唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

公元前3世纪,被誉为“西方地理学之父”的希腊学者埃拉托色尼在测算地球周长时,曾估算出子午线(1度相对地表弧长),从而引来无数人赞誉。不过,埃拉托色尼对于子午线毕竟只是估算,而非实测。

直到公元724年,唐代僧一行才率先实测出子午线,这比阿拉伯著名天文学家阿尔·花剌子模还要早上90年。按理来说,测出子午线后,便不难测算出地球周长;可奇怪的是,中国到了明代以后,仍没有人测算出地球周长,这又是为什么呢?

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 一行(公元673年~公元727年),唐朝僧人。中国唐朝著名天文学家和释学家,本名张遂

一、地球子午线是怎么测量的?

要解决这个问题,需要先了解僧一行实测过程的本末。

僧一行,本名张遂。《大唐新语》以及一些史书说他是初唐名将、位列凌烟阁二十四功臣之一的张公谨之曾孙(一说支孙)。或许是因为这个出身,则天大圣皇帝之侄武三思才会极力拉拢张遂。

然张遂志不在此。为躲避武三思,他逃往嵩山削发为僧,并更名为一行。无奈的是,僧一行终究未能摆脱做官的命运。唐玄宗即位后,强行征召僧一行前往长安,令其主持新历的编修工作。

按照惯例,修订历法需要不少天象数据进行参考。于是,在唐玄宗开元十二年(724年),僧一行带领众人正式开始了他的“大地测量”工程。

为此,僧一行还发明了一种名为“复矩”的新型测量工具,用以“定表样,并审尺寸”。只可惜,史书并未记载“复矩”的式样。

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 唐玄宗李隆基(685年9月8日—762年5月3日)

在这之后,僧一行便安排众人分别前往全国各地进行实测,其中包括太原、武陵、襄阳以及更为遥远的铁勒回纥部(今蒙古国境内)共计13处测量点。

测量队赶赴现场后,分别在冬至与夏至时分实测了当地的日影长度与北极高,并及时将这些数据汇总,“回日奏闻”。僧一行收到后,“以南北日影较量,用勾股法算之”。

为了便于比较和测算,南宫说小队沿用隋代刘焯的计划,于黄河两岸的平原地区分别选取了渭州白马、汴州浚仪太岳台、许州扶沟以及豫州上蔡武津馆(四地差不多在同一经度上)作为测量点,最终得出的结论为:南北“大率三百五十一里八十步,而极差一度”。

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 南宫说小队在黄河两岸的平原地区选取的四处测量点数据

按唐例,五(唐)尺为一(唐)步,三百(唐)步为一(唐)里;而一周天又为365.25(唐)度,再换算成现代单位,即可得出:地球上子午线1度相对地表弧长为129.2公里。

此结论虽然与现代(1度相差约111.2公里)有些差距,但它毕竟是最早通过实测得出的数据。只不过,僧一行能测出子午线,有部分“机缘巧合”,因为他当时并没有意识到“子午线”的存在。

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 高僧观棋图(僧一行为观棋者)

二、僧一行的主要目的是什么?

上文已经提及,促使僧一行组织这场“大地测量”的直接原因,就是为修订历法。范文澜先生也说过:“一行在制造‘黄道游仪’的同时,又造‘覆矩图’,开始实测九州晷影和北极高度,以定各地食分的多寡和南北昼夜的长短。”

不过,僧一行等人还有一个重要目的,那就是打破当时人们在传统认知上的“障碍”。

须知,具有典型意义的“黄河两岸平原测量计划”,原本出自隋代刘焯之手。而他之所以提出这个计划,主要目的是为了证明流传已久的“寸差千里”之说不可信。

这个说法,起源于《周髀算经》。此书相当古老,大约成书于公元前1世纪;再加上它托名为周公所著,因此后世不少人都对书中内容无比笃信。因此,《周髀算经》在唐初时,还是国子监的主要教材之一。

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 《周髀算经》原名《周髀》,算经的十书之一,是中国最古老的天文学和数学著作

书虽老,却不见得都是真理。据《周髀算经》记载:“周髀长八尺,夏至之日晷一尺六寸。……正南千里,勾一尺五寸,正北千里,勾一尺七寸。”

每隔千里之地,日晷影长便相差一寸,这个说法一度流行上千年。直到南朝刘宋时期,有人才通过实测发现了“寸差千里”说的错误。至梁朝,已有人得出“二百五十里而影差一寸也”的结论。

又据《隋书·天文志》记载:“(刘)焯(计划)请一水工并解算术士,取河南北平地之所,可量数百里……随气至分,同日度影。得其差率,里即可知。……不用。至大业三年,敕诸郡测影,而焯寻卒,事遂寝废。”

不难看出,南宫说等人的测量方法,正是采取了刘焯的计划。然而,这几位先辈还是都被带“偏”了,他们误以为:日晷影差与两地距离是成正比的。

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 日晷 结构图

好在,僧一行等人通过大量实测数据,已得出了“凡日晷差,冬夏至不同,南北亦异”的结论。为此,僧一行乃“修大衍图,更为《覆矩图》,自丹穴以暨幽都之地,凡为图二十四,以考日蚀之分数,知夜漏之短长”,从而为当世的生产生活带来了一场理论的“革新”运动。

由此可见,僧一行的“大地测量”虽然不是直奔子午线而去的,但他的确得出了“北极高相差一度,地面距离相差351(唐)里又80(唐)步”的结论。

按唐制,一个周天为365.25度。既然已求出了子午线的一度,那么只要再乘以圆周的度数,地球周长便迎刃而解了。令人扼腕叹息的是,僧一行自始至终都未曾踏破这临门一脚,这又是为什么呢?

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 埃拉托色尼,被西方地理学家推崇为“地理学之父”

三、中国是如何错过这一机会的?

显然,僧一行尽管实测出了子午线,但他本人只是发现了这种规律,并没有意识到子午线的存在意义。这是因为:古代天文学中尚未出现明确的地球概念,以致于世人不知道,地球其实就是个“球”。

而埃拉托色尼当年能估算出地球周长,便是受到了“地圆说”思想的指导。当时,他们已通过极高变化这一现象,联想到了地球的球形状态。

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 浑天说示意图

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 古代天圆地方之说

反观中国古代,却陷入到“盖天说”“浑天说”“宣夜说”中,要么认为“天平地平”,要么认为“天曲地曲”或“天地之间有一方为曲”。

此外,“浑天说”中的一个分支曾认为:“浑天如鸡子。天体如弹丸,地如鸡子中黄,孤居于内,天大而地小。”这种说法显然更接近“地为球形”的事实,但可惜的是,它主要解释了天体形状,并未进一步说明大地形状。

及至元代,阿拉伯人札马鲁丁才将“地圆说”传入中国;到了明初,吴伯宗还将一些先进的天文知识翻译到了国内,可“地圆说”仍未引起较大反响;直到晚清时期,国内才逐渐认识到“地球”的概念,但也更多是出自于政治上的考量。

唐代就有人测出子午线,为何到了明代,还没人算出地球周长呢

上图_ 地圆说表述图

这个事实虽然让人惋惜,但僧一行的“大地测量”,还是有很大积极意义的。他虽未曾测算出地球周长,但却真正打破了“寸差千里”的谬论,并对当时的生产生活产生了深远影响。

难怪,英国学者李约瑟会将此次测量活动称为“科学史上划时代的创举”。

作者:瀛洲海客 校正/编辑:莉莉丝

参考资料:《周髀算经》《隋书》《中国通史简编》《我国历史上第一次天文大地测量及其意义——关于张遂(僧一行) 的子午线测量》

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