導讀

中國古人計算太陽的視位置是從冬至點開始的,這使他們對於冬至點在星空間位置的測定十分重視。傳統的觀測方法是測定昏、且時刻的中星,這樣可以容易地推算出夜半時刻的中星位置,並進而根據此時與中星對沖的太陽位置,按照太陽在天空中日行一度的規律,求出冬至點。公元前四世紀,古人運用這種方法觀測得到的冬至點在牽牛初度,這個觀測結果在漢初的歷法中一直在沿用。

歲差的發現

然而,冬至點在星空間的位置並不是固定不變的,但在歲差發現之前,這一點卻始終沒有得到承認。第一次可能認識歲差的機會出現在公元前104年,當時的天文學家鄧平、落下閎等人奉漢武帝之命新制《太初曆》,他們顯然已經覺察到,當時的冬至點位置與戰國四分曆所定的起於牽牛初度的情況確有不合,但這並沒有影響他們最終仍然忠實地接受傳統的觀測結果。

一百年以後,劉歆通過改定《三統曆》終於把對冬至點位置的懷疑公開了,但他對於究竟是將冬至點重新定在當時所觀測到的鬥、牛之間,還是因襲牽牛初度的舊說始終表現得猶豫不決,最後他只能含糊地承認,冬至點常常會在牛宿和它之前四度五分之間移動。這種左右為難的局面到東漢初年得到了徹底的改變,當時的民間天文學家賈連通過實測肯定地指出,冬至點的赤道位置已由牽牛初度移至鬥宿二十一度,這種觀點理所當然地遭到了來自朝廷的排斥。

然而,冬至點的位移在當時已經十分明顯,這個事實是不能無限制地被忽略的,後來甚至連太史局的一般人員都懂得了冬至之時日在鬥二十一ー度的道理,於是朝廷不得不重新修定當時的曆法。經過數年辯難,由編訴、李梵等人主持修定的《四分曆》終於頒行。新曆確定了鬥宿二十一度四分之一為新的冬至點,從此,冬至點在牽牛初度的陳舊說法便無人再提了。

這種明顯的天象變化之所以沒能使漢代的天文家獲得任何不同於他們前人的認識,其原因並不在於冬至點的位移難於觀測,而在於他們盲目地抱有“天週歲終”的成見。根據長期主表觀測的結果,古人以為從冬至到下次冬至的一歲周內,

太陽在星空間自西向東正好行移一週,這種天周與歲周不分的做法甚至導致了他們以歲實(365.25日)作為確定周天度數(365.25度)的依據。當然,這些早期的觀測工作並非毫無意義,正是這些直至公元四世紀時還在進行的關於二分點和二至點移動的種種討論,終於使虞喜完全認識了歲差。

冬至點在移動,因此冬至日的昏中星也會隨之移動。人們也許還記得,《尚書・堯典》曾經留下了冬至時昴星昏中天的記載,這與東晉的天象已有很大差異。

虞喜來了

到晉成帝時代(330年前後),天文學家虞喜注意到,當時在冬至日黃昏出現於南中天的星宿已不再是昴宿,而是壁宿,這使他領悟到,太陽從冬至點出發環行一周天,經過一個迴歸年後,並沒有回到原來的點上。換句話說,雖然一年的長度是不變的,但太陽在天上並沒有走完一週,而是每歲漸差。這種二分點與二至點沿黃道連續不所地緩慢西退的現象就是歲差。

虞喜的工作並沒有到此結束,他把《堯典》的記錄看作是距他之前2700年的古老天象,由此求得每五十年冬至點在黃道上西移一度的差值。這個歲差值雖是基於昏中星的變遷得出的,但它反映的卻是冬至點赤道度數的變化。

按現代理論推算,東晉時代的赤道歲差積累值約為703年差一度,顯然虞喜所定的差值並不理想。

這個差值到公元七世紀時得到了進一步改進,隋代天文學家劉焯和張胄玄分別提出冬至點沿黃道每75年或83年西退一度的新值,與實際情況已相去不遠。

冬至點為什麼會逐漸在恆星間向西移動?對於這個問題,虞喜當然沒有能力解答。

英國科學家牛頓首先指出,產生歲差的原因是太陽和月亮對地球赤道隆起部分的吸引,這種引力作用造成地球自轉軸圍繞黃道軸(即與黃道面垂直的軸)旋轉,從而引起與地軸垂直的赤道沿黃道向西滑行,相應的是赤道與黃道的兩個交點(二分點)以及二至點也一起沿黃道向西緩慢退行,繞行一週約需26000年,摺合每年50.3角秒或71.6年一度。這個差值看起來很微小,但逐年的累積則會引起節氣時刻的顯著改變,從而直接影響到曆法的正確性。南朝時期,祖沖之克服了極大的阻力,首先把歲差引入了曆法計算,儘管他採用的差值不夠精確,但僅就在曆法中引入歲差這一點,便足以開闢中國天文學一個新的時代。

事實上,中國古代始終存在著可能發現歲差的另一條途徑,這就是對北天極的觀測。我們知道,由於地軸的進動而產生歲差,所以歲差對於天極的位置則起著重要的作用,使它以黃極為中心做大的圓周運動。現在的天極自然十分接近現代天文學的極星一一小熊座(勾陳一),但大約11000年以後,它將移到天琴座的織女一(天琴座)附近,這意味著織女星將成為那個時代的北極星。由於中國天文學重視拱極星的特點,古代天算家對北天區的觀測投入了極大精力,這使他們可能很早就發現了天極環繞黃極旋轉的現象。

但是很不幸,古人始終沒有將這種認識與歲差加以聯繫。中國古代極星變遷的歷史反映出一些有趣的事實,大約於公元前3000年,真天極的位置恰好處在紫微垣宮門的左樞和右樞兩星之間,自那時起沿著天極所經過的路線,可以找出一連串在不同時期充當過極星的星。最早的極星可能是右樞(天龍座),它離當時的天極最近。到公元前十世紀北極位移到帝星(小熊座β)附近的時候,帝星取代右樞而充作了極星,隨後是庶子(小熊座5)和後官(小熊座4),大約從漢代開始,天樞(鹿豹座32H)充當了新的極星,它的位置幾乎恰在天極的軌道上。

但是隨著時間的推移,漢代的極星位移愈來愈明顯,到公元六世紀初,祖沖之的兒子祖已發現它離開真天極已一度有餘,而到十二世紀,當時在真天極的位置上實際已經沒有星了。

北宋熙寧年間(1068-1077年),沈括利用窺管試圖找到真正的北極,最初,他通過窺管所能看到的星很快便移出了視野,於是他逐步擴大窺管,直至使極星只在視野內移動而不消失。用這種方法,沈括發現天樞與真天極已相去三度多了。

但是,在同一條軌道上既能放棄一串極星又同時能找出新的極星,這種現象並沒有使古人領悟到它可能是由於歲差造成的,他們只把極星的不斷更新簡單地歸咎於前人觀測的失誤,即使像沈括這樣有見地的科學家,也沒有能擺脫掉舊觀念的束縛,這在中國天文學史上是一件頗為令人遺憾的事情。

結語

虞喜發現了歲差,從此人們才有可能將恆星年與迴歸年加以區分,它對於天文學的意義是怎麼稱道也不過分的。公元前125年,古希臘天文學家喜帕恰斯首先發現了歲差,他似乎比他的同代人幸運得多,因為至少從公元前三世紀開始,多少次可能發現歲差的機會都與中國的天算家失之交臂,直至公元四世紀,虞喜才獨立地認識了它。但另ー方面,在隋代劉焯提出冬至點75年差一度的積累值的同時,西方人卻還在墨守著喜帕恰斯的每百年差一度的舊值,這個值即使在喜帕恰斯的時代也是很不準確的。