观测太阳的三种视运动-《楚国天文学探索》

通过长期的观测实践，古人发现太阳在天空具有三种不同形式的周期运动：一是每天早上从东方升起，傍晚在西方落下，一天一个来回，周而复始；二是自西向东地沿着二十八宿恒星穿行，一年一周天，周而复始；三是每天中午在正南方的地平高度不断变化，在夏至那天的高度最高，在冬至那天的高度最低，一年一个来回，周而复始。

近代天文学把第一种运动形式称为周日视运动，认为它是由地球自西向东自转所引起；把第二种、第三种运动形式称为周年视运动。其中，第二种运动的周期是恒星年，它是地球绕日公转的反映；第三种运动的周期是回归年，它是地球自转轴以倾斜的角度绕日公转，致使太阳相对于地球赤道的位置呈现出南北来回地变动。如图2-10 所示，太阳在天球上作周年视运动的轨道（大圆EE′）叫作黄道；地球赤道面向外扩展后与天球相交，所截出的大圆QQ′叫作天赤道；黄道与天赤道成约23°30′的夹角，两者分别相交于春分点和秋分点。每年春分那天，太阳从赤道以南沿黄道经过春分点，向赤道以北运行，并在夏至那天到达距赤道最远的夏至点E；每年秋分那天，太阳又从赤道以北沿黄道通过秋分点，向赤道以南运行，并于冬至那天到达距离赤道最远的冬至点E′。这样的周期运动就是太阳的回归年运动。

1.对太阳周日视运动的观测与计时制度

太阳东升西落的周日视运动由于周期较短，而且直接造成了白天和黑夜的交替，因而在三种周期运动中最早为古人关注和认识。当然，由于科技水平的局限，古人还不可能知道太阳的东升西落是地球自转的反映，只能直观地认为是太阳在运动，每天早上从大地的东方升起，在天上向西移动，晚上落入大地的西方。关于太阳的这个运动，屈原在《天问》中问道：“出自汤谷，次于蒙汜，自明及晦，所行几里？”王逸注曰：“言日出东方汤谷之中，暮入西极蒙水之涯也。日平旦而出，至暮而止，所行凡几何里乎？”这表明，战国楚人当时认为，太阳的东升之处叫作汤谷，西入之处叫作蒙汜。关于太阳每天在不同时间所到达的不同位置，《淮南子·天文训》有较详细的描述：

图2-10　地球的周年运动

日出于旸谷，浴于咸池，拂于扶桑，是谓晨明。登于扶桑，爰始将行，是谓胐明。至于曲阿，是谓旦明。至于曾泉，是谓蚤食。至于桑野，是谓晏食。至于衡阳，是谓隅中。至于昆吾，是谓正中。至于鸟次，是谓小还。至于悲谷，是谓时。至于女纪，是谓大还。至于渊虞，是谓高舂。至于连石，是谓下舂。至于悲泉，爰止其女，爰息其马，是谓悬车。至于虞渊，是谓黄昏。至于蒙谷，是谓定昏。日入于虞渊之汜，曙于蒙谷之浦，行九州七舍，有五亿七千三百九里。

唐代文献《初学记》在引述《淮南子》此段文字时，将其中的“爰止其女，爰息其马”二句引作“爰止羲和，爰息六螭”，并在“是谓定昏”之后增有“日入崦嵫，经细柳”两句。从《淮南子》的上述记载可知，在战国楚人的神话传说中，太阳每天是乘坐由羲和驾御的六骖马车从东向西在天空中运行的。关于羲和为太阳驾车之事，《天问》有明确记载：“羲和之未扬，若华何光？”王逸注曰：“羲和，日御也。言日未出之时，若木何能有明赤之光华乎？”在《离骚》中，屈原亦提及了羲和驾御马车行天之事：

吾令羲和弭节兮，望崦嵫而勿迫……饮余马于咸池兮，总余辔乎扶桑。折若木以拂日兮，聊逍遥以相羊。

关于太阳每天从早到晚所移行的不同位置，《淮南子·天文训》自西向东列举了15 个地名：旸谷、扶桑、曲阿、曾泉、桑野、衡阳、昆吾、鸟次、悲谷、女纪、渊虞、连石、悲泉、虞渊、蒙谷。由是，太阳依次到达这15 个地点的时辰也有15 个。《天文训》用以表示15 个时辰的名称，有的与天色的明暗有关，如晨明、朏明、旦明、黄昏等；有的与地平方位或地平高度有关，如隅中、正中、高舂、下舂等；有的与吃饭的时间有关，如蚤（早）食、晏食、食等；有的与马车的行止有关，如小还、大还、悬车等。除了与马车行止有关的时称以外，其他类型的时辰名称在先秦时期均有普遍使用。例如，在殷墟卜辞中，就可见到朝、昏、旦、明、中日、大食、小食、昃、夕等多种时称：

朝又雨？今……昏……（《佚存》292）

旦不雨？食不雨。（《粹编》700）

中日至昃，其雨。（《拾掇》394）

甲寅大食雨自北，乙卯小食大啟，丙辰中日亦雨自北南。（《乙编》12、163、303、478）

三月乙丑夕雨，丁卯明雨。（《乙编》163）

在楚国的文献资料中，可见到朝、夕、昼、黄昏、宵、夜等时间名称。例如，屈原《离骚》云：“朝饮木兰之坠露兮，夕餐秋菊之落英。”《九章·抽思》云：“昔君与我诚言兮，曰黄昏以为期。”《九歌·东君》云：“夜皎皎兮既明。”宋玉《九辩》云：“哀蟋蟀之宵征。”20 世纪40 年代在湖南长沙子弹库出土的《楚帛书·乙篇》记云：“又（有）宵、又（有）朝、又（有）昼，又（有）夕。”^[33]

以上这些反映太阳的不同位置和天色明暗程度的时间名称，都是根据人们的大致判断和主观感觉来确定的。它们所表示的时间的早晚既会因季节的变化而有所差异，也会因观测者的不同而有所区别，因而都是相当粗略的。古人在社会生活相对粗放的情况下，使用这些粗略的时称来表示时间，已能够满足日常生活的需要。然而，当社会发展到一定的历史阶段，需要建立起严格统一的时刻制度来约束人们的各种活动时，计时仪器便应运而生了。

我国古代使用最普遍的计时仪有两种，一是日晷，一是漏刻。日晷的使用虽然与观测太阳的周日视运动密切相关，但不是直接观测太阳在天空的位置变化，而是观测直立在地面上的表杆的日影的方位变化。随着太阳自东向西的周日运动，表杆在阳光的照射下所呈现的杆影就会发生从西向东的方位变化。

在先秦时期，以盖天说为代表的天地结构观占据着主导地位^[34] ，人们认为太阳的周日视运动是在位于地平面之上的天盖上做圆周运动，因而对于太阳在周天运动中的不同位置，也就用不同的地平方位来表示。古代地平方位的建立，有一个由简到繁的发展过程。先是确定了东、南、西、北四方；继而增加了东北、东南、西北、西南，发展为八方；再在八个方位的基础上，于每相邻两个方位正中各增加一个方位，即可达到十六个方位。有了十六个地平方位，就可建立起表示太阳在周日视运动中历经16 个方位的十六时计时制。

1975 年冬，在湖北省云梦县睡虎地十一号秦墓出土的秦简《日书》中^[35] ，就记有一种分一日为十六时的时制。其简793 ～796“岁篇”记曰：

十月楚冬夕，日六夕十；

十一月楚屈夕，日五夕十一；

十二月楚援夕，日六夕十；

正月楚刑夷，日七夕九；

二月楚夏杘，日八夕八；

三月楚纺月，日九夕七；

四月楚七月，日十夕六；

五月楚八月，日十一夕五；

六月楚九月，日十夕六；

七月楚十月，日九夕七；

八月楚爨月，日八夕八；

九月楚献马，日七夕九。

这种十六时制，当来自战国时期的秦人和楚人所共同使用的十六方位制和立表杆测日影方位的计时方法。云梦《日书》没有提供16 个地平方位的名称以及十六时制的时间名称。1986 年，在甘肃天水放马滩一号秦墓出土的秦简《日书》中^[36] ，其甲种简16 ～19“生男生女”章完整地记述了十六时制的时间名称：

平旦生女，日出生男，夙食女，莫（暮）食男，日中女，日西中男，日失女，日下则男，日未入女，日入男，昏女，夜莫男，夜未中女，夜中男，夜过中女，鸡鸣男。

另外，云梦《日书》还记载了分一日为十二时的时制。其简1051记曰：

［鸡鸣丑，清旦］寅，日出卯，食时辰，莫（暮）食巳，日中午，（日昳）未，下市申，舂日酉，牛羊入戌，黄昏亥，人定［子］。

这里列出了两种十二时制的时间名称，一种与《淮南子·天文训》记载的时称相类似，另一种即为我国古代所长期使用的十二地支时称。这是迄今关于十二时制以及十二地支记时的最早记载。在《周礼》一书中，《春官·冯相氏》和《秋官·硩蔟氏》所记载的“十有二辰”都可能指的十二地支。但它们是否与十二时计时制有关，尚难断定。因为，十二地支所代表的12 个地平方位，还可以用来表示北斗星斗柄在一年12 个月中的不同指向。正如《淮南子·天文训》所说：

帝张四维，运之以斗，月徙一辰，复反其所。正月指寅，十二月指丑，一岁而匝，终而复始。

需要指出的是，太阳的周日视运动（时角变化）是地球自转的反映，它是沿着与天赤道平行的圆周匀速地运动，而不是沿着与地平圈平行的圆周匀速地运动。如图2-11 所示，由于我国地处地球的北半部，天赤道与地平圈之间存在一定的倾角，这样，无论是十六时计时制还是十二时计时制，只要它是通过观测垂直于地平面的表杆的日影方位变化来确定时间，尽管16 个（或者12 个）方位角的角度是平均划分的，表影每移动一个方位角所经历的时间却不是相等的。我国古代大约在隋唐时期发明了赤道式日晷（刻有等分方位角的晷盘平行于天赤道，晷表针则平行于地轴而垂直于晷盘）以后，才使这种计时方法所测得的时间实现了均匀性。

通过观测太阳在天空中的不同方位，或者观测日影的方位变化，虽然可以不同程度地解决晴天白昼的计时问题，但却无法解决夜间和阴雨天不见太阳时候的计时问题。刻漏的发明，则使这一问题得到了解决。《周礼·夏官》记载了挈壶氏在军旅中使用漏壶和掌管计时的工作：(www.xing528.com)

图2-11　太阳的时角变化与地平方位角变化

挈壶氏，掌挈壶以令军井，挈辔以令舍，挈畚以令粮。凡军事，悬壶以序聚柝；凡丧，悬壶以代哭者，皆以水火守之，分以日夜。

从这条资料可以看出，挈壶氏最初使用的大概是一只漏壶，壶底有可以漏水的小孔。通过观察壶里的水的流失多少，即可掌握时间。为了使时间计量得准确，古人就将一支标有刻度的箭杆插入壶中，看水退到哪一刻，即可知道当时的时间为多少刻。与刻漏的使用相配套的是百刻计时制。百刻计时制与十二时计时制一起，曾在我国古代得到长期使用。

刻漏的发明，应当与陶器的使用有关。《隋书·天文志》记曰：“昔黄帝创观漏水，制器取则，以分昼夜。”唐《初学记》引梁代《漏刻经》曰：“漏刻之作，盖肇于轩辕之日，宣乎夏商之代。”此两文都认为，刻漏在夏商之前的黄帝时代就已经发明和使用。不过，关于刻漏使用的最早实例，则见于《史记·司马穰苴列传》。据其记载，在战国初期的齐景公时期（前547—前490 年），司马穰苴曾经“立表下漏”，同时使用圭表和刻漏两种仪器来确定“日中”时刻。至于楚人使用刻漏计时的具体事例，由于史料散失，至今尚未发现。

2.对太阳恒星年视运动的观测

至于太阳沿黄道在恒星背景上自西向东的周年视运动，由于它的周期长达365 天多，再加上地球大气对强烈的日光的散射作用使全天恒星的微弱光点被完全淹没，人们很难直接观测到太阳相对于恒星背景的移动，因此，古人一般只有通过对夜间恒星星象的周年变化，特别是对东西方地平线上晨星和昏星自东向西移动的周年变化的长期观测，才能逐渐间接地感觉到太阳存在着自西向东的周年视运动。因此，古人认识太阳周年视运动的时间很可能会比认识太阳的周日视运动晚得多。

本书“恒星观测”章已经指出，楚人先民至迟在传说中的颛顼时代就担任“火正”一职，开始了观测大火星昏见和昏伏以定农时的观象授时工作，后来又相继以鹑火星的昏中和旦中以及四仲中星作为观象授时的观测目标。因此，在先秦各民族当中，楚人先民发现太阳周年视运动的时间应该是比较早的。长期的观测实践使古人逐渐发现，太阳周年视运动在恒星背景上的路线与月亮周月视运动的路线是基本相同的，即都是大致沿着环天排列的二十八宿穿行的。

从现存史料看，有关太阳行经二十八宿的最早记录，当属《开元占经》卷十所辑录的甘德和石申夫关于“日在二十八宿蚀”的占文。例如：

甘氏曰：日在角亢而蚀，戒之在于耕田之臣。

石氏曰：日蚀昴，王者有疾。

甘氏曰：日在娄而蚀，戒之在聚敛之臣。

……

虽然在一般情况下，人们无法直接观看太阳在二十八宿中的准确位置，但在日全食发生的时候，因月球完全遮住了太阳耀眼的光芒，使天空陡然变黑，一些较亮的恒星就会如同夜间那样显现在天空，人们即可直接观看到太阳在恒星间的位置。

从《开元占经》的辑录看，甘德的有关占文有二十六条之多，涉及了二十八宿的全部星宿；而石申夫的有关占文仅有十三条，所涉及的星宿也只有十三宿，无论占文数还是所涉及的星数，都只有甘德占文的一半。这个情况，大概与楚人从羲和时期起就开始日食观测并一直重视这项工作的传统有关，甘德掌握着楚人及其先民所积累的丰富资料，而石申夫所得到的魏人及其先民的观测资料可能要相对少一些。

甘德和石申夫通过对前人观测资料的研究分析以及自己的观测实践，应该能够认识到，太阳在不同的季节、不同的月份所行经的不同星宿是相对固定的，且每年都会沿着二十八宿穿行一周天。只是《开元占经》缺收了他们这种认识的有关资料。我国古代最早按季节、月份记载日躔星宿的是战国末年的秦国文献《吕氏春秋》。其“十二月纪”云：

孟春之月，日在营室，昏参中，旦尾中。

仲春之月，日在奎，昏弧中，旦建星中。

季春之月，日在胃，昏七星中，旦牵牛中。

孟夏之月，日在毕，昏翼中，旦婺女中。

……

季冬之月，日在婺女，昏娄中，旦氐中。

从上述记载可知，《吕氏春秋》是根据每月的昏、旦中星来推算当月太阳的位置的。

另外，现存最早指出太阳一天行一度，一年行一周天的文献是汉初著作《淮南子》。其“天文训”云：

日冬至峻狼之山，日移一度，月行百八十二度八分度之五，而夏至牛首之山。反复三百六十五度四分度之一，而成一岁。

关于太阳以及月亮所表现出的一边从东向西作周日视运动，一边又从西向东在恒星间穿行的现象，在天地结构观上持盖天说理论的“周髀家”认为：“日月实东行，而天牵之以西没。”^[37] 本书“宇宙理论”章已经指出，战国楚人的天地结构观即属于“天圆地方”的盖天说，因此，作为专门从事观星工作且十分熟悉太阳运动规律的甘德来说，他对于太阳所同时进行的周日和周年两种视运动的关系，应该有着与“周髀家”相类似的看法。至于屈原《天问》所提到的太阳乘坐羲和驾御的马车在天空运行的神话，当属于楚国民间流传的一种较为古老的认识。

3.对太阳回归年视运动的观测

古人认识太阳回归年周期视运动的时间虽然比认识太阳周日视运动的时间晚，但比认识太阳的恒星年视运动可能要早一些。因为，随着太阳在赤道南北地来回移动，对于任一固定地点来说，太阳在每天中午的地平高度也会不断变化，在冬至那天都会最低，在夏至那天都会最高；地面上各种直立物体在日光照射下所产生的影子也会随之发生长短变化，在冬至那天变得最长，在夏至那天变得最短。这种变化年复一年地反复出现，必将引起古人的注意。通过长期观测统计，古人将能逐渐认识到，这是太阳又一种具有固定周期的视运动。正如《汉书·律历志上》所说：“冬至，而曰日南至……日中之时景最长，以此知其南至也。”

为了方便地观测太阳的回归年运动，我国古代发明了一种简单而实用的天文仪器——圭表。圭表通常由一根垂直竖立的八尺长的表杆，和一条朝正北方位水平放置的、用来测量表杆影长的圭尺组成。例如，今河南省登封市告成镇，在周代被称作阳城，并被认为是大地的中心——地中；用八尺高的表杆在这里测影，夏至的日中影长为一尺五寸。所以，《周礼·地官·大司徒》记曰：“日至之景，尺有五寸，谓之地中。”《周礼·考工记·玉人之事》记曰：“土圭尺有五寸，以致日。”

对于太阳在不同节气的正午的地平高度的变化，《吕氏春秋·有始》的说法是，“冬至，日行远道”，“夏至，日行近道”。《后汉书·律历志下》的说法是，“日道发南，去极弥远，其景弥长；远长乃极，冬乃至焉。日道敛北，去极弥近，其景弥短；近短乃极，夏乃至焉。二至之中，道齐景正，春秋分焉”。两书都认为，太阳在不同节气的中午地平高度的不同，是因为它运行的轨道有所不同，夏至运行在距离北极最近的轨道上，冬至运行在距离北极最远的轨道上。西汉著作《周髀算经》更把太阳在一年之中所运行的不同轨道细分成“七衡周而六间”。如图2-12 所示，所谓七衡，就是以北极为中心的七个圆周，它们应当为太阳在二十四节气中十二个中气的周日视运动的轨道（图2-13）；所谓六间，就是七衡之间的六个圆环，它们应当为太阳在二十四节气中十二个节气的周日视运动的轨道。

图2-12　七衡六间图

图2-13　十二个中气太阳周日视运动的轨道——七衡

重视天文观测工作的楚人及其先民，对太阳的回归年周期视运动也应该有较早的观测和认识。因为，回归年周期的测定是古代历法编制的基础工作之一，而楚国在东周时期已经行用自己编制的历法（详见本书“历法”章介绍）。因此，楚人及其先民必定开展过对回归年周期的测定。只是有关这方面的观测资料迄今尚未发现，这只能寄希望于地下文物的发掘出土了。

另外，由于岁差的缘故，春分点在恒星间的位置并不固定，而是不断沿着黄道自东向西缓慢地退行。也就是说，太阳从春分点出发，在恒星背景上绕天一周，当它再次通过春分点的时候，春分点已经不在原先的位置上，而是稍稍向西移动了一点。这就使得太阳连续两次通过春分点的时间间隔（回归年）与连续两次通过同一恒星的时间间隔（恒星年）并不完全相等，而是略短一点^[38] 。我国古代是东晋天文学家虞喜（281—356 年）最早发现冬至点的位置“每岁渐差”^[39] 的岁差现象，并推算出“五十年退一度”^[40] 的岁差值。在虞喜之前，人们因为不知有岁差，一直把太阳绕天一周的恒星年与回归年同等看待，相信太阳每天移行一度，一回归年所运行的路程就是一周天。正如《后汉书·律历志下》所云：

景长则日远，天度之端也。日发其端，周而为岁，然其景不复；四周千四百六十一日，而景复初，是则日行之终。以周除日，得三百六十五四分度之一，为岁之日数。日日行一度，亦为天度。

因此，楚人在先秦时期对回归年和恒星年的认识，当不会超出《后汉书·律历志》的认识水平。