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中国·唐代天体与大地测量

《天问》更多的是从文人角度提出问题,例如屈原提出:“东西南北,其修孰多?南北顺椭,其衍几何?”用通俗的话来说就是东西南北到底有多长、南北又比东西长了多少?也可以看作是提问地球到底有多大。相比文人的浪漫提问,科学家们更趋向于脚踏实地地进行测量,用实际测量手段来回答问题。到了唐代,关于地球有多大这个问题,中国人就有了较为确切的答案。

唐代高僧一行,本名张遂,其曾祖是唐太宗李世民的开国功臣张公谨。张遂年轻时就是著名学者,他博览经史,尤精历象、阴阳、五行之学。武则天时期,他为了避开皇权争斗,就在嵩山寺削发为僧,法名一行。唐玄宗即位后,广揽各路才俊,就把一行接回长安。开元九年(公元 721 年),唐玄宗诏令一行主持修编新历法。

观象授时、历法编制必须建立在天体和大地测量的实际数据上。为此从公元 724 年开始,一行主持了世界上第一次地球子午线的测量工作。测量范围北起位于北纬 51 度左右的铁勒回纥部(今蒙古乌兰巴托西南),南到位于约北纬 18 度的交州(今越南的中部),共包含测量点 13 处,朝廷派出多支队伍进行测量。这样大规模全国性的测量在世界科学史上都是空前的。《资治通鉴》载:“又南至交州,晷出表南三寸三分。八月,海中南望老人星下,众星粲然,皆古所未名,大率去南极二十度以上皆见。”

太史丞南宫说率领的一支队伍,在同一条地球经线上的南北四个点:滑州白马(今河南滑县)、汴州浚仪太岳台(今开封西北)、许州扶沟(今河南扶沟)、豫州上蔡武津馆(今河南上蔡)进行观测,测量在春分、夏至、秋分、冬至时的日影长度、昼夜时间长度和四地之间的距离。各地测量结果最后由一行进行计算。因为地球自转轴指向北天极,从地面上看上去,北天极高度角相差一度,就对应着地球上纬度相差一度。再测出两地距离,就可以知道地球的周长和直径。

绘画尺寸:60 厘米×80 厘米

由于目前对唐代一尺的长度颇难考证,国内各博物馆藏唐尺和日本正仓院所藏唐尺的长度皆不一致。所以今人对唐代一行子午线测量的精度说法不一。一般认为,一行的测量值与现代值相比,相对误差大约为 11.8%。

在各地测量数据的基础上,从开元十三年(公元 725 年)起,一行开始编订新历法。经过两年时间编成草稿,定名为《大衍历》,可惜草稿刚完成,一行就去世了。《大衍历》后经宰相张说和陈玄景等人整理成书颁行全国。经过检验,《大衍历》比唐代已有的其他历法都更精密,后传入日本,行用近百年。

从古希腊的埃拉托斯特尼测量大地周长,再到一行的子午线测量,人类在大地测量的历史上,又写下了浓墨重彩的一笔。一行之后,在公元 814 年,阿拉伯帝国也组织了一次大地测量。由当时的天文学家、数学家阿尔·花拉子密(Al - Khwarizmi)主持,在幼发拉底河大平原上进行。测算结果得出子午线 1 度对应地表弧长为 111.815 千米,和现代值 111.133 千米相比,可以说相当精确。

在近代,对地球大小的测量是由法国人进行的,18 世纪 30 到 40 年代,法国国王路易十五指示科学院派出多支测量队,对地球进行了测量。结果证明地球不是一个完美的球体,而是一个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体。到了现代,通过各种测量手段,人们终于搞清楚了地球的大小。地球的平均赤道半径为 6378.1 千米,极半径为 6356.8 千米,北极地区约高出 18.9 米,南极地区则低 24~30 米。这么看起来,地球的形状就像一只梨。当然这种差异是极微小的,用肉眼根本看不出。所以在太空中的航天员看来,地球还是一个完美的球体。

在这里,我们似乎可以这样回答屈原的提问:“东西南北,其球浑圆,千米度量,直径万三(指地球直径约 13000 千米)”

由于地球自身的遮挡,北半球的人们是看不到南半球的部分星空的,能看到的只是视线和地平线相切以上的部分星空。此油画按《资治通鉴》所记,描绘了中国唐代测量人员在交州大海边仰望老人星以下群星粲然的情景,这些星星是他们以前从来没有见过的。画中还描绘了大批的流星划过夜空。老人星就是船底座α星,也是夜晚全天第二亮的恒星。这次测量,是中国天文学历史上第一次大规模在南方的观测活动。测量人员当年用何种仪器进行测量,又做过哪些具体的夜间观测,由于缺乏历史记载,现在已经无法考证。这里作者只能想象,他们采用一个小型浑仪进行测量。后面的随从提着灯笼照明,微弱的灯光照亮的不只是浑仪上的刻度,更照亮了大唐全盛时期人们蓬勃向上的积极开拓精神。 D8l0Tn5dmky3/ewPZr8V+YbzAO8igoH/6MIG5izjCxfEWdQ+JZG+Iw0axNjxqv5a

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