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        冬至為何“大如年”

        2022-05-21 01:13:28瑤華玲子景老人
        奧秘(創(chuàng)新大賽) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:郭守敬影長(zhǎng)光斑

        ●瑤華 文 玲子 編 ○景老人 繪

        二十四節(jié)氣之一的冬至在我國(guó)自古以來就很受重視,甚至在清末圣誕節(jié)傳入中國(guó)時(shí),一度被稱作“外國(guó)冬至”,不僅因?yàn)槭フQ節(jié)的時(shí)間和冬至接近,也因?yàn)楫?dāng)時(shí)的人們覺得,外國(guó)人全家團(tuán)聚慶祝圣誕節(jié)的風(fēng)俗和中國(guó)人過冬至差不多。盡管今天冬至的節(jié)日氣氛比起古代已經(jīng)有所淡化,但不少地方仍然保留著冬至祭祖、團(tuán)聚、吃節(jié)令食品的風(fēng)俗。比如,北方在冬至普遍吃餃子或餛飩,南方有的地區(qū)在冬至吃湯圓,有的地方喝冬釀酒。

        民諺常說“冬至大如年”,難道是因?yàn)槎梁瓦^年吃的食物相似才這么說的嗎?其實(shí),“冬至大如年”的真正原因在于它是計(jì)算二十四節(jié)氣的起點(diǎn)。北半球在冬至?xí)r正值太陽(yáng)直射在南回歸線上,這一天白晝最短,日影最長(zhǎng)。中國(guó)作為農(nóng)耕大國(guó),幾千年來都非常重視農(nóng)事時(shí)節(jié)的判定,測(cè)定冬至是其中最為重要的一環(huán),因?yàn)閺囊粋€(gè)冬至到下一個(gè)冬至之間度過的時(shí)間,就是完整的一年,“日發(fā)其端,周而為歲”。

        春秋時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)了“圭表測(cè)影”確定冬至的明確記載,方法是在平地上垂直豎立一根長(zhǎng)度固定的直桿,叫做“表”,在和表基座相連的地面上平放一塊有刻度的板子,用于測(cè)量太陽(yáng)投下影子的長(zhǎng)度,叫做“圭”。通過觀測(cè)可以較為直觀地判斷,正午時(shí)影子最長(zhǎng)的一日為冬至,影子最短的一日為夏至。這種方法一直沿襲到清代,成為編制歷法的重要依據(jù)。通過觀測(cè)和計(jì)算,我國(guó)古人在東漢時(shí)就發(fā)現(xiàn)了每隔四年冬至正午影長(zhǎng)相同,得到了“四周千四百六十一日,以周除日,得三百六十五四分度之一,為歲之日數(shù)”的結(jié)論,推算出一個(gè)回歸年長(zhǎng)度為365.25天,這在當(dāng)時(shí)是較為精確的。

        古人進(jìn)一步分析得出,一年中二十四節(jié)氣的影長(zhǎng)變化也有規(guī)律?!吨荀滤憬?jīng)》里列出了和今天一樣的二十四節(jié)氣名稱,以及每個(gè)節(jié)氣正午時(shí)的表影數(shù)值,但這些數(shù)值卻不是測(cè)出來的,而是按冬至后每過一個(gè)節(jié)氣影長(zhǎng)減少“九寸九又六分之一分”的等差數(shù)列計(jì)算出來的,和實(shí)際影長(zhǎng)變化不符。這是因?yàn)?,《周髀算?jīng)》里的天文學(xué)知識(shí)建立在“蓋天說”的基礎(chǔ)上,認(rèn)為太陽(yáng)圍繞天極中心運(yùn)行,每天影長(zhǎng)變化均勻。東漢以后,歷朝歷代編著的《律歷志》里的二十四節(jié)氣影長(zhǎng)都是實(shí)地測(cè)量得出的,相對(duì)更準(zhǔn)確一些。

        古代的多位數(shù)學(xué)家都對(duì)測(cè)定冬至、編訂歷法作出了貢獻(xiàn)。例如,南北朝時(shí)期的數(shù)學(xué)家祖沖之運(yùn)用了新的冬至?xí)r計(jì)算法,通過觀測(cè)記錄冬至前、后各二十余天的影長(zhǎng),用比例內(nèi)插法計(jì)算出冬至前后影等長(zhǎng)的時(shí)刻,從而得出準(zhǔn)確的冬至?xí)r刻,把精確度從日期提高到時(shí)辰。元代科學(xué)家郭守敬在前人研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步突破了冬至測(cè)影的精確度,創(chuàng)立了比傳統(tǒng)八尺高表高五倍的四十尺高表,表頂安裝便于觀測(cè)影子的橫梁,可以減小影子的邊緣誤差對(duì)觀測(cè)到的表影長(zhǎng)度的影響。郭守敬還發(fā)明了“景(影)符”,是在一片安裝在底座上、可以轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整角度的長(zhǎng)方形銅片正中穿一個(gè)小洞,在正午將它放在圭面上表影的頂端,調(diào)整表面和陽(yáng)光方向垂直,根據(jù)小孔成像原理,圭面上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常小的光斑,里面有一條橫梁的影子,當(dāng)影子平分光斑時(shí),它所在的刻度位置就是觀測(cè)到的最準(zhǔn)確的影長(zhǎng)。

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