中國古人計算太陽的視位置是從冬至點開始的,這使他們對于冬至點在星空間位置的測定十分重視。傳統(tǒng)的觀測方法是測定昏、且時刻的中星,這樣可以容易地推算出夜半時刻的中星位置,并進而根據(jù)此時與中星對沖的太陽位置,按照太陽在天空中日行一度的規(guī)律,求出冬至點。公元前四世紀,古人運用這種方法觀測得到的冬至點在牽牛初度,這個觀測結(jié)果在漢初的歷法中一直在沿用。
然而,冬至點在星空間的位置并不是固定不變的,但在歲差發(fā)現(xiàn)之前,這一點卻始終沒有得到承認。第一次可能認識歲差的機會出現(xiàn)在公元前104年,當時的天文學家鄧平、落下閎等人奉漢武帝之命新制《太初歷》,他們顯然已經(jīng)覺察到,當時的冬至點位置與戰(zhàn)國四分歷所定的起于牽牛初度的情況確有不合,但這并沒有影響他們最終仍然忠實地接受傳統(tǒng)的觀測結(jié)果。
一百年以后,劉歆通過改定《三統(tǒng)歷》終于把對冬至點位置的懷疑公開了,但他對于究竟是將冬至點重新定在當時所觀測到的斗、牛之間,還是因襲牽牛初度的舊說始終表現(xiàn)得猶豫不決,最后他只能含糊地承認,冬至點常常會在牛宿和它之前四度五分之間移動。這種左右為難的局面到東漢初年得到了徹底的改變,當時的民間天文學家賈連通過實測肯定地指出,冬至點的赤道位置已由牽牛初度移至斗宿二十一度,這種觀點理所當然地遭到了來自朝廷的排斥。
然而,冬至點的位移在當時已經(jīng)十分明顯,這個事實是不能無限制地被忽略的,后來甚至連太史局的一般人員都懂得了冬至之時日在斗二十一ー度的道理,于是朝廷不得不重新修定當時的歷法。經(jīng)過數(shù)年辯難,由編訴、李梵等人主持修定的《四分歷》終于頒行。新歷確定了斗宿二十一度四分之一為新的冬至點,從此,冬至點在牽牛初度的陳舊說法便無人再提了。
這種明顯的天象變化之所以沒能使?jié)h代的天文家獲得任何不同于他們前人的認識,其原因并不在于冬至點的位移難于觀測,而在于他們盲目地抱有“天周歲終”的成見。根據(jù)長期主表觀測的結(jié)果,古人以為從冬至到下次冬至的一歲周內(nèi),
太陽在星空間自西向東正好行移一周,這種天周與歲周不分的做法甚至導致了他們以歲實(365.25日)作為確定周天度數(shù)(365.25度)的依據(jù)。當然,這些早期的觀測工作并非毫無意義,正是這些直至公元四世紀時還在進行的關(guān)于二分點和二至點移動的種種討論,終于使虞喜完全認識了歲差。
冬至點在移動,因此冬至日的昏中星也會隨之移動。人們也許還記得,《尚書?堯典》曾經(jīng)留下了冬至時昴星昏中天的記載,這與東晉的天象已有很大差異。
到晉成帝時代(330年前后),天文學家虞喜注意到,當時在冬至日黃昏出現(xiàn)于南中天的星宿已不再是昴宿,而是壁宿,這使他領(lǐng)悟到,太陽從冬至點出發(fā)環(huán)行一周天,經(jīng)過一個回歸年后,并沒有回到原來的點上。換句話說,雖然一年的長度是不變的,但太陽在天上并沒有走完一周,而是每歲漸差。這種二分點與二至點沿黃道連續(xù)不所地緩慢西退的現(xiàn)象就是歲差。
虞喜的工作并沒有到此結(jié)束,他把《堯典》的記錄看作是距他之前2700年的古老天象,由此求得每五十年冬至點在黃道上西移一度的差值。這個歲差值雖是基于昏中星的變遷得出的,但它反映的卻是冬至點赤道度數(shù)的變化。
按現(xiàn)代理論推算,東晉時代的赤道歲差積累值約為703年差一度,顯然虞喜所定的差值并不理想。
這個差值到公元七世紀時得到了進一步改進,隋代天文學家劉焯和張胄玄分別提出冬至點沿黃道每75年或83年西退一度的新值,與實際情況已相去不遠。
冬至點為什么會逐漸在恒星間向西移動?對于這個問題,虞喜當然沒有能力解答。
英國科學家牛頓首先指出,產(chǎn)生歲差的原因是太陽和月亮對地球赤道隆起部分的吸引,這種引力作用造成地球自轉(zhuǎn)軸圍繞黃道軸(即與黃道面垂直的軸)旋轉(zhuǎn),從而引起與地軸垂直的赤道沿黃道向西滑行,相應的是赤道與黃道的兩個交點(二分點)以及二至點也一起沿黃道向西緩慢退行,繞行一周約需26000年,折合每年50.3角秒或71.6年一度。這個差值看起來很微小,但逐年的累積則會引起節(jié)氣時刻的顯著改變,從而直接影響到歷法的正確性。南朝時期,祖沖之克服了極大的阻力,首先把歲差引入了歷法計算,盡管他采用的差值不夠精確,但僅就在歷法中引入歲差這一點,便足以開辟中國天文學一個新的時代。
事實上,中國古代始終存在著可能發(fā)現(xiàn)歲差的另一條途徑,這就是對北天極的觀測。我們知道,由于地軸的進動而產(chǎn)生歲差,所以歲差對于天極的位置則起著重要的作用,使它以黃極為中心做大的圓周運動。現(xiàn)在的天極自然十分接近現(xiàn)代天文學的極星一一小熊座(勾陳一),但大約11000年以后,它將移到天琴座的織女一(天琴座)附近,這意味著織女星將成為那個時代的北極星。由于中國天文學重視拱極星的特點,古代天算家對北天區(qū)的觀測投入了極大精力,這使他們可能很早就發(fā)現(xiàn)了天極環(huán)繞黃極旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
但是很不幸,古人始終沒有將這種認識與歲差加以聯(lián)系。中國古代極星變遷的歷史反映出一些有趣的事實,大約于公元前3000年,真天極的位置恰好處在紫微垣宮門的左樞和右樞兩星之間,自那時起沿著天極所經(jīng)過的路線,可以找出一連串在不同時期充當過極星的星。最早的極星可能是右樞(天龍座),它離當時的天極最近。到公元前十世紀北極位移到帝星(小熊座β)附近的時候,帝星取代右樞而充作了極星,隨后是庶子(小熊座5)和后官(小熊座4),大約從漢代開始,天樞(鹿豹座32H)充當了新的極星,它的位置幾乎恰在天極的軌道上。
但是隨著時間的推移,漢代的極星位移愈來愈明顯,到公元六世紀初,祖沖之的兒子祖已發(fā)現(xiàn)它離開真天極已一度有馀,而到十二世紀,當時在真天極的位置上實際已經(jīng)沒有星了。
北宋熙寧年間(1068-1077年),沈括利用窺管試圖找到真正的北極,最初,他通過窺管所能看到的星很快便移出了視野,于是他逐步擴大窺管,直至使極星只在視野內(nèi)移動而不消失。用這種方法,沈括發(fā)現(xiàn)天樞與真天極已相去三度多了。
但是,在同一條軌道上既能放棄一串極星又同時能找出新的極星,這種現(xiàn)象并沒有使古人領(lǐng)悟到它可能是由于歲差造成的,他們只把極星的不斷更新簡單地歸咎于前人觀測的失誤,即使像沈括這樣有見地的科學家,也沒有能擺脫掉舊觀念的束縛,這在中國天文學史上是一件頗為令人遺憾的事情。
虞喜發(fā)現(xiàn)了歲差,從此人們才有可能將恒星年與回歸年加以區(qū)分,它對于天文學的意義是怎么稱道也不過分的。公元前125年,古希臘天文學家喜帕恰斯首先發(fā)現(xiàn)了歲差,他似乎比他的同代人幸運得多,因為至少從公元前三世紀開始,多少次可能發(fā)現(xiàn)歲差的機會都與中國的天算家失之交臂,直至公元四世紀,虞喜才獨立地認識了它。但另ー方面,在隋代劉焯提出冬至點75年差一度的積累值的同時,西方人卻還在墨守著喜帕恰斯的每百年差一度的舊值,這個值即使在喜帕恰斯的時代也是很不準確的。
