我們所講的太陽運動,準確地說是指太陽的視運動。雖然地球圍繞太陽轉動,但觀測者直觀感受到的卻是太陽在星空間的位置變化。這種誤解曾經引發出許多有關宇宙理論的爭論。由於太陽的視位置決定了地球上的節氣、晝夜長短等許多天文現象的狀況,因此對太陽視運動的研究始終是中國古代天文學最重要的內容。
中國古人對太陽視運動的觀測歷史十分悠久,這直接表現為對於二分日(春分、秋分)和二至日(夏至、冬至)的確定。大約六千年前,人們顯然已達到了能夠測定分至的水平,商代卜辭不僅為我們提供了分至日的完整記錄,而且還有一套準確表達這些意義的特殊名稱,他們以"析"和"彝"分指春分和秋分,意思是晝夜平分;又以"因"和"宛"分指夏至和冬至,意思是白晝極長和極短。這四種名稱在當時是作為掌管分至的四位神人被人供奉的。
觀測太陽運動的簡易儀器叫作檠表,它的更早的名字則是"髀"。不過在表被髮明之前,古人的觀測活動或許會藉助某些天然的標誌物來進行,但這種工作顯然不可能將時間定得準確。表的用途很廣泛,除確定方位、測量影長之外,它甚至可以在夜晚被用來測定恆星的上中天。測量影長需要同時使用一種特殊的度尺,古人叫它"土圭","土"在這裡是度量的意思。
每當分至日即將來臨的時候,古人就把土圭放在表杆底部的正北,並認真找出正午影長和它相合的日期,這使他們逐漸認識了迴歸年。這個方法至今還在《周禮》中近乎完整地保存著。
我們知道,在平氣的原則下,迴歸年是太陽在天球上連續兩次通過分至點中任意一點的時間,古人稱之為歲實,這意味著先民對於二分二至的日影觀測普遍給予了同樣的重視。隨著古代曆法歲首的不斷後移,以冬至作為一個天文年度起算點的做法才逐漸形成,並且一直被堅持了下來。利用主表可以直接測定太陽到達冬至點的日期,因為此時正午的表影長度比一年中其他任何一天正午的表影長度都要長。事實上,冬至並非總髮生在正午,它可以出現在一天之中的任何時刻,這使古人為求得準確的冬至時刻就必須進行長期的測算。
自古以來、中國曆算家一直在追求迴歸年日數(歲實)奇零部分(歲餘)的精確值,其基本方法就是用圭表對冬至影長做精細的測算。毫無疑問,同其他天文工作一樣,主表致日一事也是經過了漫長的過程逐漸精確化的。《堯典》中保留的歲實記錄是366日,還沒有歲徐,或者至少在《堯典》的文本上並沒有反映出歲徐,這種情況至遲在商代已經有所改變。ト辭中曾經提到過547日的數字,這恰好是四分曆迴歸年一年半的時間,當時的歲實可能已經確定在365-365.3日之間。顯然,有規則而且連續不斷的觀測工作在商代以前就已經進行了。
春秋以前,四分曆已為天文學家所掌握,這是一種以365又四分之一日為迴歸年長度的歷法。古人可能在總結了數百年甚至更長時間的冬至正午影長後發現,如果第年的冬至時刻出現在正午,那麼第二年的冬至時刻就會比第一年推遲四分之一日,這種現象將會有規律地循環下去,直至第五年的冬至時刻又重新回到正午。於是人們將第一年冬至到第五年冬至之間的日數除以四年,就可得到四分曆的歲實。兩漢時期,迴歸年的實際長度為365.2423日,四分曆與其相比,四年累積誤差為0.0308日、不足45分鐘,這個精度在兩千年前當然可以接受。
儘管四分曆迴歸年的誤差在短期內並不很大,但如果按每年0.0077日的差值繼續下去,百年之後仍是不能忽視的。這時,出現計算時刻比實際天象發生時刻要晚的歷法後天現象便不可避免了。東漢未年的劉洪敏銳地察覺到這是由於四分曆歲實太大的緣故,於是他在《乾象曆》中得到了一個365246180日的新值。這個新值使冬至時刻重新迴歸的週期從四分曆的四年延長到589年,這使我們至今還很難想象,他到底是使用了什麼方法來測定的這個冬至時刻。一種具有比較嚴格的數學意義的測定冬至時刻的方法是由祖沖之提出的,這使得他對迴歸年長度的測定達到了相當精密的程度。
《大明曆》反映的這個數值是365.2428日,七百年後才有更加精密的數值超越它。南宋時楊忠輔在《統天曆中得到了365.2425日的迴歸年長度,同時他還發現,迴歸年的長度並不是永恆不變的,他給出的變化值雖然比現代理論值要大,但現代理論值的測定手段則比楊忠輔先進得多。
中國古代的迴歸年長度數值具有逐漸變小的明顯趨勢,時間愈晚就愈接近真實長度,最逼近的數值出現在明末,當時邢雲路利用六丈高表在觀測日影后定出了迴歸年長度為365.242190日,與用現代理論推算的精確值相比,誤差僅為-0.000日,相當於一年誤差2.3秒。西方人測定迴歸年長度的工作始終進展不大,在十六世紀以前一直行用的儒略曆中,甚至還在使用四分曆的歲實,這個數值即使與劉洪相比也要遜色得多。為了消除它的誤差,1582年改行格雷果裡歷,迴歸年長度為365.2425日。這個值雖與楊忠輔的新值相同,但它的出現時間卻是在《統天曆》頒行三百多年以後。1588年,丹麥天文學家第谷測定了365.2421876日的迴歸年長度新值,這個數值。
在明末徐光啟編制的《崇禎曆書》中被採用,它的誤差在第谷測定時為-0.0000日,即一年相差3.1秒,直至崇禎二年(1629年),誤差オ減小為-0008日,與邢雲路所定值的誤差相當。這種對比所反映的現象十分有趣,幾乎西方人每得到一個新的迴歸年長度值,在時間上總是比中國人遲到一步。
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