看影子算出一年，中国天眼听见宇宙，古今观测有何相通之处？

审核专家：李亮

中国科学院自然科学史研究所研究员

现在的人用钟表读取时间，也用望远镜认识遥远的天体。古人没有这些现代设备，却能通过太阳的影子建立历法，通过长期记录认识星空。他们把自然现象变成可以测量的数据，再从数据中寻找规律。对古人来说，太阳不仅标记时间，也提供了辨认方向和位置的参照。要确定一个地方在天地之间的位置，就要观察在不同地点和季节中太阳的视位置变化。

在这样的认识下，西周何尊提供了一个重要的历史背景。何尊本身不是天文仪器，其尊底铭文中的“宅兹中国”，是“中国”一词目前已知最早的文物实证。在当时，“中国”主要指中原一带，也有地理中心之意。在古代，求地中、定方位和测节气常常需要借助日影测量，河南登封现存的周公测景台为唐代依周代旧制重建，是古代日影测量传统的重要历史见证。古人的观天实践，也由此从抽象的方位认识落到了地面上的具体测量。

何尊。图片来源：李亮

这种测量所使用的基本工具就是圭表。直立的标杆称为“表”，水平放置的标尺称为“圭”。测量前，圭表要按南北方向校正。正午时，太阳照在表上，影子投到圭面。太阳高度不同，影子长度也不同。夏至正午太阳最高，影子最短。冬至正午太阳最低，影子最长。长期在同一地点观测当地正午的日影变化，就能判断节气，追踪太阳的周年视运动。

日影还可以帮助古人测量一年的长度。冬至前后，日影达到一年中最长。古人把一个冬至到下一个冬至作为一个周期，估算回归年的长度。今天我们知道，一回归年约为365.2422天。这个数字不是一次测量得出的，而是许多代人持续观测和计算的结果。冬至在传统历法中具有重要位置，民间也有“冬至大如年”的说法。

日影可以帮助测定节气和回归年的长度，天空中还有日食、月食和彗星等并非每天都能见到的天象。这些现象一开始容易被看作异常，只有记录下来，才能比较它们是否有规律。随着资料的积累，古人逐渐掌握日月食的规律。从汉代可能相差一天，到清代误差缩小到几分钟，预报越来越准确。

随着观测不断积累，古人对天象的记录也越来越细致。马王堆帛书中画有二十九种彗星图，彗尾长短和形态各不相同，说明古人不仅记录出现与否，还在比较天象的形态。司马迁曾任太史令，既参与修史，也负责观测天象。二十四史中，多部正史设有《天文志》或相关篇目。几百年乃至上千年积累下来的资料，使一次次天象记录成为后世科学研究可以查验的历史证据。

长期观测积累了大量资料，也对观测工具提出了更高要求。为了获得更多、更准确的数据，古人不断整合和改进天文仪器。宋代苏颂把观测、演示天象和报时等功能整合在一起，制成水运仪象台。

到了元代，郭守敬为提高日影测量精度，建造了高表。但圭表增高后，日影边缘反而变得模糊。为了解决这个问题，他制作了带孔的“景符”，利用小孔成像原理形成清晰的太阳像，以便更准确地确定日影位置。郭守敬还改进了用来测量天体位置的浑仪。浑仪上的圆环层层相套，容易遮挡视线。他重新设计圆环的位置和结构，制成结构更简单、观测更方便的简仪。

简仪分设赤道、地平两套坐标装置，用于测量天体位置。这套体系可以理解为给天空建立一套“经纬度”，用来标记天体所在的位置。今天，位于河北兴隆的郭守敬望远镜（LAMOST）也利用赤道坐标确定观测目标。简仪与现代望远镜的结构和技术虽然不同，但都借助坐标来描述和测量天体的位置。

仪器改进之后，还需要稳定的观测场所。陶寺遗址发现了距今约四千年的观象台。北京古观象台沿城墙修建，在明清两代使用近五百年。固定地点和持续维护，使同一种测量能够反复进行，也让观测资料得以长期积累。

望远镜使人们能够观察更暗弱的天体和更精细的天体细节。17世纪，伽利略改进望远镜，观测了月面和木星卫星。望远镜的相关知识很快传入中国，人们开始接触新的观测方法。新工具要真正转化为科学认识，还需要放进持续观测、记录和验证的体系。

随着望远镜技术的发展，人们接收宇宙信息的方式也越来越丰富。早期望远镜主要观测可见光，后来人们又制造出能够接收无线电信号的射电望远镜。两者与圭表的物理原理不同，却都在把难以辨认的自然现象转化为可以测量的信息。

今天，500米口径球面射电望远镜（FAST）被称为“中国天眼”，是世界上最大的单口径射电望远镜。它用巨大的反射面接收微弱的无线电信号，再把信号汇聚到负责接收和处理信号的馈源舱。FAST已经发现了上千颗脉冲星。脉冲星通常是快速自转、具有强磁场的中子星，其稳定的周期性脉冲如同宇宙灯塔，可用于高精度计时和其他天文学研究。

“中国天眼”（FAST）

图片来源：中国科学院国家天文台网站

从日影到星空，从圭表到FAST，观测对象和仪器虽然不断变化，科学方法却始终相通。人们先观察现象，再设计测量、减少误差，最后用长期数据检验判断。古代日食记录今天仍能帮助科学家研究地球自转速度的长期变化。真正延续下来的，不只是某一件仪器，更是持续观察、认真记录和反复求证。

（本文整理自第977期首都科学讲堂）‍