我们所讲的太阳运动,准确地说是指太阳的视运动。虽然地球围绕太阳转动,但观测者直观感受到的却是太阳在星空间的位置变化。这种误解曾经引发出许多有关宇宙理论的争论。由于太阳的视位置决定了地球上的节气、昼夜长短等许多天文现象的状况,因此对太阳视运动的研究始终是中国古代天文学最重要的内容。
中国古人对太阳视运动的观测历史十分悠久,这直接表现为对于二分日(春分、秋分)和二至日(夏至、冬至)的确定。大约六千年前,人们显然已达到了能够测定分至的水平,商代卜辞不仅为我们提供了分至日的完整记录,而且还有一套准确表达这些意义的特殊名称,他们以"析"和"彝"分指春分和秋分,意思是昼夜平分;又以"因"和"宛"分指夏至和冬至,意思是白昼极长和极短。这四种名称在当时是作为掌管分至的四位神人被人供奉的。
观测太阳运动的简易仪器叫作檠表,它的更早的名字则是"髀"。不过在表被发明之前,古人的观测活动或许会借助某些天然的标志物来进行,但这种工作显然不可能将时间定得准确。表的用途很广泛,除确定方位、测量影长之外,它甚至可以在夜晚被用来测定恒星的上中天。测量影长需要同时使用一种特殊的度尺,古人叫它"土圭","土"在这里是度量的意思。
每当分至日即将来临的时候,古人就把土圭放在表杆底部的正北,并认真找出正午影长和它相合的日期,这使他们逐渐认识了回归年。这个方法至今还在《周礼》中近乎完整地保存着。
我们知道,在平气的原则下,回归年是太阳在天球上连续两次通过分至点中任意一点的时间,古人称之为岁实,这意味着先民对于二分二至的日影观测普遍给予了同样的重视。随着古代历法岁首的不断后移,以冬至作为一个天文年度起算点的做法才逐渐形成,并且一直被坚持了下来。利用主表可以直接测定太阳到达冬至点的日期,因为此时正午的表影长度比一年中其他任何一天正午的表影长度都要长。事实上,冬至并非总发生在正午,它可以出现在一天之中的任何时刻,这使古人为求得准确的冬至时刻就必须进行长期的测算。
自古以来、中国历算家一直在追求回归年日数(岁实)奇零部分(岁馀)的精确值,其基本方法就是用圭表对冬至影长做精细的测算。毫无疑问,同其他天文工作一样,主表致日一事也是经过了漫长的过程逐渐精确化的。《尧典》中保留的岁实记录是366日,还没有岁徐,或者至少在《尧典》的文本上并没有反映出岁徐,这种情况至迟在商代已经有所改变。ト辞中曾经提到过547日的数字,这恰好是四分历回归年一年半的时间,当时的岁实可能已经确定在365-365.3日之间。显然,有规则而且连续不断的观测工作在商代以前就已经进行了。
春秋以前,四分历已为天文学家所掌握,这是一种以365又四分之一日为回归年长度的历法。古人可能在总结了数百年甚至更长时间的冬至正午影长后发现,如果第年的冬至时刻出现在正午,那么第二年的冬至时刻就会比第一年推迟四分之一日,这种现象将会有规律地循环下去,直至第五年的冬至时刻又重新回到正午。于是人们将第一年冬至到第五年冬至之间的日数除以四年,就可得到四分历的岁实。两汉时期,回归年的实际长度为365.2423日,四分历与其相比,四年累积误差为0.0308日、不足45分钟,这个精度在两千年前当然可以接受。
尽管四分历回归年的误差在短期内并不很大,但如果按每年0.0077日的差值继续下去,百年之后仍是不能忽视的。这时,出现计算时刻比实际天象发生时刻要晚的历法后天现象便不可避免了。东汉未年的刘洪敏锐地察觉到这是由于四分历岁实太大的缘故,于是他在《乾象历》中得到了一个365246180日的新值。这个新值使冬至时刻重新回归的周期从四分历的四年延长到589年,这使我们至今还很难想象,他到底是使用了什么方法来测定的这个冬至时刻。一种具有比较严格的数学意义的测定冬至时刻的方法是由祖冲之提出的,这使得他对回归年长度的测定达到了相当精密的程度。
《大明历》反映的这个数值是365.2428日,七百年后才有更加精密的数值超越它。南宋时杨忠辅在《统天历中得到了365.2425日的回归年长度,同时他还发现,回归年的长度并不是永恒不变的,他给出的变化值虽然比现代理论值要大,但现代理论值的测定手段则比杨忠辅先进得多。
中国古代的回归年长度数值具有逐渐变小的明显趋势,时间愈晚就愈接近真实长度,最逼近的数值出现在明末,当时邢云路利用六丈高表在观测日影后定出了回归年长度为365.242190日,与用现代理论推算的精确值相比,误差仅为-0.000日,相当于一年误差2.3秒。西方人测定回归年长度的工作始终进展不大,在十六世纪以前一直行用的儒略历中,甚至还在使用四分历的岁实,这个数值即使与刘洪相比也要逊色得多。为了消除它的误差,1582年改行格雷果里历,回归年长度为365.2425日。这个值虽与杨忠辅的新值相同,但它的出现时间却是在《统天历》颁行三百多年以后。1588年,丹麦天文学家第谷测定了365.2421876日的回归年长度新值,这个数值。
在明末徐光启编制的《崇祯历书》中被采用,它的误差在第谷测定时为-0.0000日,即一年相差3.1秒,直至崇祯二年(1629年),误差オ减小为-0008日,与邢云路所定值的误差相当。这种对比所反映的现象十分有趣,几乎西方人每得到一个新的回归年长度值,在时间上总是比中国人迟到一步。
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