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700多年前,中国人是如何将一年的时长精确到小数点后四位的?

00多年前,中国人是如何将一年的时长精确到小数点后四位的?"

观星台,位于登封告成,摄影@孤城

在嵩山脚下的登封告成镇,耸立着一座近13米高的元代观星台,这是我国现存最古老的天文台。

观星台统高近13米,基边各长超过16米,四壁倾斜呈锥形向内收缩,如同用于祭祀的高台,让人忍不住屏息凝神。

肃穆庄重的外形很容易让人联想到失落的文明——玛雅金字塔。玛雅金字塔有很多未解之谜,但已证实具有天文观测的用途。大概人类的文明结晶,穿梭于千年时空,也总有共鸣。

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玛雅金字塔,来自昵图

登封观星台的出现并不神秘诡异,没有外星人造访的传说,也没有强大宗教力量的推动。但依然令人震撼,因为它为了一样最需要也最难寻觅的事物而诞生,那就是:时间。

古时候,时间和节气对于农耕民族而言,就像是交响乐队中的指挥棒,指导着根本的农业生产,如果节气的日期不够准确,人们就会错过最佳的耕种时机,轻则粮食减产,百姓受苦,重则饥民暴乱,动摇国本。所以,历朝历代的统治者都把制定历法视作立国之头等大事。

13世纪初,一统草原的成吉思汗采用了金国的大明历,但在当时,无论哪一种历法都因年代久远,产生了较大的偏差。成吉思汗西征时,初一却望见了本该初三出现的新月,给行军打仗带来了巨大困扰。百姓生活也因时间的不精准而频频出错,在忽必烈建立元朝后,南方地区依旧使用南宋的成天历,这国家管理就显得更乱了。

一套精确而彰显皇家威仪的历法迫在眉睫。

当时,尚在负责治水的郭守敬就这样走入了历史的聚光灯下。

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郭守敬画像

为了使新历法尽量在元朝广袤的疆土中适用,郭守敬拉开了一场前无古人的天文观测活动。

他在全国设下27个观测点,并派出十四名监侯官,分道而出,“东至高丽,西极滇池,南逾朱崖,北尽铁勒”,取样范围南至中国南海的小岛北到西伯利亚的荒原,东起朝鲜半岛西至川滇与河西,史书上把这次旷古绝伦的天文测量称之为“四海测验”。

1279年,郭守敬在登封驻留,并在周公定天地之中的测影台旁建起了一座大胆而巧妙的高表测影台,也即观星台,且以此为中心观测站,“昼参日影,夜观极星,以正朝夕”。

从周朝开始,古人就已经学会用圭表测日影以推算时间,数千年来,表的高度大都墨守成规地定为八尺(≈2.67米),想要改变,不是人人都敢冒这样的不敬与风险。

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周公测影台

郭守敬的观星台不仅打破了这一局限,甚而直接将圭表盖成了一座高楼,楼体上竖直的凹槽为表,地面上横铺的石竿则为圭,凹槽顶端设一横梁,用作表的顶端,以提供日影,圭上设置水槽用于确定水平,画有刻度用以量日影长短。

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表的高度和影长增加了近4倍,测量误差则减小到原来的四分之一。但表影拉长的同时,影子的边线也变得模糊,为了解决这个问题,郭守敬创造性地设计了一个中心有小孔的铜片用以接收表影。

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景符

这个小铜片被称为景符,将其放置在圭面上,调整角度,使其与太阳光直射方向垂直,然后沿圭面滑动,寻找横梁投在圭面上影子,直至景符下出现一个明亮的小圆斑,且圆斑正中央有一根明显的细线。

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初中物理课本中的“小孔成像”原理已经告诉我们,这个亮斑就是太阳的实像,而亮斑中心的横线就是横梁的影子。

景符的应用,不仅解决了日影发虚的问题,同时还捕捉到太阳中心光照在表上的影长,而传统的立杆只能测到太阳边缘光的影长,如此一来,测量结果的精确度自然成倍提升。

经过一年的观测,结合从全国收集来的数据,并参考以往的历法,郭守敬和他的同事们推理演算,最终将一年的时长定为365.2425日,也即365天5小时49分12秒。这个结果比地球绕太阳公转一周的实际时间仅差25.92秒。而同精度的《格里高利历》也即现在世界通用的公历,还要再过300年才会在西方诞生。

公元1280年,由郭守敬领衔编撰的新历法横空出世,忽必烈取《尚书·尧典》的一句话“钦若昊天,敬授民时”,将这部历法命名为《授时历》。

1281年,《授时历》在全国推行使用,人们春耕秋收、出作入息的时节也终于在误差累积的朦胧中变得清晰。

这部历法从元初一直用至明末,是我国迄今使用时间最长的一部历法,广泛的受益者还包括日本、朝鲜、韩国和越南等国家,而告成观星台也因此成为中国古代天文学巅峰之上的历史见证。

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郭守敬雕像

1944年,高耸的观星台被侵华日军当成了碉楼,而遭到炮击,十余颗炮弹命中台身,墙面和楼梯损毁严重,台顶上明朝所建的两个小屋也被轰平,但庆幸的是,观星台主体毅然屹立不倒。

1961年,登封观星台被国务院列入第一批全国重点文物保护单位;1970年,国际天文学会将月球背面的一座环形山命名为:郭守敬环形山;1977年,国际小行星中心将小行星2012命名为“郭守敬小行星”;2010年,中科院国家天文台将“LAMOST望远镜”更名为“郭守敬天文望远镜”……

郭守敬或许没有想过他在后人的追思纪念中获得了如此多的殊荣,他当年建造观星台的时候,想得更多的一定是:太好了,我们终于捕捉到了太阳。

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