天球座標
人們感知的星空並不是浩瀚無垠的,由於人類目力的侷限,他們所認識的宇宙當然也只能是一種有限的空間。
先民的觀象實踐表明,恆星在天空中僅僅呈現出明暗的差異,卻並沒有顯示出遠近的不同,這種錯覺使得實際的觀測結果只表現為恆星從它們的實際位置投影到以地球為中心,以目力極限為半徑的球面上,這個假想的球面就是天球。人們進行恆星觀測,首先需要解決的問題就是確定天體在天球上的準確位置,這個基本要求導致了一系列座標體系的產生。
在古代中國,主要的球面座標系統有地平座標、黃道座標和赤道座標,其中地平座標系統產生最早,也最為直觀,而赤道座標系統則在中國古代天文學傳統中得到了最廣泛的應用。
地平座標
中國古代的地平座標是以天頂、地平圈、四方點和子午圈為基礎而建立的,它的兩個座標分量是地平高度與地平方位。
地平方位的概念在地平座標系統建立之初便已佔有重要的地位,它廣泛應用於以日晷測量太陽出沒運行的方位角上。儘管這一觀象活動出現很早,以至於如《堯典》有關夏至“平秩南訛”及冬至“平在朔易”的記載其實就是觀測這兩個時點太陽的移動及其地平方位角的變化,但最初的地平方位角究竟如何表示仍很難稽考。
地平方位也就是地平方向,這個位置可以在地平經圈上標示。方位概念產生於東、西、南、北四正方向,這當然必須運用測量日影的方法直接取得。由此形成的“+”形圖像,古人則名之日“二繩”。
四方的表示方法可以有很多,通常配以子、午、卯、西四支或坎、離、震、兌四卦。爾後四方增加四維而發展為八方,進而又細化為十二方和二十四方,分別用四維卦與十二支表示。其中四維卦以長主東北,異主東南,乾主西北,坤主西南,構成八方;而十二支中的醜寅、辰已、未申、戍亥構成四鈞,與二繩平分地平為十二方位。
四方的發展構成五位,體現了方位觀念的平面化。在五位所呈現的“亞”形圖像中。古人更習慣於以十干、五行對五位加以分配,形成東方甲乙木、南方丙丁火、西方庚辛金、北方壬癸水、中央戊己土的完整配屬。在五位尚未發展出八方之前,這種十干五行的配伍形式顯然更為樸素。
五方圖形以及由此發展出的九官圖形由於體現著兩種完全不同的數術觀念,因此古人也以兩種不同的配數表示兩種不同的方位體系。其中五行圖既可以二、三、四、五表示北、南、東、西、中五方,也可以用六、七、八、九、十分別表示這五個方位。而在九宮體系中,九宮或者九方所呈現的北、南、東、西、中、東北、西北、東南、西南九個位置則是通過一、九五、八、六、四、二分別表示的。
關於前者,古人或名之日“河圖”,而後者則名之日“洛書”,其實所謂的“河圖”、“洛書”都只是洛書,它的本質其實並不神秘,不過體現了古人對於方位的發展以及數分生成或數分陰陽的認識而已。
地平座標的另一個分量是地平高度,它是指天體沿著垂直於地平經圈的大圓到地平的角距離,地平則為計算的起點。中國古人在相當長的時期內一直採用丈尺、寸等長度單位表示天體的高度,一寸大致等於一度。直至宋代以後,度的單位才正式得到應用。
黃道座標
中國古代的黃道座標系統來源於古人對於黃道的認識。眾所周知,太陽的視運動相對於地球上的觀測者而言,每天呈現為在恆星背景中向東移動約一度的角距離,一年大致行移一圈。
太陽在天球上的這個週年視運動軌跡就是黃道。由於中國古人對太陽和其他恆星運動的觀測歷史十分悠久,所以認識黃道也應相對較早。中國傳統的二十八宿體系自古被視為“日月舍”,顯然在這個恆星體系創立之初,黃道概念就已經萌芽了。
在中國的古代文獻中,相傳戰國時代的《石氏星經》最早明確提到了黃道,然而書中記述的冬至點位置似乎與這部著作的年代存在矛盾。
《星經》雲:“黃道規牽牛初直鬥二十度”
其中的“黃道規”即是指天球上的黃道圈,“牽牛初”則是冬至點。冬至點在黃道上的位置位於離鬥宿距星二十度的地方,這個天象的出現時間充其量也只能上溯到公元前80年左右。然而,公元前一世紀時,劉向卻將黃道的建立年代大為提前。他在《五紀論》中說:“日月循黃道,南至牽牛,北至東井。”根據這個記載,黃道的南點,也就是冬至點位於牽牛,這個天象至少出現在公元前五世紀,因而比鬥二十度的天象更為古老。
可以說,如果早期的天文觀測足以讓古人找到黃道東西兩端的商星與參星,那麼他們認識黃道當然沒有問題。這意味著中國古人很早就開始了以黃道為基本大圓的天體位置測量是毫無疑問的。
赤道座標
如果說中國黃道座標系統的建立必須首先依賴於古人對黃道的認識的話,那麼赤道座標系統便需要人們首先認識赤極,也就是天北極。可以說,這兩個座標系統的建立過程恰好是互逆的。
天球赤道是地球赤道平面向外延伸並與天球相交所形成的大圓,也就是與極軸垂直的最大的赤緯圈。中國的赤道座標系統其實是在古代二十八宿所構成的恆星座標體系的基礎上完成的,最初的二十八宿座標如果是基於黃赤道混合帶而建立的話,那麼赤道座標就顯然只是對這一古老座標體系的更精確化。
天體去極度是指所測天體距北極的角距離,這個座標分量最早明確記載在《周髀算經》之中。《周髀算經》雖然最遲成書於公元前一世紀左右,但其中有關赤道座標的數據卻是對前人工作加以改造的結果。很明顯,這個分量在戰國時代已經使用也是可能的。
中國赤道座標體系的建立與中國古人重視觀測拱極星的傳統密切相關,事實上,這個傳統最初造就的識星方法很可能只是一種綜合各種座標系統的混合物,因為從人類的認識過程考慮,當年人們所熟悉的只能是基於天體週日視運動而導致的黃赤道混合帶,真正將黃赤道加以區別顯然是更晚的事情。儘管如此,中國原始的識星體系由於受到拱極星觀測傳統的影響,從一開始就顯示出了重視赤道的傾向。
與此不同的是,其他文明古國,如古代埃及、巴比倫和古代希臘,都是以建立了完善的黃道座標體系,並以這個體系方便地標示日月和行星運動而著稱。
雖然黃道與赤道並不處於同一個平面,而是大致斜交成23.5度的夾角,但是由於地球的自轉,所有天體實際都參與週日視運動,並且其運動軌跡與天赤道平行。
因此,中國先民重視拱極星的傳統使他們最終選擇了另一種利用赤道座標觀測恆星的方法,從而在世界天文學史上形成了獨具特色的觀測體系。
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