我國是一個(gè)地大物博、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家。因?yàn)檗r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，天文學(xué)很早便發(fā)展起來，傳說犧和就是古代掌管天文歷法的人。《史記·歷書》記載“黃帝考定星歷”，同書《索引》引《系本》及《律歷志》記載“黃帝使?fàn)藓驼既?，常儀占月……所謂‘占日是指觀測太陽，計(jì)算日子，等等”，漢代的畫像石刻上，也常有“日御犧和”圖。

也正因此，我國歷史上涌現(xiàn)出一些著名的天文學(xué)家。如戰(zhàn)國時(shí)的石申（一名石申夫），西漢以來的落下閎、張衡、何承天、祖沖之父子，以及唐代以下的李淳風(fēng)、僧一行、南宮說、蘇頌、沈括，直到元代的王恂、郭守敬等。他們?yōu)榱说玫礁鼮榫_的天文數(shù)據(jù)，不斷改進(jìn)測量日景的儀器。元朝至元年間在嵩山的古陽城（今登封市告成鎮(zhèn)）修建的觀星臺(tái)，是中國現(xiàn)存最古老的天文臺(tái)，也是世界上現(xiàn)存最早的觀測天象的天文建筑之一。

觀星臺(tái)

觀星臺(tái)位于登封市東南十五公里的告成鎮(zhèn)。此地南臨潁水，地勢低平，北為崗巒，地勢逐高。元代在此建臺(tái)，觀測北極星及其他天象，顯然是地理環(huán)境使然。觀星臺(tái)現(xiàn)存建筑有：照壁、大門、戟門、周公測景臺(tái)、周公祠、觀星臺(tái)、帝堯殿等中軸線建筑和明清碑刻17通。

告成鎮(zhèn)，古稱陽城，相傳曾是周代的測景地之一?！吨芏Y·地官·司徒》說：“以土圭之法，測土深，正日景，以求地中……日至之景，尺有五寸，謂之地中?！睎|漢鄭玄在注釋中引用了鄭眾的一段話：“土圭之長，尺有五寸，以夏至之日，立八尺之表，其景適與土圭等，謂之地中。今潁川陽城地為然?！爆F(xiàn)在觀星臺(tái)南面還保存著唐開元十一年（公元723年）南宮說刻立的測景臺(tái)紀(jì)念石表，從表高八尺和夏至日影長度一尺五寸，可算出當(dāng)時(shí)測影所在地的緯度為34°3，與今存觀星臺(tái)的緯度34°4相比，所差不多。石表的形制和圭、表比例，具有紀(jì)念周代在此測景的意義。

觀星臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，一是由回旋踏道簇?fù)碇奈《肱_(tái)身，一是由臺(tái)身北壁凹槽內(nèi)向北平鋪的石圭。臺(tái)身頗似覆斗，高9.46米，連小室通高12.62米。臺(tái)頂平面呈方形，每邊8米有余，底邊16米有余。壁面有明顯的收分，表現(xiàn)出早期磚石建筑的特征。北壁下方設(shè)有對稱的兩個(gè)踏道口，由此盤旋登臨臺(tái)頂。踏道及頂部邊沿筑有1.05米高的短欄和短墻，可憑欄遙望長空。臺(tái)北壁正中的凹槽直壁是測影“高表”的遺跡。槽的東西壁對稱，自下而上有明顯的收分，唯南壁上下垂直。直壁與石圭間留有36厘米的間隙，是橫梁下垂懸球的地方，用以經(jīng)常校驗(yàn)橫梁和石圭間的垂直關(guān)系及高差。直壁上方相對兩小室的窗口的下沿即置橫梁的位置，由此到石圭的高度等于40尺。此臺(tái)采用“直壁一橫梁”結(jié)構(gòu)代替了元大都所用的銅表，是圭表測影術(shù)在當(dāng)時(shí)的一個(gè)重要改進(jìn)。

石圭與直壁、橫梁是一組觀測太陽中天高度位置的儀器。梁影投在圭上，圭就像一把長尺，可以量出表影長度，故又稱“量天尺”。據(jù)《說嵩》卷五稱：“背有量天尺，其制：砌石筑臺(tái)，高二尺許……凡三十六方，接連平鋪?！惫缡?5方，1975年修整觀星臺(tái)之時(shí)，在觀星臺(tái)附近發(fā)現(xiàn)了那方已佚的圭石。36方石圭的長度為31.196米。

《元史·天文志》中有在陽城觀測北極星出地高的具體記錄，而且關(guān)于新創(chuàng)天文儀器“高表”的記述也與現(xiàn)存觀星臺(tái)直壁、石圭的尺度基本相符?，F(xiàn)觀星臺(tái)內(nèi)明嘉靖七年（公元1528年）陳宣撰《周公祠堂記碑》載：“觀星臺(tái)，甚高且寬，舊有挈壺漏刻以符日景，而求中之法盡矣。”點(diǎn)出了“觀星臺(tái)”的名稱、建制。石圭南起第十四石西側(cè)刻“大明嘉靖二十一年孟冬重修”，可知石圭在明代重修過。從其他碑刻可知，臺(tái)上小室是明嘉靖七年（公元1528年）增建。明萬歷十年（公元1582年）孫承基撰《重修元圣周公祠記》稱：“磚崇臺(tái)以觀星，臺(tái)上故有滴漏壺，滴下注水，流以尺天……”清康熙五十五年（公元1716年）景日畛著《說嵩》卷五記載：“周公廟后有臺(tái)日‘觀星’，甚危敞，上覆以屋，前有亭。其陰凹缺直下，高三仞。背有量天尺?！睆纳鲜鲇涊d，可知自明至清皆稱告成這座元代觀測建筑物為“觀星臺(tái)”。有明碑稱“故有滴漏壺”，說明觀星臺(tái)曾設(shè)有計(jì)時(shí)儀器。室前有亭，當(dāng)建于明萬歷十年（公元1582年）以前，廢于清康熙五十五年（公元1716年）以后。

高表景符的應(yīng)用和元初歷法改革

十三世紀(jì)末期，元世祖忽必烈從鞏固封建統(tǒng)治出發(fā)，采取了一些維護(hù)統(tǒng)一、反對分裂和發(fā)展生產(chǎn)的措施，結(jié)束了西夏、金、南宋等政權(quán)一百多年的分裂局面，建立了統(tǒng)一的中央集權(quán)的封建國家。國家的統(tǒng)一為各族人民之間的經(jīng)濟(jì)、文化交流提供了有利條件，也為天文學(xué)的發(fā)展提供了較為有利的社會(huì)條件。由于農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的迫切需要，天文歷法的改革也提上了議事日程。

元初，天文歷法曾“襲用金舊”，但不久便發(fā)現(xiàn)《重修大明歷》有誤差。至元十三年（公元1283年），元世祖忽必烈采納了劉秉忠過去提出的改革歷法的建議，“遂以守敬與王恂，率南北日官，分掌測驗(yàn)推步于下，而命文謙與樞密張易為之主領(lǐng)，裁奏于上，左丞許衡參予其事”。一次規(guī)模宏大的歷法改革活動(dòng)從此開始。

改歷之初，郭守敬首先提出了“實(shí)際觀測是治歷之本”的唯物主義原則。他說：“歷之本在于測驗(yàn)，而測驗(yàn)之器，莫先儀表。”這種把實(shí)踐放在首位的科學(xué)態(tài)度，是元初天文改革取得重要成就的思想基礎(chǔ)。

郭守敬等人首先集中精力研制新的天文觀測儀器，堅(jiān)持簡要實(shí)用的原則，創(chuàng)造了簡儀、高表、候極儀、渾天象、玲瓏儀、景符等十幾種儀器。從《元史·天文志》的記述中可知，諸儀中尤其重要的，一是簡儀，一是高表。而且“簡儀、高表，用相比復(fù)”，互可參證。這些儀器一直保留到清初?，F(xiàn)存于南京紫金山天文臺(tái)的一架簡儀，是明正統(tǒng)二年（公元1437年）仿制的?，F(xiàn)在從觀星臺(tái)遺跡仍可以了解一些元代高表測影的基本知識。

自周至宋，測影表高大致為八尺。元初，為求精密數(shù)據(jù)，易八尺表的長度為四十尺。當(dāng)時(shí)，在大都（今北京）建立司天臺(tái)，置四十尺銅表。之后，“又請上都、洛陽等五處分置儀表，各選監(jiān)候官”，這項(xiàng)請求得到了皇室的批準(zhǔn)。這里所說的洛陽，實(shí)指陽城，因?yàn)楫?dāng)時(shí)洛陽為河南府路，統(tǒng)轄登封縣，而且《元史·天文志》所列二十七處測驗(yàn)所，也沒有洛陽而有“河南府陽城”。

《元史·天文志》規(guī)定：“圭表以石為之，長一百二十八尺，廣四尺五寸，厚一尺四寸，座高二尺六寸，南北兩端為池?！敝杏兴芭c南北池相灌通，以取平”。觀星臺(tái)石圭基本是這種布局，南端有方形注水池，北端有橫長泄水池，中間是雙股平行的水渠，渠底南高北低，水可自行灌通與泄出。記載與實(shí)物僅在石圭寬度與高度上略有出入?？傞L度與郭守敬所造太史院表尺（一太史院表尺為24.576厘米）的128尺基本相同。今石圭（36方）長31.196米，用128尺來除，得一尺為24.371厘米，上述兩尺相差0.20厘米。由此可見，觀星臺(tái)石圭是按元太史院表尺128尺之長度制造的。

按照24.371厘米的尺度，驗(yàn)證表槽的高、寬等尺度，與元初制度也是相符合的?！对贰ぬ煳闹尽份d：“表長五十尺，廣二尺四寸，厚減廣半，植于圭之南端圭石座中，入地及座中一丈四尺，上高三十六尺，其端兩旁為二龍，半身符表，上擎橫梁，自梁心至表顛四尺，下屬圭面，共為四十尺。梁長六尺，徑三寸……”經(jīng)計(jì)算，自石圭上面至直壁上沿約為36尺，其上再加二龍擎橫梁這段的四尺高度，約超出臺(tái)面1米左右，這一高度是適合于人們在臺(tái)上操作的。元初“高表”測影的科學(xué)性是相當(dāng)高的。首先，改八尺表為四丈，這是因?yàn)橛^測精度的需要。據(jù)《元史·天文志》說：“表短，則分寸短促，尺寸之下，所謂分、秒、太、半、少之?dāng)?shù)，未易分別。”而把表擴(kuò)大五倍以后，“表長則分寸稍長”“舊一寸。今申而為五，厘毫差，易分別”。其次，“景符”的制作，克服了因?yàn)樵黾颖淼母叨榷鴰碛疤摰睦щy。所謂“景虛而淡，難得實(shí)影”，過去人們也在尋找克服這一困難的途徑，有的增設(shè)望筲，有的加置小表，但是所取得的影長，仍是太陽的下緣，而不能求得日心之景。郭守敬根據(jù)針孔成像的原理，制成景符，又改表端為橫梁，使日光可從梁之上下通過，用以分像取中，且梁影細(xì)如發(fā)絲，所存誤差可達(dá)毫米以下，實(shí)為一項(xiàng)重大的革新。

觀星臺(tái)的建立和《授時(shí)歷》的頒行

觀星臺(tái)的建立是為了改進(jìn)歷法，所以《授時(shí)歷》的頒行和觀星臺(tái)是分不開的。元初，郭守敬曾向元世祖忽必烈進(jìn)奏：唐朝開元年間，一行（張遂）為了改革歷法曾命南宮說（天文官）到十三個(gè)地區(qū)進(jìn)行測驗(yàn)，而今天國家的疆域比唐時(shí)廣大，更需要到邊遠(yuǎn)的地方進(jìn)行測驗(yàn)。元世祖批準(zhǔn)了他的建議，于至元十六年（公元1286年）遂設(shè)十四員監(jiān)候官，分幾路出發(fā)，到全國各地進(jìn)行天文觀測。據(jù)記載，當(dāng)時(shí)“四海測驗(yàn)凡二十七所”。這年三月，郭守敬由上都、大都開始，歷經(jīng)河南，轉(zhuǎn)抵南海，行程數(shù)千里，親自掌握一路的實(shí)際測驗(yàn)。陽城正是這次“四海測驗(yàn)”活動(dòng)中的一個(gè)觀測所?！对贰ぬ煳闹尽贰八暮y驗(yàn)”條中有“河南府陽城，北極出地三十四度太弱”（“太弱”為古代一度的十二分之八）的觀測記錄。當(dāng)時(shí)的觀測分詳略兩種記錄方式。二十七所中的前七處觀測內(nèi)容較詳，包括北極出地高度、夏至晷景和晝夜時(shí)刻的測驗(yàn)，而其余二十處只測北極出地高度。值得注意的是詳測的七處：南海、衡岳、岳臺(tái)、和林、鐵勒、北海、大都，在地理緯度上是全國有代表性的地區(qū)。從“北極出地”高度看：南海15度，衡岳25度，岳臺(tái)35度，和林45度，鐵勒55度，北海65度，大都40度。前六地每移一地相差10度，后者是國都，自當(dāng)詳測。顯然，這次測驗(yàn)是有組織有計(jì)劃進(jìn)行的。這一南北數(shù)千里的實(shí)測資料，不僅為元代當(dāng)時(shí)改革天文歷法提供了重要資料，而且也為此后的天文研究工作提供了寶貴史料。這里所指的“南海”，從其緯度可證明即在今天我國的西沙群島附近。元代“四海測驗(yàn)”時(shí)，“南海北極出地一十五度；夏至景在表南長一尺一寸六分；晝五十四刻，夜四十六刻”，說明自古以來南海諸島就是我國神圣領(lǐng)土不可分割的一部分。元朝政府從至元十三年（公元1283年）下令改歷，創(chuàng)制儀器，研究前朝歷法，到至元十六年（公元1286年）的大規(guī)模測驗(yàn)，先后經(jīng)歷了四年時(shí)間。在分析研究了大量的實(shí)測資料和歷史資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過精密計(jì)算，終于在至元十七年（公元1287年）頒布了一部進(jìn)步的新歷——《授時(shí)歷》。新歷頒行后，郭守敬又進(jìn)一步修訂整理，使之更臻于完善。至元二十三年（公元1293年）二月，由“太史院上授時(shí)歷，經(jīng)歷儀，敕藏于翰林國史院”。

《授時(shí)歷》不僅記載了元代的天文成就，而且列舉了大量古代的天文資料加以對照、推算，說明新歷的進(jìn)步。在新歷二十八宿觀測對照表中，可以清楚地看到元初觀星記錄的精密。表里從漢落下閎、唐一行、宋皇祜、元豐、崇寧到元朝至元年間，逐個(gè)加以對照。從表所示，元以前，星位只記出度。度以下只用“強(qiáng)”“太”“少”來表示尾數(shù)，而未用分度；《授時(shí)歷》則不同，每一星位都標(biāo)出度數(shù)和余分。另外，對冬至?xí)r刻的測驗(yàn)、驗(yàn)氣、歲余歲差、日躔、日行盈縮、月行遲疾、白道交周、晝夜刻等等，或列表對照，或文字記述，都詳細(xì)地加以闡述和對比。

《授時(shí)歷》的精密，可以由它所算定一回歸年的長度來說明?！妒跁r(shí)歷》定一回歸年即今年冬至到明年冬至的時(shí)間為365日24刻25分。古時(shí)候一天分為一百刻，亦即一年為365.2425日。按現(xiàn)代的測定，一回歸年的時(shí)間為365.24219日，與《授時(shí)歷》相比，一年僅差0.00031日。如以小時(shí)計(jì)，即今測一回歸年為365日5時(shí)48分46秒；授時(shí)歷為365日5時(shí)49分12秒，僅相差26秒。今天世界通用的陽歷（格里高利歷），它推算的平均一年時(shí)間亦為365日5時(shí)49分12秒，與《授時(shí)歷》分秒不差，而格里高利歷的制定要比《授時(shí)歷》晚三百年左右，由此可以看出《授時(shí)歷》是多么精確。那么，為什么《授時(shí)歷》會(huì)得到這樣優(yōu)異的成果呢？元初治歷，除做了艱巨的實(shí)測工作外，又繼承了前人優(yōu)秀的研究成果，并充分利用了古代的實(shí)測資料，加以數(shù)學(xué)上的精密計(jì)算，把自南北朝時(shí)期劉宋《大明歷》以后的八百一十年來“凡測景驗(yàn)氣得冬至?xí)r刻真數(shù)”（數(shù)據(jù)）采用“合用歲余”的辦法，求得平均數(shù)據(jù)?！叭∠嗑喾e日時(shí)刻，以相距之年除之，各得其時(shí)所用歲余；復(fù)自大明壬寅距至元戊寅積日時(shí)刻，以相距之年除之”，求出“每歲合得三百六十五日二十四刻二十五分”的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過四年實(shí)測的考驗(yàn)，證明“相符不差”。元初登封觀星臺(tái)等一系列觀測臺(tái)站的建立和《授時(shí)歷》的頒行，說明準(zhǔn)確的歷法來自精確的、大量的觀測。