僧一行對子午線長度的測定

子午線即地球的經度線。測量子午線的長度可以確定地球的大小。子午線長度是地理學、測地學和天文學上的一項重要基本數據。

早在公元前3世紀和公元前1世紀,古希臘的天文學家曾先後兩次進行確定子午線長度的工作。但是,他們並沒有全部經過實際的測量,例如在距離方面,他們都是根據商隊或商船的估計而得的。

真正用科學方法最早實際測定子午線長度的,是我國唐代天文學家僧一行於唐玄宗開元十二年(724年)為了制定曆法的需要而發起的。

一行俗名張遂(683-727年),魏州昌樂(今河南南樂)人。僧一行生於官宦人家,但在他還是孩子時,便家道中落,一貧如洗,只能依靠鄰居接濟才勉強度日。他從小聰穎過人、博聞強識,對古代的經史典籍無不涉獵,對天文數術之法尤其感興趣。公元705年,武則天的侄子武三思仰慕一行的學問和品行,想和一行交朋友。一行不屑與他為伍,只有棄家逃到嵩山,削髮為僧。717年,唐玄宗聽到一行的名聲,特派一行的叔父前往當陽山徵召他入朝。721年,唐玄宗下詔命一行制定新的曆法。一行奉詔之後,首先和梁令瓚共同建造了一架黃道游儀,對恆星位置、日月行星運動進行了重新測量。通過這次測量,他發現恆星的位置在很長一段時間內會發生變化,以及太陽的運動在冬至時最快、夏至時最慢的正確規律。一行還發起了全國範圍的天文測量工作,否定了沿用近千年的「寸差千里」的錯誤觀念。在這些觀測的基礎上,一行編纂了中國天文學史上著名的《大衍歷》。

我國古代的曆法不但包含了年、月、日的安排,而且還包含了日食、月蝕的預報和各個節氣日的晝夜時刻長度等。而這些項目都跟觀測地的緯度有關。唐代初年,為了使編出的歷書能在全國各地使用,曾經到全國各地進行天文觀測。

這次觀測共去了12個地點。觀測的項目包括:這一地點的北極出地高度,冬至、夏至日和春分、秋分日太陽在正南方向的時刻八尺高表的影子長度。

在這次測量中,以南宮說等人在今河南省的4個地點進行的一組最重要。他們除了測量北極高度和日影長度外,還測量了這4個地點之間的距離。這4個地點是白馬(今河南滑縣)、浚儀(今河南開封)、扶溝和上蔡,它們的地理經度幾乎完全相同,誤差很小。一行根據這些地點實測所得的數據算得:從白馬到上蔡,距離「五百二十六里二百七十步」(唐代尺度),夏至日表影的長度「差二寸掛零」。這次觀測再一次證明了古代流傳的「南北地隔千里,影長差一寸」的說法是錯誤的。「千里一寸」的說法早在南北朝宋文帝元嘉十九年(442年)就被天文學家何承天(370-447年)否定了,但何承天還是認為,影差一寸的任意兩地,其間南北距離總是相等的。這個說法實際是認為地是平的。這其實是不正確的。隋代的劉焯就提出過,影差和南北距離的比率是不固定的。唐初的李淳風也認為這個比率不是個常數。現在一行根據南宮說等人的實測證實了劉焯、李淳風等人的說法。他完全廢棄了「地隔若千里,影差一寸」的概念,代之以北極高度差一度南北距離差多少裡的概念。

根據南宮說等人所得的測量數據,很容易就求出,「南北距離三百五十一里八十步,北極高度相差一度」,這個數據就是地球子午線上一度的長。變成現代的度量單位,子午線一度長129.22公里。按現代的測量,子午線一度長111.2公里。一行所得數據與現代的誤差是13.9%。

一行所得數據的誤差雖然較現代大一些,但這個數據卻是世界上第一次子午線長度的實測。它開創了我國通過實際測量認識地球的道路,徹底破除了「日影千里差一寸」的謬見;把地理緯度測量和距離結合起來,既為制定新的曆法創造了條件,又為後來的天文大地測量奠定了基礎。

通過這次測量,一行認識到一個重要的科學真理,即在很小的、有限的空間範圍裡探索出來的正確的科學規律,如果不加分析地、任意地向很大的甚至無限的空間條件下去推廣,那就會荒謬了。「日影千里差一寸」的錯誤就在於把只在小範圍平地上總結出來的平面測量理論主觀地推廣到大面積去應用。可是,在大面積的條件,地球表面就不能認為是平面,而必須用球面的概念來處理。一行對古人這個錯誤的糾正在科學思想史上是一個進步。

《中國文化常識》