能够发现天空中实际上存在五颗位置会发生移动的星,所以被称作行星。它们也是古代天文学家关注的重点对象。甚至在有些地方(如玛雅文明),人们还基于行星(如金星)的运行规律制定了历法,只是其对后世未造成很大的影响。


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