世界最早的天文觀象臺
——陶寺觀象臺及其可能的觀測年代

李 勇

(中國科學院 國家天文臺,北京 100012)

世界最早的天文觀象臺
——陶寺觀象臺及其可能的觀測年代

李 勇

(中國科學院 國家天文臺,北京 100012)

2005年在山西襄汾陶寺鎮發現了世界上最早的天文觀象臺遺址——陶寺觀象臺,它呈扇形結構,主要由 1個觀測點和東側的 12條觀測縫組成。為考察其作為古觀象臺的必要條件,借鑒現代實測方式,采用計算機系統對其在BC 3000—BC 1000年間作日切山頂的模擬觀測,結論是該觀象臺可能的觀測年代應早于BC 1500年,且最佳觀測年份為BC 1956年,12條縫能觀測 21次,平均每縫的觀測誤差為 0°.11,最大誤差 0°.7。觀測日期與鄰近節氣的平均誤差為 4.5日。指出：觀象臺的觀象目的可能是對陶寺文化中特定的時節 (也許是處于萌芽狀的節氣)進行觀測,亦或用以提供進行祭祀等重要活動的時刻。但由于該遺址的地表部分不存,已知信息有限,故難作準確推論。

考古天文學 陶寺 觀象臺遺址 觀測年代

0 引 言

2005年,考古工作者在中國山西省發現全世界最古老的天文觀象臺遺址——陶寺觀象臺。據初步認定,該觀象臺形成于公元前 2100年的原始社會末期,它比中美洲的瑪雅天文臺遺址還早千年,比英國索爾茲伯里 (Salisbury)平原上的史前巨石陣觀測臺還要早近 500年,這可能是世界上最早的天文觀象臺。

經中國社會科學院考古研究所組織,筆者于 2005年 10月 22日到陶寺遺址現場考察,24日參加了在中國社會科學院召開的“陶寺城址大型特殊建筑功能及科學意義論證會”。會前考古隊準備了相關材料[1—2],包括 2年的模擬實測數據和先期的天文年代研究[3—4]。會上 10余位天文學者暢所欲言,席澤宗院士指出：“以往我們的天文考古研究主要是研究與天文有關的出土文物,缺乏西方那樣對史前天文遺址的研究。陶寺天文觀測遺跡的發現,是中國考古天文學的真正開端”[5]。

古有“堯都平陽”及陶唐氏之說,今在山西臨汾一帶,更有研究者認定堯都就位于今天的陶寺遺址,故對陶寺城址大型特殊建筑的天文功能作深入研究很有必要。筆者“基本認同 IIFJT1的功能為兼觀象授時與祭祀為一體的建筑,它極可能是用于觀測某天體(諸如太陽)所處特定位置 (方位)時進行祭祀活動的場所,但其具體的天文功能尚需進一步詳加論證?！蓖瑫r還提出：“就現有工作看,有待補充一個更為詳細而專業的天文論證報告,以保證 4000年前的陶寺地區的確可以實現所設定的天象觀測?，F代實測固然重要,它能積累數據、獲取精度,但無疑古代的模擬觀測更為重要?？上驳氖?現代的計算機完全能勝任并完成這一復雜工作。盡管古今觀測必存差異,但當時的觀測卻更具意義,只有這樣才可進一步討論其觀象功能的細節”[5]。2007年《山西襄汾縣陶寺中期城址大型建筑 IIFJT1基址 2004～2005年發掘簡報》發表[6],相關數據正式出版,筆者的這一計劃才得以實施。

觀測天象、制定歷法是華夏文明誕生的重要標志?？紤]到由于該建筑地表部分不存,不確定因素和可供想像的空間都較大,本文僅立足于考察其作為古天文臺的必要條件,著力復原古代的觀測情況,進而討論其可能的觀測年代?；谶@一思路,我們依據精確的觀測點及測量縫數據,采用現代的天文歷算方法進行回推,考察其可能的觀測年代及觀測方法。

1 陶寺觀象臺遺址概況及現代的模擬實測

山西襄汾縣陶寺中期城址大型建筑 IIFJT1基址自 2003年即開始作考古發掘[7],現初步認定為 4100年前世界上最早的觀象臺。陶寺觀象臺遺址位于山西省臨汾市襄汾縣陶寺鄉東坡溝村。2004—2005年該遺址又進一步發掘[6],該觀象臺呈半圓形平臺,有三個圈層的夯土結構。第一圈的半徑大約 18米,第二圈大約有 24米,第三圈大約為 50米。觀測中心和 12條由夯土柱構成的觀測縫呈扇狀輻射排列,觀測中心距觀測縫的距離約10.5米 ,各縫張角大多在 1°—2°內 (圖 1)。

考古專家曾推測,這 10余座夯土柱上面應建石柱,將觀測縫留出,石柱高約 5米左右。觀測者直立于觀測點核心圓上,透過柱與柱之間的縫隙觀測正東方向的日切塔兒山山頂時是否在縫中央,并以此來確定當時的節氣或歷法中某些特定的日子。

經大地測量 ,獲得遺址觀測點的位置 ：北緯 35°52′55″.8及東經 111°29′55″.0。12條觀測縫中線的方位角和遠處山頂的仰角數據見表 1。

為此,中國社會科學院考古所山西隊在 2003年 12月 22日至 2005年 12月 22日間還進行了為期 2年的實地模擬觀測,總計 72次,確認通過這 12道狹縫可觀測到 20次日出天象。由這些數據可得觀測縫的最佳觀測日期與節氣的平均誤差 =4.0日 (表 1)。其觀測報告指出[3]：“陶寺觀象臺總計 12道觀測縫,從觀測點可以觀測到冬至—夏至—冬至一個太陽回歸年的 20個時節的縫中線日半出或日切。這 12道縫中 1號縫沒有觀測日出功能,7號縫居中,為春分、秋分觀測縫。7號縫向南間隔 5道縫至冬至日半出,向北間隔 5道縫至夏至日半出。除 2號縫觀測冬至、12號縫觀測夏至各用一次之外,其余 9道縫皆于上半年和下半年各用一次?！辫b于觀測結果中只有少數觀測縫與節氣有較為明顯的對應關系,他們認為：對于陶寺 20個時節中除二分二至以外其余 18個時節的意義,尚需另文討論。在論證會所提供的材料中也逐一給出了與生產、生活及祭祀活動相關聯的初步推測結果。

實際上現代所作的模擬觀測并不等同于歷史時期的真實觀測,而當時的觀測對于遺址的觀象考證更為重要。下文就是借助現代的計算機技術來實現對古代的模擬觀測。

圖1 觀測點夯土基礎和柱縫基礎局部圖[6]

表1 12條觀測縫中線的方位角和遠處山頂的仰角數據及現代模擬觀測結果

續表1

2 計算機模擬觀測

顯然,要嚴格論證該建筑確為古代的天文臺遺址還有一定困難。因為它既無保存完整的觀象設施,又無可作旁證的文獻依據。盡管如此,不可否認,現有的結構已能表明其具有作為古觀象臺的可能性,對此本文不作深究,而是姑且承認該大型建筑具有天象觀測功能,且觀測方法如前所述,即采用狹縫觀測日切山頭?？脊抨牞F代的模擬觀測亦肯定了這一觀測方案的可行性。采用計算機模擬所需要的數據有：觀測中心的地理坐標,12條觀測縫的方位角及遠山的仰角,這些上文已作交待。本文只是根據天象回推方法[8],試圖計算出這一觀測系統的最佳觀測年份,并通過計算機復原當時的觀測情況。

要想深入分析陶寺天文臺的觀象方法,不僅需要對古代的模擬觀測,而且還要準確還原古代的觀測結果。這就需要采用反演方法,這實際上比現代的模擬觀測更為重要。為此筆者專門設計了計算軟件,它可同時解算由 12條觀測縫所組成的觀測系統,從而精確求解,包括其可能的觀測年代。計算采用長周期的 DE 406歷表,其適用的年代區間為-3000年至 +3000年,而地球自轉長期變化數值ΔT則取自 Stephenson等 1995年的研究結果[9]。

集成的軟件只涉及到太陽在地平坐標系中視位置的計算,至于太陽視位置的計算方法可參閱天文書刊,本文只是給出如何利用它來求解陶寺觀測系統的最佳年代,其具體的設計如下：

為便于討論,首先定義角度誤差 Def,它指計算所得的太陽位置與給定的觀測縫的方位角(Az)及相應山頂仰角 (El)的誤差,具體可表示為方位角誤差絕對值與地平高度誤差絕對值之和,即:Def=abs(A-Az)+abs(E-El),其中:A和 E分別為方位角與地平高度的計算值,Az和 El的數據列于表 1。

于是,對于有 N條觀測縫 (N=12)的日出觀測系統,可建立起誤差和 Sum的觀測 (誤差 )方程：

考慮到太陽的視半徑有 16′(0°.27),我們設定可允許的最大角度誤差為 0°.8,并篩選出Def＜0°.8的結果。計算時需輸入的參數有：12個槽縫的方位角和仰角;觀測中心的地理經緯度;計算的始末年;計算步長;最大角度誤差等。將以上數據代入程序,在規定的誤差 (Def＜0°.8)范圍內,求出同年內滿足最多的觀測縫能夠觀測到日切山頭、且累計的角度誤差 Sum最小的觀測方案(日期序列),即為最佳結果。

隨后,我們取求解的年代范圍為 BC 3000—BC 1000年,給定這一區間,以便獲取陶寺天文觀象臺的最佳觀測年代。計算時首先取步長 =0.001日 (即 1.44min)作粗算,求出最佳的 3個觀測年份為 BC 1585年、BC 1626年和 BC 1956年。

具體而言,從 BC 3000—BC 1000年,每隔 1.44min計算一次太陽在地平坐標系中的位置,并求解 Def值。對某縫而言,當 Def＜0°.8時,觀測結果被記錄下來,包括日期、時刻、方位角 (A)和仰角 (E)。隨著一次次的疊代,取 Def值最小的那一次為該縫相對于某年的最佳結果,當該年所有縫計算完畢后,即得出該年合計可觀測到的縫數 (須滿足 Def＜0°.8),以及誤差和 Sum值。經過比較每一年的結果,最終可得出在給定年代區間內的最佳的結果 (即具有最多觀測縫和最小 Sum值的年份),而所記錄下的與各縫及最小 Def值相應的觀測時刻,即為最佳時刻。

對于所得出的數個最佳觀測年份。然后再以步長 =0.0001日 (約 8.6sec)精算,這樣的處理可節約大量計算時間,得出累計角度誤差 Sum最小的年份是 BC 1956年,這就是在給定年代區間內的最佳觀測年份,其累計角度誤差為 2°.30,而平均每條縫的觀測誤差為 0°.11。詳細計算結果列于表 2。

作為比照,我們亦取 AD 1900—AD 2010時段進行考察,表 2中也列出了相應的計算結果。求得現代最佳的 3個觀測年份為 2009年、1976年和 1927年。最后又確定 AD 2009年為最佳觀測年份,其累計角度誤差為 2°.08,平均每條縫的觀測誤差為 0°.11。

表2 采用計算機對 AD 1900—AD 2010及 BC 3000—BC 1000年代區間作模擬觀測分別得出 3組最佳結果

續表2

續表2

續表2

續表2

計算結果表明古代的觀測好于現代。因為在一個回歸年內,12條縫古代最多可觀測21次,僅第 1條縫不能觀測,且第 12條縫的誤差最大約 0°.7左右。而現代則最多能觀測到 19次,且第 1和第 12條縫不能被觀測到,最大誤差是第 2條縫,約 0°.5。

總之,在求得的古代結果中,由于三個最佳觀測年代均早于 BC 1500年,故本文初步判斷該觀象臺可能的觀測年代應早于 BC 1500年,且最優結果為公元前 1956年,其相應的觀測日期列于表 2。

3 幾點討論

(1)節氣問題

就狹縫 1年內所能觀測到的節氣而言,誤差在 1日內的較少。據表 2的計算機模擬,現代有在第 2縫觀測到的冬至,誤差為 0日,以及在第 11條縫觀測的小滿和大暑,誤差 1日?，F代的實測與此同,但另增加了一條夏至的誤差為 0日 (表 1)。古代則僅有在第 12條縫觀測到的夏至,誤差為 0日。由此,觀測最為準確的節氣是當數冬至 (現代)和夏至(古代),但兩者的觀測誤差卻較大,不低于 0°.5,遠高于其他觀測縫的角度誤差值。且在本文設定的誤差范圍 (Def＜0°.8)內,現代能觀測到冬至卻見不到夏至,古代則正好相反。同時,根據表 2提供的觀測日期和太陽黃經值還可判斷日期與節氣的關系。若以 2009年為例,則可得出觀測日與節氣的平均誤差為 4.1日,而考古隊 2年的實測所得平均誤差為4.0日 (表 1);若以 BC 1956年為例,則相應的平均誤差是 4.5日。

這一結果表明：該遺址所構成的觀測系統似乎并不主要用于觀測節氣,因為精度問題,從而與當初節氣觀測說的猜測難以吻合。否則,在本文設定的狹縫觀測框架下又如何解釋?我們以為,4000年前的陶寺先民,可能受到當時種種條件的限制,一方面仰觀天文知識不足、天象觀測精度低下;另一方面他們對太陽周年運動與人類活動的關系,特別是節氣的認識尚處淺顯階段。正如張培瑜先生所說：距今 4000年前的先民不可能有二十四節氣的劃分,但據《堯典》記載,當時應已知“二分和二至”、“日中”、“日永”、“日短”、“宵中”[5]。此外,也有學者提出堯時歷法中一年有 20個節氣之說[10]。在此情形下,他們最初觀測的可能是陶寺文化中的特定日期,以指示從事某些生產、生活和祭禮活動的時間。而這些日期經過演變,并逐漸固定下來,或許就與后世的節氣相關聯了。它暗示著先民對節氣的認識曾經歷了一個漫長的過程,而陶寺觀象臺的觀測正好處于這一萌芽時期。故本文以后世形成的二十四節氣為參照基準,得出陶寺觀象臺觀測節氣的誤差偏大就不足為怪了?；蛟S陶寺觀象臺就是一個 4000年前萌芽狀的節氣觀測系統。

(2)唯一性問題

如果該建筑真具觀象功能,則其用途無非是觀測節氣以確定歷法,所謂觀象授時;或演示特定天象,諸如當某類天象出現這一特定的時刻,開始祭祀活動?？赡芷鹪瓷踉绲耐凉缍ü潥庵☉忍账掠^象臺測日切山頂之法更為有效、方便。但遺憾的是,遺址的地表部分缺失,所造成的不確定性增加,可供想象的空間很大。我們在承認它是觀象臺的同時,也得承認與其相應的觀測設備、觀測方案、觀測對象等信息均無存。這一現狀導致該建筑物的天象觀測的實現方法并不唯一,因為當面對這些觀測縫和觀測中心時,其地表部分仍可能有所變化。就建筑物自身而言,究竟采用何種觀測方式,并不明晰。即便采用狹縫觀測,實際的觀測縫也完全可能與夯土柱的縫不一致。再者,日切山頂的觀測方案也只是一個近乎合理且無法證實的假設。而且,就觀測對象而言,太陽雖然會首先被想到,但是否還包括其他天體,諸如行星、恒星、流星、客星、彗星等?另外,就觀測目的論,是為制定歷法等天文學用途?還是僅充當計時工具,以提供特定的祭祀時刻?還是兩者并存?

例如,筆者曾根據殘存的 10余根夯土樁及其深度從 1.9m至 5.4m不等這一事實,對采用狹縫觀測的方案提過異議,也對“直接望日”觀測提出過懷疑[5]。但本文為避免問題的復雜化,求解工作仍基于狹縫的對日觀測進行。

考慮到陶寺觀象臺遺址的現狀,以及諸多不確定因素,都給研究工作及問題的最終解決帶來了障礙。

(3)求解細節

考慮到太陽視半徑、大氣折射以及觀測誤差等原因,本文設定可允許的最大方位角和仰角誤差和為 0°.8。這只是用以定義觀測縫可見 (或不可見)觀測目標的參數。實際上若改變設定,對本文年代的求解影響不大,只是該年份 12縫可觀測日出山頂的次數可能有所變化。實際上本文提供的 3解,最大觀測誤差均出現在第 12縫,即所謂夏至觀測縫,它的誤差達 0°.7,此外的最大誤差僅為 0°.23。試想若嚴格定義可允許的最大角度誤差為 0°.3,則所求最佳結果的年份并不改變,但該年 12縫共可觀測 20次,而不是 21次。

若由單縫求解對應的觀測年份,理論上是可行的,但實際難以奏效。它的求解與本文提出的多縫求解并無本質差別,不同在于單縫對結果的篩選效率較低,最終將面對眾多的可能解而無從選擇。本文設計的求解方法正是利用多縫進行聯合求解,其奧妙在于可高效篩選或鎖定最佳結果,因為它相當于增加了求解的約束條件,從而把不可能變為可能。故利用多縫觀測系統進行求解正是這一方法的優勢,若用單縫求解則失去了這一優勢,除非加入其他較強的限定條件,例如該縫用于觀測特定節氣、觀測時間固定等,但那樣進行求解的恐怕就不是陶寺問題了。正是本文提供的方法使陶寺觀象臺這樣的多縫觀測系統觀測年代的精確求解成為可能。

本文選擇觀測誤差最小的年代以作為陶寺觀象臺可能的觀測年代,并給出了 BC3000—BC 1000年代區間內的 3個最佳結果。如何進一步評價這些結果?后續工作可提供求解結果的逐年誤差分布,以便考察每年觀測誤差的分布情況,同時研究者還可利用它進一步考慮解的合理性等問題,從而對可能的觀測年代作出取舍。本文選取誤差最小的年代作為可能的觀測年代只是其中的方案之一,當然亦可根據某時段的平均誤差最小來選取年代。故這個問題尚有進一步討論的余地。

只有建立了行之有效的求解方法,并獲取結果,才能為最終年代的確定提供可能。定量研究和精確求解也體現了史學和考古研究的發展趨勢。綜上所述,本文所建立的方法有可能經過逐步發展,形成一套普適的方法,用以精確求解柱竿類日出觀測系統的觀測年代,陶寺觀象臺的發現為這一方法的建立提供了契機。

(4)初步結論

陶寺天文觀象臺的發現及功能論證是中國考古天文學領域的一枝奇葩。我們依據現有的遺存情況和假設,僅對通過狹縫作日切山頂觀測這一觀象功能進行了初步探討。計算得出該觀象臺的觀測年代應早于 BC 1500年,且最佳觀測年份是公元前 1956年。表明這一年份極可能與該觀象臺的建成或開始觀測的年代相關聯。由此得出該建筑的主要觀象功能可能是對日切山頂天象進行觀測,以觀測并確定與陶寺文化相關的時節,這些時節可能是陶寺文化特有的,也可能就是處于萌芽時期的二十四節氣;或借助對日切山頂天象的觀測以確定某些特殊時刻,從事祭祀等重要活動?；蛟S這就是該部分建筑的目的所在,相當于當時通過天象觀測加以實現的測時和守時系統。但由于種種不確定性,目前我們據此尚無法構建一個完整的陶寺觀象臺的觀象授時系統,類似于曾探討過的北斗觀象授時系統[11]。

總之,該建筑應基于一定的歷法背景,并通過觀測天象的位置以考定時節、確定時間。需要強調：相比而言陶寺觀象臺更適合于古代的觀測而不是現代,故作為古代的觀象臺極有可能!同時,本文也為其可能的觀測年代提供了參考基準。

注意到有學者研究了陶寺觀象臺遺址的天文功能及相應的年代問題[12],但研究者發現用黃赤交角的長期變化反演出的年代 (約 -3500年)與考古學估定的年代 (約 -2100年)存在較大差異,是什么原因導致了這一結果?本文采用的天文方法與其不同,結果(-1955年)亦與其相差較大,但卻與考古學結論相近?？梢?陶寺觀象臺及其年代問題值得進一步關注和深入探討。

致 謝 感謝中國社會科學院考古研究所提供筆者實地考察的機會。感謝該所山西工作隊,特別是何駑先生給予的幫助。感謝審稿者的意見,促成本文的進一步充實。

1 何駑.陶寺中期小城內大型建筑 IIFJT1發掘心路歷程雜談[A].新世紀的中國考古學——王仲殊八十華誕紀念文集[C].北京：科學出版社,2005.228

2 中國社會科學院考古研究所山西隊,山西省考古研究所,臨汾市文物局.2004～2005年山西襄汾陶寺遺址發掘新進展[J].中國社會科學院古代文明研究中心通訊,2005,(10)：58—64.

3 中國社會科學院考古研究所山西隊.陶寺中期小城大型建筑基址 IIFJT1實地模擬觀測報告[J].古代文明研究通訊,2006,(29)：3—14.

4 武家璧,何駑.陶寺大型建筑 IIFJT1的天文學年代初探[J].中國社會科學院古代文明研究中心通訊,2005,(8)：50—55.

5 江曉原,陳曉中,伊世同,等.山西襄汾陶寺城址天文觀測遺跡功能討論[J].考古,2006,(11)：81—94.

6 中國社會科學院考古研究所山西隊,山西省考古研究所,臨汾市文物局.山西襄汾縣陶寺中期城址大型建筑IIFJT1基址 2004～2005年發掘簡報[J].考古,2007,(4)：3—25.

7 中國社會科學院考古研究所山西隊,山西省考古研究所,臨汾市文物局.山西襄汾縣陶寺城址祭祀區大型建筑基址 2003年發掘簡報[J].考古,2004,(7)：9—24.

8 李勇.月齡歷譜與夏商周年代(夏商周斷代工程叢書)[M].北京：世界圖書出版公司北京公司,2004.1—160.

9 Stephenson F R,Morrison L V.Long-Ter m Fluctuations in the Earth's Rotation：700 BC to AD 1990[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London,Ser.A,1995,351：165—202.

10 陳久金.試論陶寺祭祀遺址揭示的五行歷[J].自然科學史研究,2007,26(3)：324—333.

11 李勇.北斗觀象授時系統[J].南京大學學報 (自然科學版),1991,27(4)：653—659.

12 武家璧,陳美東,劉次沅.陶寺觀象臺遺址的天文功能與年代[J].中國科學 G輯,2008,38(9)：1265—1272.

Abstract TaosiObservatory,possibly the earliest observatory possibly in the world,was found in 2005 in Taosi Town of Xiangfen City located in Shanxi Province.It has a sector structure and consists of one observing center and twelve observing slots.In order to investigate its essential conditions as a typical ancient observatory,and by referring to modern observations to imitate ancientworks on this site,the contemporary astronomical system are employed to simulate the scheme when the sun just rose from behind the top of remote mountains between 3000 BC and 1000 BC.It is obtained that the possible observing years of this observatory were earlier than 1500 BC and ascertained that 1956 BC is the best year.There all 12 slots could observe 21 times in one tropical year and the average error is about 0°.11 for per slot and the biggest error is 0°.7.The mean errors are 4.5 days from the observing dates to their neighborhood solar terms.The purpose of the ancient observatory is ascertained to be more likely to survey and investigate the particular dates of Taosi culture which perhaps related to the original of afterwards 24 solar terms,or to provide the accurate times for sacrifice or other important events.But because of having neither the main buildings above the earth surface nor other known document information,it is hard to give detailed information or precise deductions.

Key words astroarchaeology,Taosi town,observatory site,observing years

The Earliest TaosiObservatory and Its Possible Observing Years

LI Yong
(National Astronom ical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing100012,China)

N092∶P1-092

A

1000-0224(2010)03-0259-12

2009-09-13;

2010-04-26

李勇,1963年生,四川人,理學博士,中國科學院國家天文臺研究員,主要從事天文年代學、天文歷法、天文考古學、天文地球動力學等方面的研究。

國家自然科學基金(項目批準號：10973022)