一、古代天文学的发展

中国、埃及、印度、巴比伦、希腊和罗马等文明古国是世界上天文学发展最早的国家。这些文明古国对天文学的贡献都是巨大的，有其共同性，也各有特色。人类最古老的文字，如考古出土的中国殷墟的甲骨文和古巴比伦泥版书上的楔形文字，都曾记载了不少有关天文方面的内容。各民族观察天象的历史几乎和民族本身的历史一样长远。丰富的天象观测记录是世界各文明古国对天文学发展的重要贡献。天文观测方法、天球坐标系的创立、星座的划分以及历法等古代天文学的成就和精华都被现代天文学所继承和发展。

1.中国辉煌的古代天文学

我国古代天文学的发展可以追溯到原始社会。到了春秋战国时期（公元前770—前222年）开始有了比较系统的天文学观测记录。到了秦汉时期（公元前221—公元200年），形成了以历法和天象观测为主的体系。历法的制定和修改成为各个朝代的政府行为，有专职的天文官吏，有经费、有发展计划、有史书详细记载天文学的大事。

我国古代天文学的最重要成果是对星空、恒星、太阳、月亮、行星，以及众多天象进行观测，记录下非常丰富的观测资料。这些资料对现代天文学研究仍有重要的参考意义。因此，在本讲中仅重点介绍那些与现代天文学研究仍密切相关的观测成就。

星座

最早把星空中的数不清的星星划分为不同的星座是古代迦勒底人。我国虽然比他们晚，但也创造了自己的星座划分体系。我国称星座为星官，其中最重要的星官是三垣二十八宿。三垣是比较大的天区，二十八宿则是把黄道、赤道附近的星象划分为二十八个大小不等的部分。这一体系对天体位置的测量和形成优越的赤道坐标系起了非常重要的作用。为了测量天体位置的需要，在每一宿中选取一颗星作为定标星，称为“距星”，当时确定距星的位置用的是天球赤道坐标系，这是我国独创的坐标系，也是现代天文学研究中应用最普遍的天球坐标系。图1-1为我国唐代古星图：敦煌星图（局部）。该图现存于英国伦敦博物馆。

太阳黑子和日食

太阳是离我们最近的一颗恒星，太阳物理学是现代天文学经久不衰的研究学科。太阳黑子是丰富多彩的太阳活动当中最重要的现象之一。早在公元前140年，我国就有关于太阳黑子的观测记录。之后，对太阳黑子的监测成为古代天文学家经常性的工作。他们积累了大量资料，对太阳黑子这一活动现象作了确切的描述。如黑子以及黑子群的出现的时间、大小和位置都说得一清二楚。欧洲关于太阳黑子的最早记录是在公元807年，比中国晚了近千年。遗憾的是，我们并没有从这丰富的资料中发现太阳活动周期为11年这一重要的规律。

古代日食的观测记录就更多了。我国古书《书经》详细地记录了一次发生在约4000年前的夏代仲康元年的日食。从2700多年前的春秋战国时期起，古书记载的日食观测记录越来越多，到元朝末年的1368年已有650次。

彗星、流星和陨星

我国关于彗星的观测记录也特别丰富。最著名的哈雷彗星是英国天文学家哈雷于1682年观测到的，考察了以前的彗星记录，发现它的轨道周期是75~76年。经考证，我国在公元前613 年的古书《春秋》记载的一次彗星恰好是哈雷彗星的最早记录。之后，我国古籍对这颗彗星的记录多达31次。1973年长沙马王堆三号墓出土的帛书绘有29幅彗星图像，形态各异，但是都有明显的彗头和彗尾，这是战国时代的记录，和当代的观测结果很符合（见图1-2）。我国古代关于彗星的记录有500多次。现代天文学家在研究彗星的周期等问题时还在利用这些古代观测资料。

关于流星、流星雨、陨星的观测记录不仅多而且十分精彩。公元461年我国《宋书·天文志》记载的一次天琴座流星雨是这样描写的：“有流星数千万，或长或短，或大或小，并西行，至晚而止。”而对一次英仙座的流星雨，《新唐书·天文志》中写到，“有星西北流，或如瓮，或如斗，贯北极，小者不可胜数，天星尽摇，至曙乃止。”我国古代记录的流星雨事件多达180次。

新星和超新星

宇宙中最为壮观和激烈的天象莫过于天体的爆炸或碰撞，如超新星爆发或星系碰撞。在没有望远镜的年代，只能用肉眼观测，当然只能局限于银河系内的现象。自商代到17 世纪末，我国古籍记载的包括新星和超新星在内的“客星”约有90颗，其中12颗是超新星。最著名的是发生在1054年的“客星”。宋朝的《宋会要》记载表明，这颗超新星在白天也能看见，像金星一样的芒角四射。经国际天文学界证认，当今被誉为“全波段天文学实验室”的蟹状星云，就是我国古籍记载的1054 年这颗“客星”的遗迹。

国家重点项目“夏商周断代工程”与古天文研究

20世纪90年代，研究我国历史的“夏商周断代工程”成为国家的重点研究项目。我国具有悠久的历史，但是有确切年代记录的是在西周共和元年，即公元前841 年。在这之前的夏、商以及西周大部分时间都没有确切的记载。“断代工程”的目的就是要弄清夏商周各朝代的年代。这是一项集历史学、考古学、文字学和天文学等众多学科于一身的综合性课题，但是只有天文学才能够推算出某些天文现象发生的绝对年代。

我国古籍书中有很多这些天文现象的观测记录被利用来考证“武王伐纣”的确切年代。例如已故紫金山天文台台长张钰哲提出，“如果武王伐纣时的一次彗星记录是哈雷彗星的话，那么可计算出那时是公元前1057~1056年”。五星联珠现象是指五颗行星（金、木、水、火、土）集聚在30度的范围内，计算得出从公元前2000年到公元后2000年的四千年中发生过107次。有人计算“殷纣之时，五星聚于房”的天象可能是发生在公元前1576 年11 月至12 月间。西周时期发生的一次日食记载为“懿王元年再旦于郑”，再旦被认为是发生在凌晨的日食，即黎明时天黑了，又亮了。郑的位置在现在的陕西省。已有几位天文学家根据这一事例推算懿王元年的确切年份。

古代天文仪器

我国古代很早以前就有了多种多样的天文仪器，其中最有名的是浑仪。“浑”字的意思是圆球，浑仪是由代表多个坐标系的大圆环所组成，主体部分是一个大圆球。它可以测量天体的赤道坐标。浑仪历史悠久，它的发明大约在公元前4世纪至公元前1世纪之间。随着浑仪的发展，增加测量天体黄道坐标和白道坐标的功能，最完善的要数唐太宗贞观初年（公元630年前后）李淳风研制的浑仪。但是浑仪功能的增加，代表不同的坐标系的大圆环也增多，导致遮挡的天区增加，给观测带来很大的损失。元朝初期天文学家郭守敬于1276年把结构复杂的浑仪进行简化革新成为简仪。简仪中的赤道经纬仪与现代望远镜中广泛应用的赤道装置的基本结构相同，只对北天极天区附近有些遮挡。我国古代观测最先采用的赤道坐标系，已成为现代天文学研究中应用最普遍的天球坐标系。当代英国著名学者李约瑟很感叹地评价说：“现代国际通用的是中国古代的赤道坐标系，而不是希腊古代的黄道坐标系。”赤道坐标系的优点是坐标值不随时间变化，也不受观测点地理位置的影响，可惟一确定恒星在天球上的位置。现在陈列在南京紫金山天文台的浑仪和简仪是明正统二年（1437年）仿制的（图1-3）。

我国古代出现一大批成就卓著的天文学家，主要在历法、天文仪器研制和天文实测方面。如张衡（78—139 ）、祖冲之（429—500 ）、一行（683—727）、沈括（1031—1095）、郭守敬（1231—1316）等。中国古代在天文理论方面的研究比较薄弱，这也是后来中国天文学渐渐落后的原因之一。

2.古希腊天文学和托勒密的地心说

古希腊天文学很发达，特别是对于宇宙的结构早就有了比较理性的研究。在托勒密以前的八百年间天文学先后形成四大学派，曾提出以地球为中心的同心球体系、本轮-均轮说和太阳为中心的日心地动说三种理论。对世界天文学发展影响最大的应是古希腊著名天文学家托勒密于公元140年提出的改良版地心说。

在那时，对太阳系中的几个行星的观测已经积累了相当多的资料，人们发现行星在天球上的群星中游动，有时顺行，有时逆行，有时还会停留不动。图1-4的右侧是火星在天球上的视运动的轨迹，明显看出有逆行现象。按照现代天文学的认识，火星的逆行现象是由于地球和火星都在绕太阳运转，地球的轨道周期365天，而火星的轨道周期687天，在地球上看火星在天球上的视运动就出现了顺行、逆行和留的现象。行星的逆行是困扰那个时期天文学家的一个难题，任何理论或模型都必须能解释行星视运动的逆行、顺行和留现象，还必须能解释太阳和月亮在天球上视运动的不均匀性。

托勒密地心说的要点是：地球位于宇宙中央静止不动，行星、月亮、太阳和恒星每天绕地球自东向西转一周，如图1-5所示。离地球最近的第一圈轨道上是月亮，然后依次为水星、金星、太阳、火星、木星和土星。再外的一层是恒星天。太阳、月亮和恒星天直接绕地球运动。为了解释行星有顺行、逆行和留的现象，他提出行星有两个轨道运动，一个轨道是行星绕一个名叫本轮的小圆轨道运动，另一个轨道是本轮的中心围绕地球运转的大圆轨道，称之为均轮。这个理论所预测的行星位置，和实际位置的误差在几度之内。

托勒密的地心体系不是一个定性的、描述性的体系，而是一个定量的、可以预报行星未来位置的体系。在当时较低的观测精度的条件下，用这一体系所作的理论推算大体上能与观测结果相吻合，可以解释行星的复杂视运动。在此后很长的历史时期中，人们都用这一模型来预报日、月、行星未来的位置。这个地心体系比较符合人们的直观感觉，天体的周日运动就给人们一个天体围绕地球运动的错觉。很显然，把地球看成宇宙的中心是完全错误的。但当时的观测水平和认识能力还不能判别出地球是不是宇宙的中心。

托勒密也曾认真地考虑过地球的自转问题，但不幸的是他随即又否定了。他承认，用地球的自西向东绕轴自转能够十分简单地解释天体东升西落的周日视运动。然而，他错误地认为天空中的云彩和飞鸟不可能跟随地球一起自转。他认为，当地球在不停地自西向东自转时，地球因自转而造成的表面运动速度远远超过云彩和飞鸟的速度，因此云彩和飞鸟只能有自东向西的运动。可是，他看到的却是云彩和飞鸟可以轻易地在空中自西向东飞行。因此他断言，地球并不存在自转。托勒密不懂得地球的大气、浮云和飞鸟都是在随地球一起自转着的。

托勒密研究天文学的方法在当时是先进的，也是科学的。他从研究观测现象出发，建立天体运动的几何图像（理论模型），使之能够解释观测到的复杂现象，预知天体未来的视位置，并用新的观测资料来加以检验，这些至今仍不失为一种好的科学方法。在1800多年前，托勒密就有这样的成就，不愧为一位杰出的天文学家。

但是，托勒密的地心说在科学上是错误的，在天文界统治了约1500年，阻碍了天文学的发展。其实，对科学起阻碍作用的并不是托勒密地心体系本身，而是将它奉为钦定理论的基督教教会势力。实践是检验真理的标准，判断地心说是否是谬误，只能由天文观测来确定。直到中世纪末期，天文观测精度的提高才有可能发现托勒密地心体系所推算的日、月和行星的位置存在偏差。从学科的发展来说，地心说至此才到了被彻底推翻的时代。 VGjYGhpg8A7lE4WJS4AvtpWEBqyZPJcv6t6C+DjDBlKj0Zptc8uLCwe1m85Bwxyn