康熙六年(1667),剛剛親政不久、14歲的康熙帝曾召見還處於軟禁中的南懷仁,向他討教天文曆法知識。康熙提出了一個問題:"法合天與否,有何明顯的據?"即判斷曆法準確與否,其依據是什麼?南懷仁認為,曆法"合天與不合天,從古以來皆以測驗為依據"。南懷仁提議,用推算日影長度的方法來驗證曆法準確度。
此後,南懷仁掌管了欽天監,一直到道光時期,欽天監負責人都是精通天文學的西洋人掌管。
一名“理工男”的養成
康熙帝熱衷西學,曾命張誠(Jean-Francois Gerbillon,法國人)、白晉(Joachim Bouvet,法國人)、徐日升(Thomas Pereira,葡萄牙人)、安多(Antoine Thomas,比利時人)等傳教士每日輪班進宮,系統地為其講授西方科學知識。
1 《幾暇格物編》(石印本),清,現藏故宮博物院。此書是康熙皇帝在政事餘暇,學習、研究、考察自然科學、文化現象的短篇文集,涉及天文、地理、生物、農業科學實驗等內容,每篇都包含康熙皇帝的個人見解;2 銅鍍金綜合算尺,清康熙,現藏故宮博物院;3 地球儀,清康熙,現藏故宮博物院。康熙帝熱衷西學,令傳教士每日輪班進宮,系統地為其講授西方科學知識
首先進講的是《幾何原本》。每天早晨,傳教士白晉、張誠等人就來到宮中,在皇上用餐的地方進講。白晉、張誠口授講稿,康熙認真聽講,反覆練習,親手繪圖,有不懂的地方立即提問。康熙為了更深入瞭解歐幾里得的幾何學,命人將明末的《幾何原本》漢譯本翻譯成滿語,並讓傳教士學習滿語。因此張誠在日記中寫道:"他閱讀了我們用韃靼文(即滿文)寫出的定律,令我們解釋給他聽。皇上在透徹理解之後,把我們所講,親自動筆寫了一遍,竟與我們的口授相符,只有名詞和文理稍微變動。"
瓷青紙簡平星盤儀,清康熙,直徑 32.2 釐米,現藏故宮博物院
學習這些幾何知識後,康熙很快愛上幾何,他最喜歡的是用儀器進行測距,年紀與今天中學生相仿的康熙帝是這樣學習數學應用題的:他先測量一物體長度,再命人將此物體拿到遠方,由他使用測距儀器,對此物體與自己的距離進行估算。為驗證自己的計算準確與否,他又讓人拿著木杆和繩索,當場土法測距,結果往往與計算數值非常接近。每做對一道這樣的應用題,少年康熙都會非常興奮。幾年後,在乾清門聽政時,康熙帝就當眾向大臣演示了南懷仁當年技驚四座的日影推算和檢驗方法,藉助日晷表,在乾清門內廣場上畫出了當天正午的太陽陰影所在位置。到了正午,"日影與御筆畫處恰合,毫髮不爽",在場的滿漢官員當場奏曰:"臣等今日仰承聖訓,得聞所未聞,見所未見,不勝歡慶之至",其實什麼聞所未聞、見所未見,他們明明幾年前就見南懷仁演示過。
康熙的西學功力大增,曾親自主持過天文測量,也熱衷於教授官員幾何與測繪知識,還組織傳教士和中國學者採用西法在全國範圍內進行大地測量,繪製了《皇輿全覽圖》。康熙帝還自稱"常留心格物之學",對自然現象充滿好奇,自然留心西學,信任傳播西學的傳教士。
南懷仁的六大儀器
南懷仁主持欽天監後,為解決現有明代儀器的誤差問題,親自設計督造天體儀、赤道經緯儀、黃道經緯儀、地平經儀、象限儀和紀限儀等6件大型天文儀器,被視為我國古代首批中西結合的天文儀器。這批儀器都是成噸重的大傢伙,南懷仁借鑑了第谷·布拉赫(Tycho Brahe)在其著作《機械學重建的天文學》中的設計。
第谷是丹麥人,是望遠鏡用於天文觀測前,純肉眼觀測時期數據最準確的天文學家。1576年,丹麥國王弗雷德裡克二世(Frederick II of Denmark)將汶島賜予他作為新天文臺臺址,並許諾他一筆經費。於是,第谷在丹麥與瑞典間的汶島開始建立"觀天堡",並在這裡設置4個觀象臺,配備齊全的儀器,直到1599年,第谷在這裡工作20多年,取得一系列重要成果,創制大量的天文儀器。
南懷仁參考第谷的創制,為觀象臺配置了六大儀器:天體儀用於演示星體在任一時刻位置;赤道經緯儀用於測量天體的赤道經度及真太陽時;黃道經緯儀用於測量天體的黃道經度、緯度,隨之利於測定二十四節氣;地平經儀用於測量天體的地平經度;象限儀用於測量天體的地平高度或天頂距;紀限儀用於測定60°內任意兩顆天體角距離和日、月的角直徑。南懷仁所設計的六件天文儀器,以天體儀為核心,安放在觀象臺南側正中,其左為赤道儀,其右為黃道儀,再次為地平經儀和地平緯儀(象限儀),最後為六分儀(紀限儀)。
位於北京古觀象臺臺頂的赤道經緯儀。赤道經緯儀設計上參考了 16 世紀歐洲著名天文學家第谷的天文儀器。儀高 3.380 米,主要用來測量天體的赤道經度和緯度以及真太陽時
地平經緯儀,康熙五十二年至五十四年(1713—1715),由德國傳教士紀理安監製。儀重7368 千克,儀高 4.125 米,現位於北京古觀象臺臺頂,主要用來測天體方位角和地平高度。為製造這臺新儀器,元代郭守敬創制的簡儀被其當作廢銅熔化
南懷仁主導思路是專器專用,用專門的儀器來測量特定的天文數據,以修正、編訂曆法。中國古代天文儀器長期是一器多能,代表就是渾儀,這是我國古代測量天體的儀器,其理論基礎是古代"渾天說"原理,現藏江蘇南京紫金山天文臺內的明代渾儀由六合儀、三辰儀、四遊儀和窺管等部件,以及升龍、整雲、水跌等支承附件組合而成。整個儀器分為內、中、外三層,力求在一個圓心內同時呈現多個天文數據用於觀測,十分複雜。銅環的層層疊扣已經達到了遮擋觀測視線的程度,還何談精度?郭守敬的簡儀,其思路就是簡化渾天儀,將其部分功能分到周邊,南懷仁的思路也與之有相通之處,這對於觀測當然是有好處的。但缺點是儀器過多分工過細,會使原先用一架儀器便容易測得的數據,要換用幾架新儀分別求測,不僅費時費力,也容易導致附加誤差。
也有人推測剛剛經歷過大獄的南懷仁,通過大造新儀器來徹底堵死反對派反撲的可能。這幾件儀器佔地面積著實不小,把觀象臺頂原本不大的空間完全佔滿,舊有的明代渾儀、簡儀在臺頂沒處擱,愣是被抬下觀象臺,置於臺下平地上,此後不再用於觀測。儀器都放在平地了,都是十幾噸的純銅傢伙,就算有能耐再抬上去,觀象臺已經佔滿了,安放儀器的地方也沒了,這下反對西法的保守勢力哪怕想要反撲,還拿什麼觀測?到康熙晚年,傳教士紀理安(Kilian Stumpf,德意志人)又監製了地平經緯儀,放在觀象臺臺頂,主要用來測天體方位角和地平高度。為製造這臺新儀器,元代郭守敬創制的簡儀被其當作廢銅熔化,現保存在南京紫金山天文臺的簡儀是明代正統二年(1437)的複製品,這不能不說是中國傳統天文學文物的重大損失。
南懷仁除將湯若望的天文曆法進一步編訂外,還在三藩之亂時替清軍鑄造大炮。康熙帝看南懷仁大炮造得好,一下子讓他做了工部右侍郎,這可是二品大員。南懷仁還曾用漢語編寫地理書《坤輿圖說》,已經涉及歐洲和美洲的人文地理,並描繪了各地珍禽異獸形象,被收藏於內府。康熙晚年,由於所謂的中國禮儀問題,天主教遭到禁止。不過,晚年的康熙愛上了西班牙加納利群島的葡萄酒,曾傳諭地方官員,如果西洋人進貢洋酒,需要由洋人親自用火漆封印,馬上送往朝廷,不許別人偷嘗。
《黃道總星圖》,清雍正,戴進賢(IgnatiusKgler),現藏法國國家圖書館。此圖以黃極為中心,以外圈大圓為黃道的二幅南北恆星圖,以直線分為十二宮,邊列宮名,節氣隨之,星分六等
大型青銅古典天文儀器的最後傑作
曾有一葡萄牙傳教士穆敬遠(P.Jean Mourao)參與了康熙晚年的九子奪嫡事件,可惜站錯了隊,支持後來成為"塞思黑"的九阿哥胤禟,那自然是沒什麼好果子吃。有這些事情的刺激,雍正也繼承了康熙晚年的禁教政策,但在宮廷中仍然保留了西洋人的位置,還戴上了西洋進貢的眼鏡。雍正在宮中看到康熙時代留下來的西洋溫度計、望遠鏡、玻璃鏡之類,有些不認得的,就讓傳教士進宮來"認看"。有些東西,雍正覺得"甚好",然後交給內務府造辦處仿製,並把上面的西洋字改成中文。雍正元年(1723),耶穌會士戴進賢(Ignatius Kgler,德意志人)創作《黃道總星圖》,以黃極為中心,以外圈大圓為黃道的二幅南北恆星圖,此圖以直線分為十二宮,邊列宮名,節氣隨之,星分六等,它參考南懷仁的《靈臺儀象志》,但又有補充。在這二幅圖內,戴進賢還描繪了蛾眉相時的金星、太陽黑子、木星的條斑和四顆衛星、土星環與五顆衛星、火星的黑暗表面及月面圖等現象,這包括了伽利略(1564-1642)、喬凡尼·多美尼科·卡西尼(1625-1712)、克里斯蒂安·惠更斯(1629-1695)等人的天文發現。
到了愛寫詩的乾隆,對西學的興趣就更淡了。他有一首詩是這樣寫的:"皇祖精明勾股弦,惜吾未習值髫年,而今老固難為學,自畫追思每愧旃。"說的是爺爺康熙帝西學水平高,自己小時候沒有好好學習,現在年紀大了,感覺很慚愧。數學這件事很大程度上的確是童子功,即使到了今天,大部分人的數學巔峰水平也就是高三那年。乾隆此時已經年邁卻還沒學過最多相當於初中程度的勾股弦,這數學水平就更提不起來了,在缺乏基本數學修養的前提下,乾隆本人的天文學素養肯定無法與康熙相比。
在康雍乾三代,欽天監長期由西洋傳教士主持,戴進賢后來就當上了欽天監監正。明末編成的《崇禎曆書》與康熙時編的《曆象考成》,都採用了第谷體系,這是一個並不贊同哥白尼日心說的舊天文體系。第谷還只能用肉眼觀測天體,而到了乾隆年間阮元都能對著望遠鏡望月寫詩了。西方的現代天文學在觀測、理論方面的進步更加突出,開普勒提出的橢圓運動三定律,顛覆了第谷體系,雍正年間用第谷的方法推算日食已不太精確,於是有《曆象考成》之作,以欽天監監正戴進賢、徐懋德(Andre Pereira,葡萄牙人)與漢人梅珏成、何國宗、蒙古旗人明安圖等負責考測推算,乾隆七年(1742)書成,採用了開普勒(Johannes Kepler)、艾薩克·牛頓(Isaac Newton)、卡西尼(Jacques Cassini)等人的成果。
璣衡撫辰儀,儀重 5145 千克,儀高 3.379 米,現位於北京古觀象臺臺頂。乾隆九年(1744),乾隆皇帝到觀象臺,看到臺上的儀器都是西洋的構造和制度,遂下令欽天監按照渾儀的制度、西法的刻度鑄造一架中西合璧的新儀,璣衡撫辰儀被譽為“大型青銅古典天文儀器的最後傑作”
康熙初年南懷仁監製的天體儀、赤道經緯儀、黃道經緯儀、地平經儀、象限儀和紀限儀,康熙末年紀理安監製的地平經緯儀,到了乾隆年間,戴進賢創制的璣衡撫辰儀,幾代耶穌會士結合當年西洋天文學成果製造的大型天文儀器,在觀象臺矗立多年之後,迎來又一批西洋人。這是19世紀末的一批西洋旅行者,他們把觀象臺的儀器照片傳回西方,甚至傳到1889年的世界博覽會上。1900年,八國聯軍侵入北京,德、法兩國侵略者曾把這8件儀器連同臺下的渾儀、簡儀平分,各劫走5件。法國將儀器搬到法國使館,在1902年歸還觀象臺。德國則將其運至波茨坦宮展出,在第一次世界大戰後,根據凡爾賽和約規定,這批天文儀器於1921年被裝運回國,重新安置在觀象臺上。
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