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初使用一种“圆仪”来量度日月的运动，后来浑仪流行，圆仪失传。1977 年在安徽阜阳一西汉早期墓中出土了带有28 宿距度的圆盘①，可用于测量角度。这一器物的出土为研究早期的测角仪器提供了实物依据。浑象西汉末年扬雄所著《法言·重黎》里说：“或问浑天，曰：落下闳营之，鲜于妄人度之，耿中丞象之。”这里的耿中丞即汉宣帝时大司农中丞耿寿昌，他制造了一个浑象，模拟浑天的运动情况。这种仪器大体是一个大圆球，在球壳上刻着日月星辰，利用它的转动演示天象的变化。汉代最著名的是张衡制造的“水运浑象”，又叫“漏水转浑天仪”，类似今天的天球仪，利用水力来推动仪器的旋转，速度同天空的周日运动一致，所以把仪器放在室内，根据它的旋转也能知道室外的天象变化。在此基础上后来还发明了钟表。浑仪和浑象历代都有制造，从汉代以来，成了我国古代观测天象的主要仪器。① 唐司马贞《史记索隐》引《益部耆旧传》。
② 《隋书·天文志》。
③ 见《马王堆汉墓帛书〈五星占〉释文》，载《中国天文学史文集》，科学出版社1978 年版。① 阜阳博物馆等：《阜阳双古堆西汉汝阴侯墓发掘简报》，《文物》1978 年8 期。第三节圭表和漏刻时间的计量随着生产和生活水平的提高，对时间的要求也在变化，原始社会的那种日出而作、日入而息的作息制度已嫌粗疏，在殷商时代已将白天分成好几段。甲骨文中有旦、明、小采、大采、中日、昃、昏、夕等字。《左传》昭公五年（公元前537 年）条说：“日之数十，故有十时，亦当十位。”说明古代曾将一天分成十时。《隋书·天文志》在记述古代的时刻制度时说：“昼有朝、有禺、有中、有晡、有夕，夜有甲、乙、丙、丁、戊。”这可能就是一天十时，而五夜之说也许就是五更的来源。《淮南子·天文训》中有一昼夜分成十五时的记载①，而汉代的十二辰和百刻时制也相当流行②。时刻制度的发展必然伴随着测时和计时仪器的进步。
圭表甲骨文中有关时间的字大多从日字，说明测时的依据是太阳。根据太阳的运动判断一天内的时间变迁，圭表是最早使用的仪器。一根竿子立在地上，可以根据影子的长短和方向判断季节和一天内的时刻，1967 年在江苏仪征的一座东汉墓中出土了一件铜圭表，不用时可以折叠起来，像一把铜尺，使用时将圭从表的凹槽中立起，使用和携带都很方便。在圭表的基础上发展起来的日晷到汉代已做得很精细，1897 年和1932 年先后在内蒙、河南、山西出土了三块秦末汉初的晷仪③，上有69 条刻线，占盘面的2/3，其余部分没有刻线，当为黑夜见不到日影的部分。三块出土地点不同，而其结构和所刻字体都相同，这表明秦汉时圭表和晷仪已很流行。
漏刻作为计量时间的仪器，漏壶是最早发明的。古籍载：“漏刻之作，盖肇于轩辕之日，宣乎夏商之代。”①这可能是一种传说。较可靠的资料见于《周礼·夏官》，其中载有挈壶氏，由于古代的漏壶上面有一个提梁、故称挈壶，挈壶氏“掌挈壶，。。以水火守之，分以日夜”。西汉以前的漏壶现在未见实物，传世最早的漏壶为西汉时制，1958、1967、1975 年分别出土于陕西兴平、河北满城、内蒙古默特右旗，都是铜铸圆柱状，上有提梁，下有漏嘴，梁上方有小孔，是插刻箭的。为了改进单壶漏水不均匀的缺点，东汉时代开始用二级漏壶，以便互相补偿，如张衡的漏水转浑天仪。经过秦汉时代的发展和创造，圭表、仪象、日晷、漏刻等天文仪器得到很大发展，并已普遍使① 名称是：晨明、胐明、旦明、蚤食、晏食、隅中、正中、小还、铺时、大还、高舂、下舂、悬车、黄昏、定昏。
② 阎林山、全和钧：《论我国固有的百刻计时制》，《天文参考资料》1977 年4 期。③ 李鉴澄：《晷仪——现存我国最古老的天文仪器之一》，《科技史文集》第一辑，上海科技出版社1978年版。
① 《初学记》卷二十五。
用，这些仪器构成了我国二千年间用于天文观测和时间工作的主要仪器系列。
第四节宇宙论关于宇宙结构的学说关于宇宙结构的学说，汉代出现了浑天说与盖天说的争论。在秦汉之前，盖天说比较盛行。自古以来，人们看见苍天笼罩着大地，产生了天圆地方的盖天说，而春秋时的曾参就曾提出疑问：“天圆而地方，则是四角之不揜也。”①后来盖天说又认为天不与地相接，而像圆顶凉亭那样由八根柱子支撑着。诗人屈原曾问道：“斡维焉系，天极焉加，八柱何当，东南何亏。”公元前一世纪成书的《周髀算经》中提出“天象盖笠、地法复盘”的新盖天说，认为天在上，地在下，天地相盖，二者都是圆拱形，中间相距八万里，日月星辰随天盖旋转，近见远不见，形成了昼夜四季变化。
汉代，另一种学说浑天说兴起，认为“浑天如鸡子”、“地如鸡中黄”。以著名天文学家张衡为代表的浑天派提出天是一个整球，一半在地上，一半在地下，日月星辰有时着不见是因为它们随天球转到地下面去了，天球绕轴转一圈就是一昼夜，地面上的人就看见天上的星星转了一周天。这种看法成功地解释了昼夜的交替、天体的东升西落和其他许多问题。同浑天说一致的浑仪又能很准确地测定天体位置，浑象能演示天象的变化，这一切对历法的推算既有用又方便，所以浑天说得到很快的发展并为大多数人们所接受，成为我国天文学思想中长期占统治地位的体系，直到明末西方天文学体系进入我国才开始改变。
值得提到的还有一种宣夜说。宣夜说打破了浑天说认为天象鸡蛋壳式的有限概念，蕴涵着宇宙无限的思想。东汉时代的郗萌记道：“天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也。。。日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止皆须气焉。是以七曜或逝或住，或顺或逆，伏见无常。进退不同，由乎无所根系，故各异也。”①这是元气学说在天文学上的运用，反映了宇宙无限思想和朴素唯物主义认识论。
关于宇宙生成和天体演化学说关于宇宙生成和天体演化学说，在秦汉时期也产生了比较系统的理论。
《淮南子·天文训》和张衡《灵宪》都认为，天地还没有形成的时候是一片浑沌，而“道”始于虚廓，虚廓生宇宙，宇宙生气；在天地形成过程中，元气中的“清阳者”稀疏向上成天，“重浊者”凝滞向下为地，于是形成上天下地或外天内地；天地精气分为阴阳，阴阳精气形成四时、水火，继而产生日月星辰和万物。这种虚物创生的观点和宇宙万物是物质的和运动变化的思想，在中国古代思想界和科学界有着长期的影响。
① 《大戴礼记·曾子·天圆》。
① 见《晋书·天文志》。
第五节天象记录、天文学家和天文典籍天象记录秦汉时代对天象的观测和研究也有重要进展，天象记录日趋详备。如征和四年（公元前89 年）日食，在《汉书·五行志》中对于发生日期、太阳方位、食分、亏起方向、初亏及复圆时刻等，都记载得十分清楚。《汉书·天文志》、《五行志》等所载西汉河平元年（公元前28 年）关于太阳黑子的记录（成帝河平元年“三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央”），西汉建始元年（公元前32 年）关于极光的记录，西汉元光元年（公元前134年）和东汉中平二年（公元185 年）关于超新星的记录，都是世界上有确切时日记录中最早的一批。1973 年长沙马王堆出土的《五星占》和《彗星图》又一次提供了汉初天文学发展情况的重要资料。
天文学家秦汉时期是天文学人才辈出的时代，涌现出众多的成就卓著的天文学家和精通天文历法的学者。如张苍、司马迁、邓平、落下闳、耿寿昌、刘歆、编䜣、李梵、苏统、贾逵、张衡、刘洪、郗萌等，他们在天文理论、天象观测、制订历法、研制仪器等许多领域作出了杰出贡献，推动了天文学的发展。落下闳，字长公，巴郡阆中（今属四川）人，明晓天文地理，隐于落下，是一位民间天文学家。汉武帝时，经友人荐举，征聘为待诏太史，后拜侍中，辞不受。曾与邓平、司马迁等创制《太初历》，还曾制造浑仪并在阳城（今河南登封）用于观测。贾逵（30—101），字景伯，扶风平陵（今陕西咸阳西北）人，也是东汉时的著名经学家。曾任左中郎将，侍中领骑都尉。在章帝元和二年（公元85 年）至和帝永元四年（公元92 年）间，与编䜣、李梵等人集体修订东汉四分历，肯定了李梵、苏统发现的月亮视运动的不均匀性，并指出月行速度最大的位置每个月向前移动三度，从而认识到现代所谓的近点月和近地点的进动。他还主张量度日月运行采用黄道度数比较精确，并倡议制造黄道铜仪。刘洪，字元卓，山东蒙阴人，是我国古代杰出的天文学家之一。曾任校尉、郎中、常山长史、会稽东郡都尉、山阳太守等官职。他所创制的《乾象历》是一部优秀历法，曾在三国时的吴国颁行。刘洪在太阳运动、月亮运动和交食研究等方面都取得了重大成就，对后世天文历法的发展产生了深远的影响。例如，他最早把月亮视运动不均匀性引进历法，并确定出相当精确的近点月日数和一个近点月内每天的月亮实际所行度数；首次给出黄道与白道交角值为古度六度一分；改进了回归年和朔望月数值；用月亮的实际运动修正平朔和平望，得出定朔和定望，从而更准确地推算日月食；最早提出交食食限概念，并给出具体的食限数值为十五度半，这在交食预报上是个重要发明；他所提出的新的交食周期值和各种天文数据表也是当时世界上的先进成果。他曾与著名学者蔡邕一起续补《汉书·律历志》。张衡（78—139），字平子，河南南阳人，精通天文历法、仪器制造、地理、数学、文学和绘画，是中国古代最杰出的科学家之一。曾担任主簿、郎中、侍中、河间相、尚书等官职，并两度出任太史令，前后共14 年。张衡曾创制世界上最早的自动运转的天文演示仪器水运浑象和世界上第一架测定地震的仪器候风地动仪，据记载，地动仪成功地记录了顺帝永和三年（公元138 年）在甘肃发生的一次强震。在天文理论方面，他是浑天说的一位杰出代表人物，对于宇宙结构、宇宙无限性、天体演化、日月五星运行规律、月食成因以及陨星和彗星等，都有相当精辟的论述。在历法问题上，他提出了黄道宿度与赤道宿度互相换算的较好的计算方法，对后世历法有很大影响。张衡重视实践，勤于观测，曾对恒星进行了长期的观测和统计工作，把星空划分成444 个星官，记录了两千五百余颗恒星，这个成果在相当长时间内是很先进的。张衡在数学和地理学方面也都很有研究，他在文学方面也很有成就。本卷丁编第三十二章张衡另有传。
天文学典籍汉代出现了我国流传至今的第一本天文学著作《周髀算经》，而在司马迁《史记》和班固《汉书》中有关天文历法的章节，是第一批重要的天文学典籍。它们既总结了秦汉以前天文学的发展情况，又开辟了此后天文学发展的道路。《史记·天官书》、《历书》的编写，为此后廿四史中天文、律历诸志作了楷模。此外，汉代科学家张衡的《灵宪》、《浑天仪图注》都对以后的天文学发展产生了重大影响。秦汉时期是我国传统天文学发展的重要阶段。
第六节气象气象与生产气象与生产关系密切，在秦汉时代已成为政府部门关心的问题，湖北省云梦县出土的秦简中记载：“稼已生而后雨，亦辄言雨少多，所利顷数”①。至汉代明文规定：“自立春至立夏尽立秋，郡国上雨泽。”②在除开冬季之外的农业生产季节里，为了上报雨量多少，必定要有计量的器具，但至今还未发现秦汉时代有关的记载和文物。宋代有“天池测雨”和“竹器验雪”的计算题，其渊源可能是很久的。
测量气象的仪器关于测风的仪器在汉代已有多种记述。一种是“伣”，此字在甲骨文中就有，《淮南子·齐俗训》记载：“伣之见风，无须臾之间定矣！”这可能是用帛或鸟羽系在竿子上，见风飘动，以示风向的仪器。还有一种叫“綄”，后汉高诱曰：“綄，候风者也，世所谓五雨。”这可能是同“伣”类似的仪器。还有一种是“相风乌”，据《三辅黄图》记载，“汉灵台，在长安西北八里。。。郭延生《述征记》曰：长安宫南有灵台，高十五仞，上有浑仪，张衡所制。又有相风铜乌，遇风乃动”，“上下有转枢，向风若翔”。这种风向标做成乌鸦形，头小尾大，遇风转动，乌鸦头即指向风来的方向。李约瑟认为，“上下有转枢”这句话暗示风向标跟下层的转动机件相连，可能附着有记录风速的器件，这是风速计的先驱①。此外，《淮南子·天文训》中还把风分成八种，指出了它们的季节性。
另一种气象仪器是测量空气湿度的。在天平的两端分别置土和炭，因木炭的吸湿性大于土，当空气干燥时，木炭里的水分很容易蒸发掉而变得轻，当空气湿度增大时，木炭吸收空气中的水分而变得重，所以结论是“燥故炭轻，湿故炭重”①，这可算是最早的湿度计了。羽毛也有类似于木炭的性质，故同书《说山训》又说：“悬羽与炭而知燥湿之气。”琴弦的紧张程度也同空气的燥湿有关，这一现象在《淮南子》中也有发现。《本经训》说：“风雨之变，可以音律知之。”为什么呢？因为“天且雨，琴弦缓”②。燥湿程度能影响琴弹出的音调，这一现象也是后代制造毛发湿度计的依据。
唯心主义者对气象的曲解西汉初年，董仲舒倡导的“天人感应论”逐渐流行，这种唯心主义的观念利用天文气象等自然现象附会于社会政治和人民的命运，阻碍了学术问题的探讨。汉代许多学者如司马迁、桓潭、张衡、王充等人对此进行了有力的① 《睡虎地秦墓竹简》，第24 页，文物出版社1978 年版。
② 《后汉书·礼仪志》。
① 李约瑟：《中国科学技术史》（中译本），第四卷第742 页，科学出版社1975 年版。① 《淮南子·天文训》。
② 《论衡·变动》。
批判。他们指出自然现象的变化，天下常有，无世不然，有规律可循，决没有神的意志在故意作成。如打雷也有规律：“正月阳动，故正月始雷；五月阳盛，故五月雷迅；秋冬阳衰，故秋冬雷潜”③，反对“夏秋之雷为天大怒，正月之雷为天小怒”的说法。又如下雨也是有征兆有规律的，“云气发于丘山”，“云散水坠，名为雨矣！夫云则雨，雨则云矣！”“云雾，雨之征也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪，雨露冻凝者，皆由地发，不从天降也。”这些认识既加深了对自然的了解，也为破除迷信，反对唯心主义的“天人感应论”提供了武器。
③ 《论衡·雷虚》。
第四十五章地理学第一节秦代图籍秦朝虽然只存在15 年，但在全国统一的政治形势下，筑长城，修驰道，开运河等，重大工程接连不断。这些工程都需要地理知识，也促进了地理学的发展。如秦朝的水系著作《水经》①，比只记述9 条河流的《禹贡·导水》篇有很大的进步。秦朝《水经》全文近500 字，描述26 条水道的发源地、流向和归宿。叙述的基本地理事实与《汉书·地理志》及汉代《水经》没有矛盾。所记水道分布范围，大体与秦的疆域相当。
秦朝有各类地图，只是没有保存下来。刘邦入咸阳，萧何深知地图的重要性，故“独先入，收秦丞相御史律令图书藏之”。后来“沛公具知天下厄塞，户口多少，强弱处，民众疾苦者，以何得秦图书也”②。《汉书·地理志》中，曾两次提到秦地图，这种地图可能是秦朝的全国性地图。
① 这是后人的命名，附于《山海经·海内东经》篇末。见周振鹤：《被忽视了的秦代〈水经〉》，《自然科学史研究》第49—53 页，1986 年1 期。
② 《汉书·萧何传》。
第二节《史记·货殖列传》和《大宛列传》两汉地学的代表著作是《史记》、《汉书》等历史著作中的有关列传、书、志，及马王堆出土的地图。对地学作出过重大贡献的人物则是张骞、司马迁、班固、班超、张衡等。这些人，都在本卷丁编分别有传，这里只重点地另行论述有关地理学本身的部分。
《史记·货殖列传》司马迁的《史记·货殖列传》是我国第一部经济地理著作，叙述我国各地区的人口、经济、物产、交通、贸易、城市以及各地的地区差异。他把全国分为四