在古观象台上

2015.6.30 科学网 李轻舟

 

 

 

 

引子

   大家看我这本小说写北京法源寺，今天下午我要去法源寺去看看，从来没有去过这个地方，为什么没有去过能把这个小说写得神龙活现，这就是文学家嘛，就干这个的。

——李敖 北京大学 2005

   小学时有篇课文就叫《在古观象台上》，可惜如今残存在脑子里的，除了题目，什么也没有。这本不奇怪，如果一个人可以保留并无碍输出自小学以来所学知识之主干框架与大部分细节，他的博学程度就已经可以称得上是一部“活词典”（或者“活wiki”）了。真正奇怪的是，像“古观象台”这样一个于我没有什么内容的“符号”（也就是在经验域中没有任何指谓）竟然可以在记忆中顽强地盘踞这么多年，以至于“登台”成了一种强烈的心理暗示。

   到今年6月中旬以前，计上京三次，行踪游荡于四九城的西北与东北方向，去了国家天文台，去了北京天文馆，唯独落下了东南角的古观象台。今年初，《天文观测完全手册》也付梓刊行，我在书中专辟“公共天文台资源”一节，煞有介事地聊了聊古观象台的沧桑——所谓“空谈”，此之谓也。于是乎，此次上京决计一了夙愿，老陆（游）不是说嘛，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”——否则长此以往，对不起观众，更对不起自己......

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敬协天行无所逸，顺敷星好敕时几

   观象台西侧为紫微殿。“紫微”者，北极之帝星（今天的北极星为勾陈一，即小熊座α）也，处紫微垣（人间之紫禁城）之中央，乃众星之主。

   

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   殿中悬乾隆手书对联与横批（注意断句！）：

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上联：敬协天 行所无逸

下联：顺敷星 好敕时几

横批：观象授时

  上联合于“观象”，下联合于“授时”，总结了中国传统天文的精神——“刚柔相济,天文（纹）也；文明以至,人文也.观乎天文,以察时变；观乎人文,以 化成天下”（《周易·.贲卦》）。如果一定要做个比较，不是astronomy，似乎更接近古希腊的cosmology,即“和谐而有序的存在”cosmos。

  台下与殿前计有先贤塑像六尊：

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    上（从左至右）：（东汉）张衡 （南齐）祖冲之 （唐）一行（张遂）

    下（从左至右）：（北宋）沈括 （元）郭守敬 （明）徐光启

   这些在文献中闪耀的名字汇聚在这里，可以形成一种“气场”，大概只有巴黎的先贤祠（le Panthéon）可以比拟。

    唯一令我不解的是：对于作为明朝内阁大学士的徐光启而言，为何官帽选用的是“公服”幞头（类似宋代官帽样式，只是明代样式的帽翅更短一些。可与沈括对比），却不用更常见且更具有辨识度的“常服”乌纱帽？？？

  赤道式日晷（原件藏于故宫）与地平式日晷，从地平式日晷上可以读出兄弟我拍照的时间：

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  辅助授时的星晷（左）与月晷（右）：

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“张衡——郭守敬系统”与“第谷——南怀仁系统”

   观象台的精华在于天文仪器。不同时期天文仪器的创制是基于不同的宇宙模型。从基础主义（foundationalism）或还原论（Reductionism）视角的理论上看，这些宇宙模型从不同的基本物理图像（作为公理化假设）出发根据一定的计算推演程式构造出拟合观测现象的唯象理论（phenomenology）——脱离预设观念体系的实验观测是不存在的。换而言之，这些天文仪器的创制原理与运行机制无法脱离创制者所持宇宙模型的理论体系——用个更哲学的词汇——“宇宙观”（view of the cosmos）.

   台上台下走一遭，兄弟我私自揣度先贤，根据不同的基本物理图像把观象台的主要天文仪器大致分为两个系列：

   （1）基于落下闳“浑天说”的“张衡——郭守敬系统”

   （2）基于亚里士多德——托勒密地心说与阿里斯塔克——哥白尼日心说之折衷体系的“第谷——南怀仁系统”

    “浑天说”与“折衷体系”所扮演的角色也许可以用热力学史上的“热质”（caloric）来类比吧......

   综合史料，北京古观象台原址的前身可以追溯到金元时期（而国家天文机构的传统可以上溯更早）。公元1127年，靖康之变，金兵攻破北宋都城汴京（开封），在大肆掠夺财富的同时将北宋司天监的天文仪器（苏颂、沈括及前代学者的成果）迁运到中都（北京）。由于开封与北京的地理纬度差异，这些被掠夺的天文仪器丧失了足够的观测精度，几乎丧失了观测功能，沦为摆设。公元1279年，元世祖忽必烈下诏在大都（北京）城内东南角营建太史院和司天台，作为国家最高天文机构。郭守敬先后担任同知太史院事（即副长官，太史令由王恂担任）、太史令，主持大小事务。

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   我们今天看到的古观象台始建于明正统七年（公元1442年），大致与“星学之王”第谷先后创立的汶岛天文台（建于1576年）和布拉格天文台（建于1599年，次年第谷与开普勒相遇）处于同一时代，是明清两代国家最高天文机构。今天观象台陈列的天文仪器主要是执掌明清两代钦天监的中国官员（以徐光启、李天经为代表）和耶稣会传教士（以利玛窦、汤若望和南怀仁为代表）创制的清制仪器和明制仪器的复制品。

   其中明制仪器浑天仪、简仪、复原的玲珑仪等属于“张衡——郭守敬系统”。其基本物理图像来自于落下闳的“浑天说”，据唐代瞿昙悉达的《开元占经·卷一》引述——

    “张衡《浑仪注》曰： 浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内。天大而 地小，天表里有水。天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。周天三百六十五 度四分度之一；又中分之则一百八十二度八分之五覆地上，一百八十二度八分之五绕地下。 故二十八宿，半见半隐，其两端谓之南北极。北极，乃天之中也。在正北，出地上三十六度， 然则北极上规，径七十二度，常见不隐。南极，天之中也。在南，入地三十六度，南极下规 七十二度，常伏不见。两极相去一百八十二度半强。天转如车毂之运也，周旋无端，其形浑 浑，故曰浑天也。赤道横带，天之腹；去南北二极，各九十一度十九分度之五。 横带者， 东西围天之中要也。然则北极小规去赤道五十五度半，南极小规亦去赤道五十五度半，并出 地、入地之数，是故各九十一度半强也。 ”

   ......

   浑天仪系浑仪与浑象（浑天象，即天球仪）的合称。前者是观测仪器，由“浑天说”提出者西汉落下闳首创，东汉张衡、唐李淳风等沿袭改进，以同心圆环结构实测目标天体的天球坐标；后者是演示仪器，类似于今天天文馆的天象仪（比如北京天文馆的蔡司天象仪）或天球仪（天体仪），根据已测天体坐标布列星辰于球面以模拟天球上的天象（比平面的星图更直观一些），主要起天文官员业务培训与“科普”功能——当然“科普”的对象一般仅限于帝国的最高统治者（历代民间私习天文属妄测天机、觊觎神器性质，乃重罪）。

   简仪是郭守敬（可能吸收了阿拉伯天文学成就）对传统浑仪的简化改进版。传统浑仪用于确定坐标的同心环较多，在使用过程中容易产生较大的中心差，增加了校准的难度。另一方面，过多的同心环在操作中容易遮蔽天体，形成大量观测盲区。北宋沈括和元郭守敬相继用计算地位取代实测圆环（白道环与黄道环）最终拆分传统浑仪，将赤道坐标的测量和地平坐标的测量分立为两个部分，以改进传统浑仪的不足。

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左：明制浑仪（复制品） 右：明制简仪（复制品）

   今天古观象台陈列的明制浑仪与简仪系复制品（还有一件1：3复制品），原件抗日战争前夕迁往南京，现藏于南京紫金山天文台。而台上陈列的浑象系清制天体仪，也称清制浑象。

   郭守敬创制的玲珑仪没有留下实物且史料记载不多，故就其形制功用多有争议，大致可以分为两种：

   其一，认为玲珑仪系浑象或假天仪，都属于演示仪器。不同之处在于，浑象的参考系在天球外，而假天仪（类似现代天象厅）的参考系在天球内，也就是人在球体内观察。

   其二，认为玲珑仪是一种改进的浑仪（比如北师大的杜昇云教授），具有实时观测功能，可能采用了中空网格的球形构造。这些网格起到天球坐标系的作用，便于球内的观测者定位天体。

   根据流传下来的元太史院校书郎杨恒的《玲珑仪铭》记载：“十万余目，经纬均布”、“人由中窥，目即而喻”，连同东汉班固《弈旨》中“局必方正，象地则也；道必正直，神明德也；棋有白黑，阴阳分也；骈罗列布，效天文也”佐证，兄弟我目前倾向于第二种观点。

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复原的玲珑仪似乎采用的是第一种观点

   小时候读的《十万个为什么》就介绍过一种通过平面网格坐标系描迹观测天体视运动的方法，高中物理实验探究平抛运动用的也是类似方法，只不过相对于观测者，前者运动“极慢”，后者运动“极快”——合起来很容易令人联想到古希腊芝诺或先秦名家的“飞矢不动”，作为运动连续性表征的轨迹观念，作为一种根深蒂固的一厢情愿，或许经不起马赫式的诘问......

 

   今天观象台上陈列的八台清制仪器可归为“第谷——南怀仁系统”。其中测定黄道坐标的黄道经纬仪、测定赤道坐标的赤道经纬仪、测定天体地平坐标的地平经仪和地平纬仪（象限仪）、测定两个天体间角距离的纪限仪和演示天象的天体仪（清制浑象）计六台仪器系康熙八年到十二年（1669~1673）由执掌钦天监的耶稣会传教士南怀仁监制督造。

   合并地平经仪与象限仪功能的地平经纬仪由耶稣会传教士纪里安督造，时间在康熙五十二年至康熙五十四年.

   观象台上最后一件重器——体现中西结合的玑横抚辰仪（清制浑仪）制造于乾隆九年到乾隆十九年（1744~1754）。

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上（从左至右）：赤道经纬仪、纪限仪、地平经纬仪、地平经仪

下（从左至右）：黄道经纬仪、天体仪、象限仪、玑横抚辰仪

  “第谷——南怀仁系统”的基本物理图像来自于第谷的折衷体系。这个体系是调和亚里士多德——托勒密地心说与阿里斯塔克——哥白尼日心说的产物，它既保证托勒密体系中地球作为宇宙中心的地位，又充分吸收哥白尼体系的合理因素，将其余行星的支配权留给了太阳，构造了行星绕太阳作匀速圆周运动而日月轨道仍以地球为中心的物理图像。

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第谷体系示意图

   明末万历至崇祯朝，由于明初颁行的《大统历》（基本沿袭元朝郭守敬的《授时历》）不敷使用，徐光启、李之藻、李天经引入“西法”（欧洲天文学）先后主持修订《崇祯历书》，聘请耶稣会传教士龙华民、罗雅谷、邓玉函、汤若望等人参与译介同时期欧洲天文学成果，第谷体系与哥白尼体系引入中国。

   由于哥白尼体系在实测精确性上的劣势（还有两个致命缺陷：观测不到恒星的周年视差和更深层次的地球自转所带来的惯性难题），《崇祯历书》采用的基本物理图像是相对保守的第谷体系。这对于后来南怀仁所主导的“第谷——南怀仁系统”来说是个不能忽略的背景。

   真正释放哥白尼体系威力的关键人物是第谷的继承人开普勒，他用行星运动三定律构造的基本图像和唯象理论取代了托勒密、哥白尼与第谷一以贯之的本轮均轮。哥白尼——开普勒新体系相较于托勒密和第谷体系在实测精确性和理论简洁性才获得了足够的优势。

  在“西学东渐”的大幕下，东西方的融合看似把中国人和欧洲人又放在了同一起跑线上。然而当中国学者还在消化阐发第谷体系的时候，欧洲的引擎已经悄悄地启动了......

   1609年，伽利略发明天文望远镜——第谷裸眼观测的煌煌功业最终化为旧时代的传奇。

   1687年，牛顿发表《自然哲学的数学原理》——唯象理论之间的比拼可以消停了，玩家升格到“上帝视角”，下面要问的是Why？

      ......

外一则·念天地之悠悠，神马都是浮云

   在古观象台上，可谓登高——所谓“高”者，拔地不过十余米。在钢筋水泥的丛林中，尤显局促逼仄。然而在数百年的时间尺度上，这里又确实是离“天”最近的地方。

   登高必赋，却一时词穷，好在乡贤老陈（子昂）可以来救场：

   前不见古人

   后不见来者

   念天地之悠悠

   .....

   赶紧把悲愤的老陈从一千多年前那场无厘头的战争中提溜出来，他其实就想说：

   在更广阔的时间尺度上——这叫“宙”

   在更广阔的空间尺度上——这叫“宇”

    幽州台和观象台的时空间隔很渺小

    欧洲和中国的时空间隔很渺小

    你我很渺小

    开了牛顿的“上帝视角”

    神马都是浮云

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