星大如桃：古代观测的目视尺度

中国古代很早就发明了天文仪器浑仪，用来测量天体位置。这种测量，方法客观合理，易于把握精度，并且其精度还可以靠改进制造工艺、改进测量手段来逐步提高。这样，似乎有以赤道天球坐标系为框架的度数体系就足够了，为什么古人又发展了一套完整的、以目视估测为主要手段的、以“丈、尺、寸”为单位和“大如×”为标准的尺度体系呢？

这种状况与中国古代天文学的任务和目的是分不开的。中国古代天文观测的主要任务有二：①日、月、五星运行的观测，其目的主要是用于历法的制定、验证和修订；②特殊天象，如天体间的掩、犯、合观测，彗星、流星、新星、黑子、极光、某些不明飞行物、大气现象等的观测，主要用于星占目的。前者是探索天体的运行规律，必须以浑天坐标系为依托进行长期、精密的观测，以确定天体的准确位置，这样浑仪、简仪等就成了主要观测工具，由此发展出度数体系。

至于后者，观测者面对的常是一些形态多样乃至复杂多变的观测目标。这些天象很多无法用仪器观测，比如流星，多数情况下是突然出现，在天空划一条尾迹后迅速消失，古代没有摄影术，所有仪器都毫无用武之地，所以只能靠目视迅速估测。还有许多奇异天象，其范围是难以精确测量的，如彗尾的长度、极光的延伸范围都是界限模糊的，用仪器测也只能得到大致的数据，反而是多此一举。再如行星、月亮与恒星之间的凌、犯、掩，古人出于星占目的，最关心的是其相对角距离，经常靠目视就可立刻确定其相距多远、是否为“犯”，因此也无须使用浑仪。有些特殊天象的指标，如黑子的大小、流星和新星的亮度，更不是当时的仪器所能量出的。而上述这些天象的观测和记录，在中国古代是不可或缺的，因为在“天人合一”的意识形态背景下，出于统治的需要，皇家对特殊、奇异天象的观测极为重视，每朝每代、每年每月每日都要持续不断地作观测记录。正是由于这种迫切需要，目视估测方法才得以独立发展，终于演变成一套独特的天文测度体系——尺度体系。

在皇家天文机构以外，如地方和民间，由于无仪器可用，只能用目视估测手段，这对尺度体系的形成无疑也起到了促进作用。

图1.6.1　古代天文家的目视观测

尺度体系的使用范围到底有多大？将古代典籍中有关的记录分类辨析，可以发现，日、月、行星、彗星、流星这些“运动的天体”与恒星的相对关系，以及它们的地平高度、长度、扩展范围、大小、明暗等等，几乎都使用这种方式记录。而且不仅“运动的天体”，像新星和超新星的位置和亮度、二十八宿距星的黄道距、太阳黑子、极光、不明天空现象，甚至许多大气光象（如虹、晕、云气等），也使用这种方式记录。可以说在典籍中，几乎所有的目视天象观测项目都有尺度记录留存，也主要以尺度记录留存。

至于尺度体系的使用人员，主要有以下四类：

（1）前述的各种“运动天体”和奇异天象的皇家观测人员。对这类天象，司（钦）天监的皇家天文学家的记录基本都是用尺度体系。

（2）民间的天文星占观测人员。中国的星占家一般都不用天文仪器，所以尺度体系是他们进行天文观测时所不可缺少的。(www.xing528.com)

（3）地方天文观测人员。浑仪、简仪等属皇家礼器，只能被皇家天文学家使用，地方、民间不能私造，但历朝地方官员都有上报各种灾变（包括异常天象）的责任，他们的观测方法只能是目视估测，也只能用尺度体系来记录天象。

（4）民间日常观测和随意目击人员。民间天文学家、关心天文的文人墨客、普通人等也不可能拥有仪器，更只能用目视观测、用丈尺寸或取象比类法来记录天象。

既然尺度体系是目视估测，很多人一定会想，这样得出的结果精度一定很低，至少与仪器测量的结果没法比，但对度数体系和尺度体系的测量精度作一仔细比较后，发现情况不尽如此。

我们先来看看仪器测量的精度。据潘鼐、张柏春等学者研究，中国历代天文仪器观测（包括最小刻度内的估量）的最小值如下：

战国～唐 宋 元明 清

1/2度 1/4度 1/20度 1/60度

再来看“尺度体系”的观测精度。从现存各种记录数据来看，没有发现观测精度有随年代增加的趋势，这说明在这方面人类肉眼估测的能力是大致固定的，并不随其它技能的提高而提高。尺度体系中目视估测的最小值为“半寸”即1/20度。至于“1寸”（合1/10度）的记录，典籍中更比比皆是。而宋以前仪器所测精度也仅有1/4度，相当于尺度体系的2.5寸，直到元代，天文学家郭守敬制造的简仪的观测精度才达到了目视估测的最高精度“半寸”（1/20度）。

虽然浑仪测得的尾数精度与目视估测的最小值不完全可比，但仍可以得出这样的推论：尺度体系中很多记录的精度比上古、中古的仪器所测记录的精度还要高。

为何早期仪器的精度不高？因为在当时制作工艺的限制下，刻度环无法做出更细的刻度，又无法把浑仪的刻度环任意扩大，故限制了精度。至于尺度体系，是以目视天球为“刻度环”（见本书第二部分）的，其“环”极大，“刻度”宽阔，所以精度很高，从而弥补和抵消了目视的误差。