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连接文明的力量 丝绸之路上的天文与地理

发布时间:2017-08-24 13:51 来源:光明网-《光明日报》 作者:孙小淳

  作者:孙小淳 (中国科学院人文学院常务副院长、教授)

  在科学史研究中,我特别喜欢“文明的融合”这个概念。我认为近代科学的出现不是历史的机缘巧合,而是欧亚大陆各文明数千年融合之结果。东西方文明都为科学文明的兴起作出了贡献。这是一个全球性现象,了解这一点对处在全球化时代的我们来说非常重要。

  徐光启在奏折中绘制的崇祯四年四月十五日(1631年5月15日)月食图。资料图片

  阿拉伯星盘 光明图片/视觉中国

  丝绸之路是重要的人类历史文化遗产,也是文明交流的象征。科学作为一种力量,起到了连接古代丝绸之路上不同文明的作用。今天,我举两个例子来进行说明:一是13世纪—15世纪中国和伊斯兰国家之间的“天文丝绸之路”,另一个是17世纪—18世纪的“海上丝绸之路”。

  天文丝绸之路

  在我看来,“天文丝绸之路”上有两个标志性的城市,一个是中国的登封,另一个是乌兹别克斯坦的撒马尔罕。两个地方都有中世纪大型的天文台:登封有13世纪元朝建立的“登封观象台”,撒马尔罕有15世纪初铁木耳王朝建立的乌鲁伯格天文台。两个天文台都有非常具有代表性的中世纪大型天文仪器,代表了当时最先进的天文观测技术。

  在蒙古帝国统治时期,有非常明确的证据表明,中国和伊斯兰世界存在着天文学知识的交流,一些新的概念、新的方法和新的天文仪器被介绍到中国。

  首先是天文历法上“里差”概念的引入。“里差”是指因两地地理经度不同造成的时间差,用于校正天文现象发生的时间。“里差”改正最先是由一位叫耶律楚材的元朝天文学家引入到他所制定的历法《西征庚午元历》中。耶律楚材把这部历法进献给成吉思汗,并在《进西征庚午元历表》中说,1220年,他跟随成吉思汗西征,驻扎在寻斯干城(即撒马尔罕),当年的五月之望(公历6月17日),发生了一次月食。按照当时金朝通行的《重修大明历》推算,这次月食分当为二分,而“食甚”时刻当为夜里子正。可是他在撒马尔罕观测时却发现,初更未尽,月食就已经发生了。由此耶律楚材注意到,天上同一时刻发生的月食,在中国中原观测到的时间,与在撒马尔罕观测到的时间存在一个差值,他将这个地理之差造成的时间改正称为“里差”。

  耶律楚材定的里差系数比实际值要小,也就是说他对两地距离的估算比实际距离要大,约为实际距离的1.42倍。这样的误差是如何发生的?他采用的里程数据的来源是什么?这些问题现在没有确切的答案。但是我们可以猜测,耶律楚材有可能用了古希腊天文与地理学家托勒密(公元85—165年)传统的地理经度数据来确定距离。托勒密《地理学》的地理经纬度数据,是后世西方绘制世界地图和制造地球仪的标准数据,这一传统一直延续到16世纪。从托勒密传统的世界地图(如15世纪德国约翰绘制的世界地图)上,我们可以看到Bactra(接近撒马尔罕)与开封(接近登封)的经度差为65度,但两地实际经度差为47度,即两地的距离被夸大为实际距离的1.38倍。这与上面的1.42倍相差不大,因此推测耶律楚材很可能采用了托勒密的地理经度数据来确定“里差”的大小。一般认为,伊斯兰的科学传统是从古希腊的科学传统而来,因此耶律楚材通过伊斯兰文明接受古希腊托勒密的天文地理知识,也在情理之中。

  其次,要谈谈另一位来自西域的天文学家扎马鲁丁,他可能来自当时西方著名的马拉加天文台。元世祖至元四年(1267年),扎马鲁丁向忽必烈进献了7件天文仪器。据《元史·天文志》记载,其中第一件仪器是“咱秃哈剌吉,汉言浑天仪也”,相当于中国传统的浑仪。第二件是“咱秃朔八台,汉言测验周天星曜之器也”,这是希腊传统的天文仪器,应指托勒密的“双股仪”。第三件和第四件分别是“鲁哈麻亦渺凹只,汉言春秋分晷影堂也”和“鲁哈麻亦木思塔余,汉言冬夏至晷影堂也”,就是测量太阳高度以定春分、秋分和冬至、夏至时刻的仪器。第五件仪器是“苦来亦撒麻,汉言浑天图也”,就是天球仪。第六件是“苦来亦阿儿子,汉言地理志也”,就是地球仪。第七件是“兀速都儿剌不,汉言定昼夜时刻之器也”,这实际上是一个星盘。这些仪器被认为是阿拉伯天文仪器。

  扎马鲁丁制定了一部天文历法《万年历》。1271年,元朝大都建立回回司天监,即穆斯林天文台,与汉儿司天监并列,扎马鲁丁成为回回司天监的监正。1273年,他又成为秘书监监正,相当于皇家图书馆馆长,他在《元秘书监志》里面提到了100多条关于伊斯兰世界、波斯世界的数学、天文、地理及天文仪器的记载,其中包括欧几里得的《几何原本》和托勒密的《至大论》等著作,可见当时有很多西方天文学知识传到了中国。

  当然,东西方天文学知识的传播并不是单向的。虽然天文学知识从东方传到西方很难有直接的证据,但是如果我们分析东西方的天文测量数据,就可能找到一些间接的证据。

  图为建于13世纪的登封观象台。资料图片

  图为建于15世纪的乌鲁伯格天文台。 资料图片

  我想通过中西两个星表的比较来说明这一问题——一个是中国的“郭守敬星表”,另一是西方的“乌鲁伯格星表”。郭守敬是中国元初的天文学家,他开展了大规模的天文观测,使传统星表中的恒星数从宋代的300颗左右增加到739颗。(我认为,现存的“郭守敬星表”的数据实际是明朝初年所测,郭守敬原来测定的数据显然失传了。)“乌鲁伯格星表”是西方天文学史上的重要星表,总共记录了1025颗恒星的位置。乌鲁伯格(Ulugh Beg,1394—1449)于1447年成为帖木儿帝国君主,并于1420年在撒马尔罕建造天文台。经过几十年的观测,于1447年制成“乌鲁伯格星表”。这个星表虽然还是传统的托勒密星表,但其数据却是重新测量所得,而不是像以往的西方星表那样,只是在托勒密星表的基础上加上岁差改正而已。

  中国星表与西方星表有很大不同。中国星表以“入宿度”和“去极度”两个坐标标明恒星的位置,相当于今天的赤道坐标系。而西方星表中恒星位置用的是“黄经”和“黄纬”两个坐标,属于黄道坐标系。坐标系不同,采用的天文观测仪器也不同。中国采用浑仪。浑仪是在公元前1世纪的汉代发明的,中国最早的星表——《石氏星经》中的恒星坐标就是用浑仪测量的。浑仪测量的方法,具体而言,就是将浑仪的枢轴对准北天极,然后将仪器固定安装,相当于现代天文学望远镜普遍采用的赤道式安装,观测起来比较方便。西方采用的是黄道天文仪器,如黄道浑仪、六分仪之类。由于黄纬不因岁差变化,所以用于标注恒星的两个坐标数据有一个是固定的,另一个也很容易根据岁差作加减修正。但在实际测量中,黄道仪器要比赤道仪器难以操作,前者需要不断转动仪器以跟踪黄道的运动。中世纪为了提高测量精度,将天文仪器大型化,如果乌鲁伯格采用大型黄道仪器来测定恒星位置,其操作难度可想而知。

  因此,我在2014年访问撒马尔罕乌鲁伯格天文台时,脑子闪出的问题是,现在的乌鲁伯格星表中的黄道坐标,真的是用黄道仪器测量的吗?有没有可能是先用赤道仪器测量赤道坐标,然后再把它们换成黄道坐标,以符合西方星表的传统?

  这个问题促使我对乌鲁伯格星表进行了一些分析,看看从中能否发现赤道仪器测量的痕迹。我曾用数学上的傅里叶分析法分析星表数据。这一方法对于分析用赤道仪器测量的星表数据特别有效,不仅能够准确地确定星表的年代,而且能够分析出观测的系统误差。(我就是用这一方法分析了“郭守敬星表”,发现星表的观测年代是在1380年前后,并不是郭守敬所在的元初,而是在明朝初年。)我首先对乌鲁伯格星表中的恒星进行识别,即要认出星表中每一颗星的现代恒星通用名称,其次把乌鲁伯格星表中的黄道坐标转换成赤道坐标,最后将傅里叶分析法运用于这些赤道坐标数据。分析结果表明,乌鲁伯格星表数据确实含有用赤道天文仪器观测的系统误差,仪器的枢轴方向偏离了北极3个角分,而星表的观测年代在1444年左右。由此我们可以推测,乌鲁伯格星表的观测,很可能受到中国赤道式天文观测技术的影响。从这两个星表的比较可知,中世纪东西方天文学交流,不仅存在从西向东的知识传播,也存在从东向西的知识传播。

  海上丝绸之路

  再谈谈17世纪至18世纪的海上丝绸之路。这一时期西方发生了科学革命,大量西方科学知识通过传教士传到中国,历史学家称之为“西学东渐”。有一种相当普遍的看法认为中国在这一时期主要是被动地接受西方科学知识。我认为这个看法是相当片面的。科学革命本身就是文明融合的结果,是一个全球化的过程。在这个过程当中,主要是西方先进科学知识向东方的传播,但明清时期的中国,不是完全被动地接受西方科学知识,而是在接受西方知识后,主动进行发明创造。

  浑仪模型浑仪是在公元前1世纪的汉代发明的,其枢轴对准北天极,然后固定安装,相当于现代天文学望远镜普遍采用的赤道式安装,容易操作。而西方采用的黄道天文仪器,在实际测量中需要不断转动仪器以跟踪黄道的运动,操作不便。光明图片/视觉中国

  我们以地球经度测量问题为例加以说明。

  明朝万历三十年(1602年),意大利传教士利玛窦向明神宗进献的世界地图以《坤舆万国全图》为名出版,中国人开始初步了解世界地图的全貌,也了解了地球概念及相应的地理经纬度概念。

  对中国来说,地理经度的测量有两个目的。第一是为了制定天文历法。明末,原来使用的历法《大统历》已经用了三百年,出现很大偏差,预报日食、月食都不准确。崇祯年间,徐光启提出要对历法进行改革。但是如何改却有很大的争议。有人主张继续使用《大统历》,只进行修正;有人主张采用伊斯兰天文学的“回回历”;还有人主张用明末传入中国的欧洲天文学“西法”。徐光启主张采用“西法”。为了证明“西法”的优越性,他预测了五次月食,包括初亏、食甚、复原时刻、食分、初亏所起方位等,并在每次月食发生前上奏折,以期验证。他不仅给出月食在北京的情况,还给出在其他14个省会的情况,这是前所未有的。这些预测都用到了地理经度的信息。徐光启主张的“西法”在历法竞争中取得优势。后来确定采用西方天文学系统进行历法改革,所谓“溶彼方之材质,入大统之型模”,中国天文学从此开始了中西融合的进程。

  地理经度测量的第二个目的是地图制作。制作地图对于国家治理非常重要。清朝康熙皇帝亲自领导了大规模的天文大地测量,并在1718年绘制完成《皇舆全览图》。为开展这项工作,康熙聘用了很多传教士,他们大部分来自法国,大都与法国科学院保持密切联系。因此,可以说康熙时期,中国与法国之间有很多科学交流。例如巴黎天文台的天文学家,就通过在华传教士获得来自中国的天文、地理数据和信息。

  中国的这一测量活动与西方近代科学上一个重要争论相关——17世纪至18世纪关于地球形状的争论。按照牛顿力学,地球由于自转产生离心力,使地球在赤道地区凸鼓出来,成为一个扁圆体。但巴黎天文台台长卡西尼领导的测量却显示地球在赤道地区应该更扁平一些,是一个椭球体。两派的争论持续了近一个世纪,直到18世纪中期法国科考队分别到秘鲁和拉普兰德进行子午线测量,才证明牛顿的观点是正确的。

  在这样的背景下看中国康熙时期的天文大地测量,就在近代科学发展史上具有特别意义。当时在中国进行的测量,从南方的海南岛到北方的黑龙江,地域非常广阔,这在欧洲是不可能做到的。因此在中国所做的天文大地测量一定会得到欧洲科学家的密切关注,因为这些数据对于解决他们关注的科学问题非常有价值。所以传教士在测绘结束后,把测量数据报告给康熙皇帝的同时,也发回欧洲。这些数据很快就出现在1735年法国传教士杜赫德编撰的《中国帝国图志》中,在欧洲广为流传,成为制作世界地图的最新数据。因此,中国康熙朝的天文大地测量,实际成为欧洲近代科学活动中的一部分。

  康熙时期为绘制《皇舆全览图》所做的大规模天文大地测量,充分说明那个时候的中国并不是完全被动地接收来自西方的科学知识,而是非常主动地开展相关的科学活动。中国可以说是西方科学近代化进程的参与者。这也从一个侧面说明,近代科学的发展是一个全球化的过程,是东西文明交流融合的过程。

  我认为,自古以来,科学就在文明的交流中扮演着重要角色,同时科学也在这种文明的互动中获得新生。这提示我们以一种全球的视角来看待历史上的科学与文明。“丝绸之路”为我们提供了这样的新视角。我们将历史的点点场景连接起来,可以构成一个全球科学史的图景。古代世界相互连接的程度比我们想象的要丰富得多。这一历史遗产应该得到传承,因为,我们是探索科学真理的同一个人类。

  《光明日报》( 2017年08月24日 13版)

【责任编辑:季元宏】
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