《周髀算经》中有载,周公向商高提出“夫天不可阶而升,地不可将尺寸而度”之疑问,意即既无法登天去测量,亦不能用尺去丈量大地,那古人该怎样对天体进行测量?
该书记载有云:“候勾为六尺,自髀至日下计六万里,且髀处无影。自此处往上至日,则为八万里。”意即“候勾六尺”之际,观测点距无影之地(即太阳直射点)六万里,与太阳高度相距八万里。
问题在于,鉴于“天不可凭借阶石而登,地不可用尺寸去量度”,那“六万里”、“八万里”究竟缘何出现?鲜为人知的是,由于古人持有一把“量天尺”,此并非神话故事里的“量天神器”,实乃中国先民数千年智慧之凝聚,且“量天尺”与“勾股定理”相结合,古人便能对天体进行测量了。
所谓“量天尺”,实则并非是直接用于测量天体的尺子,而是古人所发现的一种天象规律,并依此展开计算。
为了把控“农时”,古人开启观象以定时刻,其中有一种方式称作“圭表测影”,也就是“表”与地面垂直,“圭”平置于地面,凭借“表影”的长短来判别季节(见下图)。且在漫长的圭表测影过程中,古人获取了“量天尺”。
据周礼所记:“日至之景长一尺五寸,此即所谓之地中。”这里的“地中”,意为大地的中央,“中国”这一名称的起源与此相关,古人将夏至日日影为一尺五寸之处视作“地中”。
然而据《周髀算经》所记,“于日中树立标杆以测日影,此一乃是天道之数。周髀长为八尺,夏至之日日晷为一尺六寸。”其后又言,“正南千里,勾一尺五寸,正北千里,勾一尺七寸,越往南日表,日晷则越长。”
关键在于,周礼言“尺有五寸”,周髀算经称“一尺六寸”,缘何二者侧重点各异,“寸影千里”是否存在验证依据?缘由实则颇为简单,即为不同地点测影所得结果,体现出政治层面“地中”的转变,当代考古使得两则记载中日影不同以及寸影千里的谜题得以揭晓,更改了我们的传统认知。
清华简《保训》载,尧舜之际因不明缘由而“恐,救中”,继而舜“乃易立势诣,测阴阳之物”,最终舜获中,然至夏朝中期,商族之上甲微(据《史记》为王亥之子)觉得舜测有误,遂上甲微“追中测影”,最终认定嵩山方为地中。
上世纪于山西临汾襄汾陶寺遗址,经考古发掘出一件木胎漆绘圭尺,当代学者于该地夏至日正午进行实测,证实了《周髀算经》“日影一尺六寸”之记载。而在嵩山区域,古往今来众多政权皆将此地视作地中,于登封告成镇构筑观星台、测影台等,可对《周礼》“尺有五寸”之说法予以印证。
显然,“一尺六寸”乃是舜于陶寺遗址所测之成果,“尺有五寸”系上甲微在嵩山测得之结果。且嵩山与陶寺遗址大致处于同一经度,二者间距离达余公里,依商周之认知水准而言(周朝一里约为米),觉得两地相隔千里亦不为怪,故而得出“影差一寸,地差千里”之论断。
于天体测量而言,“影差一寸,地差千里”堪称一把“量天尺”。
掌控量天尺之后,古人便能对天体进行测量了,而其中最为关键的方法即为勾股定理。
于漫长的圭表测影进程中,古人逐步察觉到“勾三股四弦五”这一规律,继而凭借勾股定理去度量万物。当代考古表明,起码在年前的河南濮阳西水坡遗址之际,中国先民初具立表测影之能,故而“勾三股四弦五”的规律并非陡然呈现,而是历经了漫长的探寻时期。
问题在于,在掌握勾股定理与量天尺后,古人怎样对天体进行测量,怎样测量太阳与地面之间的高度呢?依现代人的认知几乎难以做到,但依古人天圆地方的观念,此事就变得简易了。有兴趣的朋友,不妨先不看后文,自行探寻一下解法,瞧瞧怎样测得太阳距地的高度。
由于“寸影千里”之理,故而只要明晰观测点的日影长度,便能推断出观测点同太阳直射点所在之处(即髀无影之地)的间距,如此一来,“髀无影”之地、太阳与观测点便形成了一个直角三角形。(见上图,其中八尺指的是周髀长为八尺)
例如,于陶寺遗址在夏至日测到日影为一尺六寸,那么嵩山至“髀无影”之地的距离即为1.6万里。然而“勾三股四弦五”属于特殊比例,1.6万公里并未与之构成勾股比例数值,故而无法依据勾股定理算出另外两边,也就难以算出太阳距“髀无影”之处的高度。
既然这般,那古人如何为之呢?一个字,候!候至形成勾股比例数值之际再进行计算。
《周髀算经》有载:“候之勾为六尺,自髀至日下计六万里,且髀处无影。自此往上至日,则为八万里。”在影长为六尺时,观测点距髀无影之所即为六万里,依循“勾三股四弦五”,勾为六则股为八,故而“候勾六尺”之际“日高八万里”。
除了对日高予以测量之外,古人亦对北极星的高度、北极星与太阳的距离、太阳照射的最长距离(即“故曰:日照四旁各十六万七千里”所指)、宇宙的直径与周长(“四极径八十一万里,周二百四十三万里”)等等进行了测量,这些皆是基于量天尺,并运用勾股定理所计算得出。
从现代视角审视,即便寸影千里(南北朝时期便已有人提出质疑,唐僧一行得出相对精确的论断)、日高八万里之类,大体上皆为有误的结论,然而这仅是时代认知的局限所致,属于人类探寻未知的常规进程。反之,能够灵活运用量天尺、勾股定理对各类天体予以测量,体现出中国先民超凡的智慧。