中国古代观象台（中）

2024-09-20郭红锋

军事文摘·科学少年 2024年9期

登封古观象台

今河南省登封市城东南的告成镇，古称“阳城”，相传是夏朝最早建都的地方，据当地县志记载：周公修建土台，“测土深，正日景，求地中，验四时”。这说明在周代甚至更早，人们就已经用土圭立表，来测影、验时、定季了。

周公测景台的原物现已不复存在，但那里现在有一座石制的台子。这个台子是公元723年唐朝天文官南宫为了纪念周公，而在此地测影建立的纪念石质圭表，表的南面刻有“周公测景台”五个字。

1279年，元代天文学家郭守敬在周公测影台北面用砖石建起了一座大胆而巧妙的高表测影台（即登封观星台），并以此作为当时大规模四海测验的中心观测站。

登封观星台是中国现存最完好的古天文台建筑，也是世界上的重要天文古迹。观星台像一座城楼，北壁正中有一个上下直通的凹槽，凹槽之上有一横梁，整个凹槽加横梁相当于一个40尺的高表。槽的底部延伸出一条长120尺的南北放置的石圭（称为量天尺）。

周朝以前，中国古人就已经学会用圭表测日影以推算时间、季节。数千年来，表的高度大都墨守成规地定为八尺（当时的度量单位）。郭守敬的观星台打破了这一局限，表的高度增加了5倍（40尺），影长自然也增加了5倍，测量误差按比例应该减小。但实际上，在表影拉长的同时，影子的边缘线也变得更加模糊。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——景符，用以接收高表顶端（横梁）的投影。

测量时将景符放置在圭面上，调整角度，使其与太阳光照射方向垂直，然后沿圭面滑动，寻找横梁投在圭面上的影子，直至景符后面的石圭上出现一个明亮的小圆斑，且圆斑中央有一根明显的细线。测量这条细线到表基的长度，就是表的影长。高表加景符的测量方法使测量结果的精确度得到了成倍提升。

经过长期的观测，结合从全国（四海测验）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。这个结果比同样精度的《格里高利历》（即现在世界通用的公历），提前了300多年。

郭守敬领导编撰的新历法《授时历》，从元初一直用到明末，是我国迄今为止使用时间最长的一部历法，受益者还包括日本、朝鲜、韩国和越南等国家，而登封观星台也因此成为中国古代天文学巅峰时期的历史见证。

郭守敬在总结前人工作的基础上，抓住了问题要点，运用了创新理念，我们也可以学习这种科学思维和勇于创新的思想。纵观我们祖先使用的“立竿见影”方法di7V1eUPTQmE7IglQ6lUfg==，使用的工具很简单：一个圭，一个表。表只使用其顶端（与表本身关系不大），所以郭守敬用横梁代替表高，用景符的小孔给横梁成像，成功地解决了虚影问题，提高了测量精度。

同学们可以模仿郭守敬高表加景符提高测量精度的方法，做一个测量日影的实验：

1）在朝阳的玻璃窗上，横贴一条细线（也可以找一个高处横杆）用来模拟高表横梁；

2）做一个开小孔的纸屏，安装在一个盒子上（模拟景符）；

3）在测量水平面（模拟圭面）的后端平放一张纸屏来接收小孔成像的光斑。

这个实验可以在房间里做，不用暴露在室外阳光下，也不必做实物圭表，只需要把三个模拟的物件（高表、景符、圭面）放到合适位置组合起来测量即可。

实验时可以把模拟景符放到测量水平面上（或用桌子代替水平面，来方便操作），把打小孔的纸屏对准太阳方向，调整纸屏角度，让太阳和玻璃窗上的细线对准（都通过小孔），即可从后端的像屏上看到太阳的像斑里有一条细线。

此时玻璃上的横线到成像纸屏间的垂直高度就是表高（图中黄线所示），窗玻璃（注意考虑窗台）到太阳像斑里的细线间的距离，就是影长（图中绿线所示）。

这个方法可以测量任何时候的太阳影长，如果能确定南北方向，就可以做圭表用，从而测出高精度的正午太阳影长。