天文学的发展离不开天文台的兴建,元代在上都(今内蒙古正蓝旗境内)、大都(今北京)和登封(今河南登封)等地修建了多处天文台。
至元八年(1271),元世祖忽必烈在上都主持兴建了上都天文台,并任命阿拉伯天文学家扎马鲁丁负责具体工作,地点位于上都故城北门。上都天文台东西长 132米,南北宽52米,高约12米,平面呈凹字形。它的两侧和城墙连成一体,为整个城垣的组成部分,但高于城墙,后壁突出墙各约1米。扎马鲁丁制造的置 于天文台的7件天文仪器明显带有西域特色,与中国传统天文仪器有所不同。
至元九年(1272),世祖决定迁都大都,他到达大都后,积 极网罗天文人才,于至元十六年(1279)批准修建大都天文台,地点选择东城墙下(今北京建国门外沧子河北),由太史院主管。台高7丈,分为3层,院墙长 约123米,宽约92米。大都天文台上层为天文观测台,中层放置图书资料及星图、浑象、计时漏壶及室内仪器,下层为太史院办公地点。大都天文台是一座规模 宏大、工作人员众多、设计周密、设备完善的天文台。
登封天文台位于今河南登封县告成镇,始建于元朝初年,至今保存得较好,是中国现存 最早的古天文台建筑,也是世界上重要的天文古迹之一。观星台的结构分两部分:一是由回旋踏梯簇拥着高耸的台身,二是由台身北壁凹槽内向北平铺的圭。台身呈 覆斗状,高9.46米,连小室通高12.62米,台顶平面呈方形,每边长8米多,底边16米多。台北壁正中的凹槽进壁是测量日影的 圭表 。
精美绝伦的天文仪器 元代杰出的天文学家郭守敬曾提出: 历之本在于测验,而测验之器莫先仪器。 也就是说天文观测的前提是 创造先进的天文仪器。为此,郭守敬创制了各类观测仪器达13种之多,包括用于天体方位的测量、日影测量、时间测量、天象演示的设备以及便于野外观察的轻便 仪器,著名的有简仪、仰仪、圭表等。
简仪是对前人浑天仪的简化和改进。它是模拟天球,测量日、月和金、木、水、火、土五星及恒星位置 的一种天文仪器。这与现代望远镜所用的英国式装置很相似。改进后的简仪精确程度更高。简仪是中国天文学上的珍品,比世界同类仪器要早三四百年;而且,简仪 中应用的滚珠轴承装置,比西方发明的滚珠轴承装置要早400年。至今简仪尚存有明代的复制品。
仰仪是元代创制的一种天文仪器,用来测 量太阳位置,日食方向、亏缺及时刻。它是铜制空心球面仪器,半球面刻有东南西北四方位和十二时辰,还刻有与观察地球纬度相应的赤道坐标。太阳光通过半球上 一块带孔的板投下一个倒映像在坐标上,即可读出太阳在天空的位置,可称得上是世界上第一台太阳投影观察仪。它改仰观为俯视,减小了太阳直视时日照耀眼之 苦,而且不容易疲乏,也是一种完全创新的天文仪器。
圭表由 圭 和 表 两个部件构成。 表 是垂立在地面上的标杆, 圭 是表下向 正北方向延伸的一条石板。 圭 与 表 成垂直状。圭表是用以观察正午时太阳影子的长度,以测定时间,求得周年常数、黄赤道交角,划分四季以及编制历法所 用的天文仪器。郭守敬曾在大都建立了高达40尺的铜表,与应用成像原理的景符联用,除了测量太阳正午时的影长外,还可以用于观测星星、月亮的影长。这 在古代是无与伦比的。现今河南登封告成镇尚存有元代的观星台的石圭,观测天文的效果仍然很好。
领先世界的天文观测 元代疆域空前广大,为元朝政府主持天文观测提供了良好的条件。郭守敬领导进行了一次规模空前的纬度测 量,在东起朝鲜半岛,西到川滇与河西走廊,南近占城,北穷铁勒,陆续建立了27个日影测量站进行观测。史书称之为 四海测验 。由于这个观察网络除分布在 各地大城市外,还在北纬15度~65度每隔10度设置了观察点,因此它所取得的数据,准确性十分高,与现代纬度值比较,绝大多数平均误差在半度以内。
黄道面与赤道面相夹的角度即今天所称的 黄赤交角 ,为天文学中最基本的数据之一,许多历法计算上的问题都要用到这个数据。在元代以前,测得的数据不是 很精确,长期以来都认为黄赤交角为24度。郭守敬利用新的天文仪器对黄赤交角进行重新测量,得出黄赤交角为 二十三度九十分 的数据,换算为现今的度数是 23度33分53秒,与现代的观测值相差仅仅1分6.8秒。这在当时世界上无疑是最精确的。
二十八星宿是中国古代测量恒星位置的基 础。当时人们将黄道附近的星星分为二十八宿,用一星代表一宿。两星间的距离称为 距度 。元以前曾进行过5次测距,但误差仍很大。经过郭守敬精密的测定 后,精确程度大大提高,其绝对误差总和为2度10分,平均误差只有4分5秒,比北宋崇宁年间所测试的数据的精确度提高了近一倍。郭守敬还观测到前人未曾命 名的1000多颗新星,使元代能观测的星宿达到将近2500颗。而欧洲在文艺复兴之前所能测量到的星星也不过1022颗。这都是元代天文学臻于巅峰的最好 证据。
《授时历》 实际上,元代天文学是在编订新历法《授时历》的过程中得到发展的。全国统一以后,忽必烈在至元十三年 (1276)正月设立太史局,把编制历法作为统一王朝的一项重大举措。太史局由太子赞善兼国子祭酒王恂负责。王恂奏准起用告病还乡的原左丞许衡参领其事, 郭守敬也被任命协助工作。在编制历法的过程中,许衡负责理论性的指导,实际工作则由王恂和郭守敬分别负担,其他参与者为南北日官陈鼎新、毛鹏翼、刘巨渊、 王素等人。经过4年的努力,在至元十七年(1280)冬至,新历告成,忽必烈赐名为《授时历》,意即 敬授民时 。《授时历》的编成是中国古代天文学上的 一大突破,用郭守敬自己的话来说,就是 考正者七事 、 创法者五事 ,即考证了七项天文数据和计算出五项新的数据。
七项天文数据: 一是至元十三年到至元十七年(1276~1280)的冬至时刻;二是冬至日太阳的位置;三是月亮过近地点的时刻;四是回归年长度及岁差常数,一年为 365.2425日;五是冬至前月亮过升交点的时刻;六是二十八宿的赤道坐标;七是元大都日出、日没时刻及昼夜长短。
五项新的数据:太阳每日在黄道上的运行速度,月球每日绕地球运行的速度,由太阳的黄道经度推算出赤道经度,由太阳的黄道经度推算出赤道纬度,月道与赤道的交点。

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