天球坐標(biāo)

人們感知的星空并不是浩瀚無垠的,由于人類目力的局限,他們所認識的宇宙當(dāng)然也只能是一種有限的空間。

先民的觀象實踐表明,恒星在天空中僅僅呈現(xiàn)出明暗的差異,卻并沒有顯示出遠近的不同,這種錯覺使得實際的觀測結(jié)果只表現(xiàn)為恒星從它們的實際位置投影到以地球為中心,以目力極限為半徑的球面上,這個假想的球面就是天球。人們進行恒星觀測,首先需要解決的問題就是確定天體在天球上的準(zhǔn)確位置,這個基本要求導(dǎo)致了一系列坐標(biāo)體系的產(chǎn)生。

在古代中國,主要的球面坐標(biāo)系統(tǒng)有地平坐標(biāo)、黃道坐標(biāo)和赤道坐標(biāo),其中地平坐標(biāo)系統(tǒng)產(chǎn)生最早,也最為直觀,而赤道坐標(biāo)系統(tǒng)則在中國古代天文學(xué)傳統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用。

地平坐標(biāo)

中國古代的地平坐標(biāo)是以天頂、地平圈、四方點和子午圈為基礎(chǔ)而建立的,它的兩個坐標(biāo)分量是地平高度與地平方位。

地平方位的概念在地平坐標(biāo)系統(tǒng)建立之初便已占有重要的地位,它廣泛應(yīng)用于以日晷測量太陽出沒運行的方位角上。盡管這一觀象活動出現(xiàn)很早,以至于如《堯典》有關(guān)夏至“平秩南訛”及冬至“平在朔易”的記載其實就是觀測這兩個時點太陽的移動及其地平方位角的變化,但最初的地平方位角究竟如何表示仍很難稽考。

地平方位也就是地平方向,這個位置可以在地平經(jīng)圈上標(biāo)示。方位概念產(chǎn)生于東、西、南、北四正方向,這當(dāng)然必須運用測量日影的方法直接取得。由此形成的“+”形圖像,古人則名之日“二繩”。

四方的表示方法可以有很多,通常配以子、午、卯、西四支或坎、離、震、兌四卦。爾后四方增加四維而發(fā)展為八方,進而又細化為十二方和二十四方,分別用四維卦與十二支表示。其中四維卦以長主東北,異主東南,乾主西北,坤主西南,構(gòu)成八方;而十二支中的丑寅、辰已、未申、戍亥構(gòu)成四鈞,與二繩平分地平為十二方位。

四方的發(fā)展構(gòu)成五位,體現(xiàn)了方位觀念的平面化。在五位所呈現(xiàn)的“亞”形圖像中。古人更習(xí)慣于以十干、五行對五位加以分配,形成東方甲乙木、南方丙丁火、西方庚辛金、北方壬癸水、中央戊己土的完整配屬。在五位尚未發(fā)展出八方之前,這種十干五行的配伍形式顯然更為樸素。

五方圖形以及由此發(fā)展出的九官圖形由于體現(xiàn)著兩種完全不同的數(shù)術(shù)觀念,因此古人也以兩種不同的配數(shù)表示兩種不同的方位體系。其中五行圖既可以二、三、四、五表示北、南、東、西、中五方,也可以用六、七、八、九、十分別表示這五個方位。而在九宮體系中,九宮或者九方所呈現(xiàn)的北、南、東、西、中、東北、西北、東南、西南九個位置則是通過一、九五、八、六、四、二分別表示的。

關(guān)于前者,古人或名之日“河圖”,而后者則名之日“洛書”,其實所謂的“河圖”、“洛書”都只是洛書,它的本質(zhì)其實并不神秘,不過體現(xiàn)了古人對于方位的發(fā)展以及數(shù)分生成或數(shù)分陰陽的認識而已。

地平坐標(biāo)的另一個分量是地平高度,它是指天體沿著垂直于地平經(jīng)圈的大圓到地平的角距離,地平則為計算的起點。中國古人在相當(dāng)長的時期內(nèi)一直采用丈尺、寸等長度單位表示天體的高度,一寸大致等于一度。直至宋代以后,度的單位才正式得到應(yīng)用。

黃道坐標(biāo)

中國古代的黃道坐標(biāo)系統(tǒng)來源于古人對于黃道的認識。眾所周知,太陽的視運動相對于地球上的觀測者而言,每天呈現(xiàn)為在恒星背景中向東移動約一度的角距離,一年大致行移一圈。

太陽在天球上的這個周年視運動軌跡就是黃道。由于中國古人對太陽和其他恒星運動的觀測歷史十分悠久,所以認識黃道也應(yīng)相對較早。中國傳統(tǒng)的二十八宿體系自古被視為“日月舍”,顯然在這個恒星體系創(chuàng)立之初,黃道概念就已經(jīng)萌芽了。

在中國的古代文獻中,相傳戰(zhàn)國時代的《石氏星經(jīng)》最早明確提到了黃道,然而書中記述的冬至點位置似乎與這部著作的年代存在矛盾。

《星經(jīng)》云:“黃道規(guī)牽牛初直斗二十度”

其中的“黃道規(guī)”即是指天球上的黃道圈,“牽牛初”則是冬至點。冬至點在黃道上的位置位于離斗宿距星二十度的地方,這個天象的出現(xiàn)時間充其量也只能上溯到公元前80年左右。然而,公元前一世紀(jì)時,劉向卻將黃道的建立年代大為提前。他在《五紀(jì)論》中說:“日月循黃道,南至牽牛,北至東井?！备鶕?jù)這個記載,黃道的南點,也就是冬至點位于牽牛,這個天象至少出現(xiàn)在公元前五世紀(jì),因而比斗二十度的天象更為古老。

可以說,如果早期的天文觀測足以讓古人找到黃道東西兩端的商星與參星,那么他們認識黃道當(dāng)然沒有問題。這意味著中國古人很早就開始了以黃道為基本大圓的天體位置測量是毫無疑問的。

赤道坐標(biāo)

如果說中國黃道坐標(biāo)系統(tǒng)的建立必須首先依賴于古人對黃道的認識的話,那么赤道坐標(biāo)系統(tǒng)便需要人們首先認識赤極,也就是天北極?？梢哉f,這兩個坐標(biāo)系統(tǒng)的建立過程恰好是互逆的。

天球赤道是地球赤道平面向外延伸并與天球相交所形成的大圓,也就是與極軸垂直的最大的赤緯圈。中國的赤道坐標(biāo)系統(tǒng)其實是在古代二十八宿所構(gòu)成的恒星坐標(biāo)體系的基礎(chǔ)上完成的,最初的二十八宿坐標(biāo)如果是基于黃赤道混合帶而建立的話,那么赤道坐標(biāo)就顯然只是對這一古老坐標(biāo)體系的更精確化。

天體去極度是指所測天體距北極的角距離,這個坐標(biāo)分量最早明確記載在《周髀算經(jīng)》之中?！吨荀滤憬?jīng)》雖然最遲成書于公元前一世紀(jì)左右,但其中有關(guān)赤道坐標(biāo)的數(shù)據(jù)卻是對前人工作加以改造的結(jié)果。很明顯,這個分量在戰(zhàn)國時代已經(jīng)使用也是可能的。

中國赤道坐標(biāo)體系的建立與中國古人重視觀測拱極星的傳統(tǒng)密切相關(guān),事實上,這個傳統(tǒng)最初造就的識星方法很可能只是一種綜合各種坐標(biāo)系統(tǒng)的混合物,因為從人類的認識過程考慮,當(dāng)年人們所熟悉的只能是基于天體周日視運動而導(dǎo)致的黃赤道混合帶,真正將黃赤道加以區(qū)別顯然是更晚的事情。盡管如此,中國原始的識星體系由于受到拱極星觀測傳統(tǒng)的影響,從一開始就顯示出了重視赤道的傾向。

與此不同的是,其他文明古國,如古代埃及、巴比倫和古代希臘,都是以建立了完善的黃道坐標(biāo)體系,并以這個體系方便地標(biāo)示日月和行星運動而著稱。

雖然黃道與赤道并不處于同一個平面,而是大致斜交成23.5度的夾角,但是由于地球的自轉(zhuǎn),所有天體實際都參與周日視運動,并且其運動軌跡與天赤道平行。

因此,中國先民重視拱極星的傳統(tǒng)使他們最終選擇了另一種利用赤道坐標(biāo)觀測恒星的方法,從而在世界天文學(xué)史上形成了獨具特色的觀測體系。