作为生存手段的天文学
正如恩格斯在《自然辩证法》中所写的：“必须研究自然科学各个部门的顺序的发展。首先是天文学——游牧民族和农业民族为了定季节，就已经绝对需要它。”天文学在文明早期的人类知识体系中，首先体现为一种实用的生存手段，游牧部落和定居的农耕民族都需要一定的天文知识以适应自然的节奏，对生产和生活做出合适的安排。生活在地球上的先民，很早就对一些基本的天文现象先有了一定的认识。譬如认识到天似穹庐，像盖子一样笼罩在上方——这一基本认识将会在后来发展起来的天地结构模型中反映出来；认识到昼夜交替，白天的太阳、晚上的星星都东升西落；认识到气候有寒来暑往、冷暖交替。还会观察到天空中的一些特殊现象，如月相变化、日月交蚀、彗孛流陨等。古人对这些基本天文现象的记录、描述和尝试性做出的解释构成了上古时期天文学的主要内容。图1 郑州大河村仰韶遗址彩陶上的太阳图案（迄今5000年前）图片地址：https://x0.ifengimg.com/ucms/2022_32/EF264C09F33A8FF230D02A95DDE6B57182FBCF7E_size60_w580_h406.jpg
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在郑州大河村仰韶文化的新石器时代遗址出土彩陶上我们可以看到描绘太阳及其光芒的图案。在山东大汶口文化遗址出土的距今约4500年的陶尊上则有反映日出的字符。“太阳下山明天依旧爬上来”，这种对太阳东升西落这一周日视运动现象的确认是人类认识其自身生存环境的一大进步。太阳的周日视运动带来了昼夜交替，同时也让先民们认识到更多的周日视运动现象，譬如恒星的拱极运动等。先民们还认识到一种重要的周期性变化就是寒来暑往的周年变化，并还认识到这种寒暑变化与一些特征天象联系在一起。如《鹖冠子》中记载的：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指；天下皆冬。”需要注意的是，这里的观测时间都是在黄昏时刻。月亮在夜空中是最明亮的天体，月亮表面被太阳照亮的部分在地球上看起来呈现一种周期性的变化，这就是月相变化。先民们很早就利用月相变化的周期来对日子进行计量。中国古代大约在西周早期以前，以新月初现在西方天空作为一个月的开始,当时把这个月相命名为朏。大约在春秋以后，一个月的第一天改从朔开始。两河流域地区的古巴比伦文明则一直以新月初现作为月的开始，这一点被后来的伊斯兰历法继承。
图2 马王堆汉墓出土的《彗星占》图片地址：https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20200224/d3ebd5dd9de54bd1ae0cffb3d6810d5e.jpeg报道地址：https://www.sohu.com/a/375331118_340293天空中还有一些偶发的天象也引起古人的关注，譬如彗星、流星等。在长沙马王堆汉墓出土的《彗星占》（168BC）中就绘有形态十分丰富的彗星图。这些形态各异的彗星各有专名以方便指称，这无疑是出于星占的需要，不同形态的彗星对应不同的星占含义。但其中有一些彗尾形态夸张的彗星不一定是实际存在的，有一根或两根尾巴的彗星是比较常见的。晴朗夜空中偶发的流星是比较常见的，而流星雨则比较罕见。在《左传》“庄公七年”有一条记载：“夏四月辛卯，夜，恒星不见，夜中星陨如雨。”这被认为是世界上天琴座流星雨的最早记录。像超新星爆发这样的罕见天象，上古时期的先民们也注意到并有记录。在出土的殷墟甲骨上就有一则关于超新星爆发的记录：“七日己巳夕，有新大星并火。”
图3 “七日己巳夕，有新大星并火。”（《甲骨文合集》11503版）
从以上这些例子可知，先民们不管是出于什么目的，对天空中的一举一动都密切注视并记录着。在长期的观察积累之后，古人完成了对一些基本天象的认识，并对一些基本天象的规律有了初步的把握。追求隐藏在天文现象背后的抽象规律，还不是上古时期天文学的主要目的。古人通过对一些基本天文现象的认识和规律性的把握，掌握了一些基本的天文技能，来帮助他们创造更好的生存环境。这些实用的天文技能包括辨方向、定季节、定时辰等。能准确地确定方向，显然是一种很重要的生存手段。在建造房屋的时候可以朝向正确的方向获得最好的采光。在迷路的时候可以找到正确的前进方向。古人通过“白天望日、夜晚观星”的方法来辨别方向。《周礼·考工记》中有一段记载很清晰地说明了古人如何用这种天文方法确定方向的：“匠人建国，水地，置槷以县，眡以景，为规，识日出之景与日入之景，昼参诸日中之景，夜考之极星，以正朝夕。”就是说在水平的平地上，树立一根垂直于地面的杆子，并以杆子插入地面的点为圆心画圆，在圆周上分别标示出日出、日落和正午杆子投射的影子，这样就可以定出东南西北。
图4 凌家滩遗址墓穴的朝向
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《考工记》的成书一般认为在春秋末、战国初，但书中描述的这种天文技能应该在更早的时候就为古人所掌握。从凌家滩遗址墓穴的朝向、良渚瑶山遗址祭台的朝向和殷墟发掘出来的房屋基址的朝向来看，大多朝向正确的南方或东方，说明当时应该已经掌握了确定方向的手段。“万物生长靠太阳”，地球上动植物的生长与因太阳周年运动而带来的气候变化密切相关。先民们通过长期的观察，总结出来了一些动植物生长与天象、气候变化之间的对应关系。这对先民们的生存而言具有至关重要的意义。花开花落、草木枯荣、鸟兽滋生，对应着固定季节、固定时辰、固定方向上的固定星座。在《尚书·尧典》中有这样的记载，说的是尧帝任命天文官员通过观察物候和星象，来制定历法，规范人们的生产与生活。尧帝特别分命天文官员到东南西北四个地方，观测春夏秋冬四个季节的昏中星。黄昏时分，观察正南方的恒星，出现的如果是“鸟”星，那么就是春分了。如果分别是大“火”星、“虚”星和“昴”星，那么分别是夏至、秋分和冬至了。在被认为是中国现存的最早一部描述天象与物候对应关系的古籍《夏小正》中，有关的记述更为详细。《夏小正》相传是夏代的历法，但有学者认为它成书于战国时代。这里以《夏小正》中的“正月”为例，有“启蛰、雁北乡、雉震呴、鱼陟负冰、囿有见韭、田鼠出、獭献鱼”等物候，也有“农纬厥耒、初岁祭耒始用畅、初服于公田”等农事活动安排。还有“鞠则见、初昏参中、斗柄县在下”等天象。其他月份的天象分别有三月“参则伏”；四月“昴则见”，“初昏南门正”；五月“参则见”，“初昏大火中”；六月“初昏斗柄正在上”；七月“初昏织女正东向”，“斗柄悬在下则旦”；八月“辰则伏”，“参中则旦”；九月“内火”；十月“初昏南门见”，“织女在正北向则旦”。关于这些天象适用的年代，在学者们之间还没有形成统一的意见，大致认为适用于公元前800年左右。但考虑到观测的日期可能在月初或月中，因此这些天象从夏代到西周都有可能成立。《诗经·豳风》中“七月流火，九月授衣”一句也是典型的利用昏中星的变化来表示季节变换。当时的“五月”夏至时分恒星“大火”是昏中星，到“七月”大火星西流，天气转凉。除了昏、旦中星法确定季节外，还有一种非常简便有效的方法也是古人常用的，那就是立表测影法。具体做法跟前面《考工记》“匠人建国”一段中所用的方法类似，只要在平地上树立一根竿子，在正午时分测量竿子投射的影子长度。一年当中，竿影长度达到最短的时候就是夏至，最长的时候就是冬至。确定了冬夏至，春秋分也就不难确定了。还有一种利用一年中日出、日没方位的不同，来确定季节的方法。利用天然的或人工建造的标志，来确认太阳在两个至日以及其他月份的出没方位，就有助于人们来确定季节。英国南部的威尔特郡（Wiltshire）有一座巨石阵（Stonehenge），据学者们研究，就具有这样的功能。观测太阳从哪两块巨石之间升起，就可以判断到了什么季节。
图5 陶寺观象台夜景（崔辰州摄）
类似的遗迹在中国也有发现。位于山西省襄汾县距今约4700年的陶寺观象台，被学者们认定具有通过观测日出位置来确定节气日期的功能。学者们推测当时观象台有一列排成弧形的柱子，柱子之间有窄小的缝隙。站在观测点上，可以看到在特定的节气日太阳从特定的缝隙中升起。
确定一天中的时辰也是日常生活中很要紧的一项事务。古人往往通过天文方法来实现时辰的确定，其中一个常用的办法就是通过观测日影来确定时辰。东汉张衡在《西京赋》中写道：“白日未及移其晷，已狝其什七八”，这里的“晷”就是太阳照到物体上投射出来的影子。明马中锡的《中山狼传》中有一句：“相持既久，日晷渐移”，这里的“日晷”就是指日影。在这两个例子中都是利用日影的移动来表示时间的流逝。但这只是粗略的估测，还没有达到对时间进行精确计量的程度。古代天文学家发明出专门利用日影的移动来计时的仪器，就叫做“日晷”。
图6 出土于内蒙古托克托城的汉代日晷（现藏国家博物馆）
现存最早的中国汉代日晷于1897年出土于内蒙古托克托县，此晷以方形致密泥质大理石制成，边长27.4厘米，厚3.5厘米。晷面中央为直径1厘米的圆孔，但并不穿透。以中央孔为圆心刻出两个同心圆，内圆与外圆之间刻有69条辐射线。辐射线与外圆的交点上钻有小孔，孔外刻有 1～69的数字。各辐射线间的夹角相等，如果把未刻线的剩余晷面补足，将把圆周均分为100份。起先学者们对托克托日晷的功能和使用方式有所疑虑，因为没有明确的文献证据表明汉代已经出现晷面沿赤道面放置的赤道式日晷。但后来西汉汝阴侯夏侯灶墓出土的二十八宿圆盘与圭表成功获得解读和复原之后，基本可以确认汉代是存在赤道式装置的。以上这些文献记载和出土证据，展示了古代人们如何充分利用掌握的天文知识为改善生存条件、提高生活水平而做出的努力。
作者简介
钮卫星，中国科学技术大学科技史与科技考古系执行主任、教授、博导。多年来主要从事天文学史的教学和研究，是国家社科基金重大项目“汉唐时期沿丝路传播的天文学研究”首席专家。代表作有《西望梵天——汉译佛经中的天文学源流》《唐代域外天文学》《天文与人文》等。
主编：陈学雷
审查：何嘉
审核：田斌
审批：陆烨
《中国国家天文》2024年1月刊
国际刊号：ISSN 1673-6672
国内刊号：CN11-5468/P
邮发代号：80-602
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