三種天球坐標系

盡管天空現(xiàn)象是相同的，但是不同的民族、不同的國家，卻選用不同的方法去認識它。這不同的方法認識的結(jié)果，是產(chǎn)生了世界學術(shù)界大家公認的三種天球坐標系：(a) 中國——赤道坐標系統(tǒng)；(b) 阿拉伯——地平坐標系統(tǒng)；(c)希臘——黃道坐標系統(tǒng)。

三種天球坐標系的差異

在敘述史實之前，我們應該先了解清楚三種天球坐標系的差異。

1.    三種天球坐標系

三種天球坐標系圖如下：

三種天球坐標系統(tǒng)：(a) 中國——赤道坐標系統(tǒng)；(b) 阿拉伯——地平坐標系統(tǒng)；(c)希臘——黃道坐標系統(tǒng)[4]

2.三種天球坐標系之間的差異

圖中可以看出，赤道坐標系以天極為中心；地平坐標系以天頂為中心，黃道坐標系以黃極為中心，這三個中心是不一致的，三者的空間取向也是有區(qū)別的，三種天球坐標系的差異

也正在于此。

A．  赤道天球坐標系

赤道天球坐標系在古代中國被稱為渾天系，它是將天地看作一個整體，將這個整體比做一枚雞卵，將地球比做卵中黃，將環(huán)繞地球的天穹比做卵白和卵殼。渾天系是以地體為天地的球心，以南、北兩天極為軸心，亦即天地的中心；以緣地球表面向四周延伸的太空為上下四方。以北天極為上，以南天極為下，以與地球赤道相平行的二十八宿為圓形天道，以將二十八宿所標示360度等分的十二辰為劃分時間的坐標，并在這一立體的“卵殼”上標示日月星辰的運行度數(shù)。正如李勇先生所指出：（由十二支標示的）“天空十二辰對觀測者而言是隨整個天球參與周日和周年運動?！盵5]隨整個天球，即是隨整個地球參與周日和周年運動。因為整個天球是整個地球全方位向天穹的延伸。正如古代中國天文學典籍《太玄經(jīng)》所說：南極與北極是天軸所在的處所，天旋地轉(zhuǎn)由此而起，就象車輪有車軸，所以能自行旋轉(zhuǎn)。眾星全都移動，惟獨北極固守中央相對不變換位置（古人所講的用于標識北天極位置的北極星只是相對不移動位置，其實自古至今作為天軸軸心的北極星也是換了好幾個的）。因此得知北極星的位置居于天地的中心，天地是傾斜的，所以（在人的視覺中）極在正北。極就象轉(zhuǎn)軸的軸心，以（相對的）靜經(jīng)歷（不停歇的）動，計量出十二時[6]。這一體系所認知的時空背景是以“極”為樞紐（中心），“時乘十二”。一年的十二月、一日的十二時，都是以極為中心對二十八宿的十二等分。用現(xiàn)代科學的語言講就是以“極”為中心對地球赤道和天球赤道360度的十二等分。見《地球赤道坐標系圖》：

地球赤道坐標系圖

A．  阿拉伯地平坐標系

阿拉伯地平坐標系是以觀測者所在地的鉛垂線向上、向下無限延長為天頂和天底（見《天頂與天極區(qū)別示意圖》）。天球上通過天體、天頂和天底的半個大圓（從N到S），叫做該天體的“地平經(jīng)圈”。從地平北點（N）起沿地平圈以順時針向量度到天體地平經(jīng)圈和地平的交點，該圓弧叫作天體的“地平經(jīng)度”，也叫方位角，范圍0-360度。它也可從南點（S）起量度。從地平起，沿地平圈量度到天體的角距離，叫作天體的“地平緯度”或“高度”，范圍0-90度。天頂、天底是地平圈的兩個極，地平圈把天球分成可見半球（午半球）和不可見半球（子半球）。因為赤道天球是以天極為中心；地平天球是以觀測者為中心。所以只要觀測者不在“極”的位置，天頂與天極就有交角。而且觀測者所在位置不同，同一天體的地平坐標也不相同。所以，地平坐標有地方性。盡管地平圈這個大圓360度可以等分為十二份（24小時），赤道圈這個大圓360度也可以等分為十二份（24小時），但是地平天球的可見半球、不可見半球與赤道天球的南半球、北半球；東半球、西半球，在空間取向上是不同的。

天頂與天極交角示意圖

黃赤交角圖

   早在晉·司馬彪撰《后漢書·志·律歷中·賈逵論歷》中就分析了赤道和黃道在測定天體位置上的區(qū)別，“臣前上傅安等用黃道度日月弦望多近，史官一以赤道度之，不與日月同，如今歷弦望至差一日以上，輒奏以為變，至以為日卻縮退行。于黃道，自得行度，不為變。……《五紀》論‘日月循黃道，南至牽牛，北至東井，率日日行一度，月行十三度十九分度之七’也。今史官一以赤道為度，不與日月行同，其斗、牽牛、（東井）、輿鬼，赤道得十五，而黃道得十三度半；……夫日月之術(shù)，日循黃道，月從九道。以赤道儀，日冬至去極俱一百一十五度。其入宿也，赤道在斗二十一，而黃道在斗十九。兩儀相參，日月之行，曲直有差，以生進退。故月行井、牛，十四度以上，其在角、婁，十二度以上。皆不應率不行?！币簿褪钦f，單就月亮這一天體而言，依據(jù)黃道和依據(jù)赤道所測“弦望”日期及運行速度是不一樣的。對其他天體的測定自然也是如此。                                              

3.權(quán)威人士論差異                 

赤道坐標系與黃道坐標系并無直接的關(guān)系，“正如德·沙素（de Saussure，1740-1799）的名言所說：希臘天文學是‘黃道、角度、真實、周年’”；而中國天文學是赤道、時間、平均、周日’。按照某些拱極星的指引定出赤道上的標志點，系統(tǒng)觀測這些拱極星的中天，中國人從未迷失逐時變化的星座方位，因此他們能確定太陽、月亮不可見時的位置。”[7]拱極星是指恒顯圈和恒隱圈內(nèi)的星。恒顯圈內(nèi)的星總在地平圈之上，故可觀測到它們的上中天和下中天。恒隱圈內(nèi)的星，總在地平圈之下，永不上升，故看不見（見《恒顯圈圖》）。

恒顯圈圖

也就是說，赤道坐標系是依據(jù)恒顯圈內(nèi)環(huán)繞北極星的北斗星等天體的觀測來確定時間。這一系統(tǒng)有異于西方天文學的一個重要特征就是：“它是天極、赤道的，而不是行星、黃道的?！秉S道坐標系則是“觀察恒星的偕日出和偕日沒，也就是觀測黃道附近的恒星在日出前或日沒后瞬間的出沒。我們都記得古埃及著名的對天狼星的偕日觀測。進行這種觀測并不需要天極、子午或赤道等的知識，也不需要任何測時系統(tǒng)，它自然地導致人們熟悉黃道各星座，以及距黃道遠近不等的和黃道星座同時出沒的恒星?！?span lang="EN-US" xml:lang="EN-US">[8]赤道與黃道，就象兩股道上跑的車，走的不是一條路。赤道的星宿與黃道的星座，如同高速公路與普通公路的?？奎c和出站口有所不同一樣。我們不能去高速公路上尋找普通公路的停靠點和出站口，也不能去普通公路上尋找高速公路的停靠點和出站口。同理，不能去赤道坐標系的十二辰中尋找十二宮的客觀依據(jù)，也不能去黃道坐標系的十二宮中尋找十二辰的客觀依據(jù)。

對三種天球坐標系之間的差異，李約瑟先生做了如下的論述：“希臘坐標基本上是黃道的，依黃道和黃極測量恒星的位置。阿拉伯系統(tǒng)是利用地平，采用地平經(jīng)度和地平緯度，這種系統(tǒng)具有很大的缺陷，僅可用于地球上某些單個的特殊點。在中國根本沒有地平系統(tǒng)，可能僅在很晚時受阿拉伯影響才出現(xiàn)。另一方面，希臘系統(tǒng)確實在唐朝就出現(xiàn)了，當時幾位印度科學家正在中國工作；如某書中說，某星在黃道南或黃道北幾度，但這已是公元八、九和十世紀的事了。所有的文明都用過這三個不同類型中的一種或其它的坐標系統(tǒng)，現(xiàn)代天文學采用的顯然是中國式。關(guān)于這一點，我也許要對牛頓博士所作的結(jié)論表示懷疑，如果他認為所有古代系統(tǒng)最初都是地平式的。我認為，很難說中國古代天文學的情況是如此，因為在中國文化中，天極——赤道坐標的出現(xiàn)是很早的?！?span lang="EN-US" xml:lang="EN-US">[9]早到何時？據(jù)1987年河南濮陽西水坡仰韶文化遺址發(fā)現(xiàn)的M45號墓，墓中由蚌殼堆塑而成的一組包括北斗和蒼龍、白虎星象的天文圖，證實中國的赤道坐標系統(tǒng)，在距今6460±135年以前就出現(xiàn)了。因此，我們大可不必因為“如果牛頓博士有結(jié)論”的話，而有絲毫的顧忌。