人们感知的星空并不是浩瀚无垠的,由于人类目力的局限,他们所认识的宇宙当然也只能是一种有限的空间。
先民的观象实践表明,恒星在天空中仅仅呈现出明暗的差异,却并没有显示出远近的不同,这种错觉使得实际的观测结果只表现为恒星从它们的实际位置投影到以地球为中心,以目力极限为半径的球面上,这个假想的球面就是天球。人们进行恒星观测,首先需要解决的问题就是确定天体在天球上的准确位置,这个基本要求导致了一系列坐标体系的产生。
在古代中国,主要的球面坐标系统有地平坐标、黄道坐标和赤道坐标,其中地平坐标系统产生最早,也最为直观,而赤道坐标系统则在中国古代天文学传统中得到了最广泛的应用。
中国古代的地平坐标是以天顶、地平圈、四方点和子午圈为基础而建立的,它的两个坐标分量是地平高度与地平方位。
地平方位的概念在地平坐标系统建立之初便已占有重要的地位,它广泛应用于以日晷测量太阳出没运行的方位角上。尽管这一观象活动出现很早,以至于如《尧典》有关夏至“平秩南讹”及冬至“平在朔易”的记载其实就是观测这两个时点太阳的移动及其地平方位角的变化,但最初的地平方位角究竟如何表示仍很难稽考。
地平方位也就是地平方向,这个位置可以在地平经圈上标示。方位概念产生于东、西、南、北四正方向,这当然必须运用测量日影的方法直接取得。由此形成的“+”形图像,古人则名之日“二绳”。
四方的表示方法可以有很多,通常配以子、午、卯、西四支或坎、离、震、兑四卦。尔后四方增加四维而发展为八方,进而又细化为十二方和二十四方,分别用四维卦与十二支表示。其中四维卦以长主东北,異主东南,乾主西北,坤主西南,构成八方;而十二支中的丑寅、辰已、未申、戍亥构成四钧,与二绳平分地平为十二方位。
四方的发展构成五位,体现了方位观念的平面化。在五位所呈现的“亞”形图像中。古人更习惯于以十干、五行对五位加以分配,形成东方甲乙木、南方丙丁火、西方庚辛金、北方壬癸水、中央戊己土的完整配属。在五位尚未发展出八方之前,这种十干五行的配伍形式显然更为朴素。
五方图形以及由此发展出的九官图形由于体现着两种完全不同的数术观念,因此古人也以两种不同的配数表示两种不同的方位体系。其中五行图既可以二、三、四、五表示北、南、东、西、中五方,也可以用六、七、八、九、十分别表示这五个方位。而在九宫体系中,九宫或者九方所呈现的北、南、东、西、中、东北、西北、东南、西南九个位置则是通过一、九五、八、六、四、二分别表示的。
关于前者,古人或名之日“河图”,而后者则名之日“洛书”,其实所谓的“河图”、“洛书”都只是洛书,它的本质其实并不神秘,不过体现了古人对于方位的发展以及数分生成或数分阴阳的认识而已。
地平坐标的另一个分量是地平高度,它是指天体沿着垂直于地平经圈的大圆到地平的角距离,地平则为计算的起点。中国古人在相当长的时期内一直采用丈尺、寸等长度单位表示天体的高度,一寸大致等于一度。直至宋代以后,度的单位才正式得到应用。
中国古代的黄道坐标系统来源于古人对于黄道的认识。众所周知,太阳的视运动相对于地球上的观测者而言,每天呈现为在恒星背景中向东移动约一度的角距离,一年大致行移一圈。
太阳在天球上的这个周年视运动轨迹就是黄道。由于中国古人对太阳和其他恒星运动的观测历史十分悠久,所以认识黄道也应相对较早。中国传统的二十八宿体系自古被视为“日月舍”,显然在这个恒星体系创立之初,黄道概念就已经萌芽了。
在中国的古代文献中,相传战国时代的《石氏星经》最早明确提到了黄道,然而书中记述的冬至点位置似乎与这部著作的年代存在矛盾。
《星经》云:“黄道规牵牛初直斗二十度”
其中的“黄道规”即是指天球上的黄道圈,“牵牛初”则是冬至点。冬至点在黄道上的位置位于离斗宿距星二十度的地方,这个天象的出现时间充其量也只能上溯到公元前80年左右。然而,公元前一世纪时,刘向却将黄道的建立年代大为提前。他在《五纪论》中说:“日月循黄道,南至牵牛,北至东井。”根据这个记载,黄道的南点,也就是冬至点位于牵牛,这个天象至少出现在公元前五世纪,因而比斗二十度的天象更为古老。
可以说,如果早期的天文观测足以让古人找到黄道东西两端的商星与参星,那么他们认识黄道当然没有问题。这意味着中国古人很早就开始了以黄道为基本大圆的天体位置测量是毫无疑问的。
如果说中国黄道坐标系统的建立必须首先依赖于古人对黄道的认识的话,那么赤道坐标系统便需要人们首先认识赤极,也就是天北极。可以说,这两个坐标系统的建立过程恰好是互逆的。
天球赤道是地球赤道平面向外延伸并与天球相交所形成的大圆,也就是与极轴垂直的最大的赤纬圈。中国的赤道坐标系统其实是在古代二十八宿所构成的恒星坐标体系的基础上完成的,最初的二十八宿坐标如果是基于黄赤道混合带而建立的话,那么赤道坐标就显然只是对这一古老坐标体系的更精确化。
天体去极度是指所测天体距北极的角距离,这个坐标分量最早明确记载在《周髀算经》之中。《周髀算经》虽然最迟成书于公元前一世纪左右,但其中有关赤道坐标的数据却是对前人工作加以改造的结果。很明显,这个分量在战国时代已经使用也是可能的。
中国赤道坐标体系的建立与中国古人重视观測拱极星的传统密切相关,事实上,这个传统最初造就的识星方法很可能只是一种综合各种坐标系统的混合物,因为从人类的认识过程考虑,当年人们所熟悉的只能是基于天体周日视运动而导致的黄赤道混合带,真正将黄赤道加以区别显然是更晚的事情。尽管如此,中国原始的识星体系由于受到拱极星观测传统的影响,从一开始就显示出了重视赤道的倾向。
与此不同的是,其他文明古国,如古代埃及、巴比伦和古代希腊,都是以建立了完善的黄道坐标体系,并以这个体系方便地标示日月和行星运动而著称。
虽然黄道与赤道并不处于同一个平面,而是大致斜交成23.5度的夹角,但是由于地球的自转,所有天体实际都参与周日视运动,并且其运动轨迹与天赤道平行。
因此,中国先民重视拱极星的传统使他们最终选择了另一种利用赤道坐标观测恒星的方法,从而在世界天文学史上形成了独具特色的观测体系。
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