「天再旦」天象的觀測與推算

  中國古代文獻《竹書紀年》中，有一條關於「懿王元年天再旦於鄭」的記載，這條記載被天文學家認為是當時在鄭地發生的一次日出時的日全食。它所造成天亮後轉黑並再次天亮的現象，使古人產生了「天再旦」的感覺。由於西周懿王在中國最早的確切紀年「共和元年」（公元前841年）之前四代，所以這次日食在夏商周斷代工程「西周列王年代學研究」課題中就顯得極為重要。如果搞清楚這次日食發生於中國古代的何時何地，懿王元年這個堅固的支點就可建立起來，同時還可依此點為基礎驗證此前、此後各王已推定的結果是否準確。如果文獻記載不誤，現代天文學完全有把握確切計算出西周時期的這次日食。「工程」啟動後，這一研究任務由中國科學院陝西天文台、國家天文觀測中心研究員劉次沅承擔。

  劉次沅，1948年生於四川，1949年在全國解放的隆隆炮聲中，隨在西北大學任經濟系教授的父親遷入西安。儘管父親是經濟學教授，家中擺放的也多是經濟學方面的書籍，但少年時期的劉次沅卻出乎家長意料地喜歡上了天文，並漸漸到了痴迷的程度。上初中時，他和幾個志同道合的同學成立了一個天文愛好者小組，除了學習討論書本上的天文知識外，還自己動手製作小型天文望遠鏡等觀測儀器，用以觀測天空日月星辰。這個時期，他很渴望長大以後能做一個像伽利略、張衡那樣偉大的天文學家。然而，天有不測風雲，一場全國性的「上山下鄉」運動使他的美好憧憬瀕臨破滅。1968年，正讀高中二年級的他和中國大多數同代人一樣，放下書包，走出校園，加入了「上山下鄉」行列。他在陝西扶風縣法門寺公社勞動了三年之後，有幸被招工到陝西韓城煤礦當了一名鉗工。就在這個時期，劉次沅久藏在心中的天文學家的夢想開始復活。他利用工作的便利條件，在勞動之餘又開始製造高倍望遠鏡等天文儀器，並試著做一些簡單的天象推算。20世紀60年代末，中科院上海天文台分出一部分，在陝西組建一個新的天文台，主要負責全國標準時間的制訂。到了1974年7月，中國科學院召開了八省市科研單位座談會，認為原來的科研部門都是關起門來搞科研，知識分子集中的地方土壤已經板結了，很難長出參天大樹，結出有利於社會主義建設的碩果。因此，會議要求各科研單位都要抓住「開門辦所」和「摻沙子改良土壤」這兩個新生事物，以跟上時代發展的步伐。剛組建不久的陝西天文台也像其他科研單位一樣，適時地提出了「開門辦所」和「摻沙子」等口號。在課題研究上採取「以工人為主體，技術人員當參謀」；在機構編制上，將技術人員與工人混編，並從各工廠調有實踐經驗的工人到課題組「摻沙子」，以加大科技人員隊伍中工人的比例，使板結的土壤變成疏鬆的沃土。

  1969年，劉次沅（右一）在法門寺公社插隊時與知青合影（劉次沅提供，下同）

  就在這場特殊的「變革」中，劉次沅作為工農兵的代表，以「沙子」的身份從韓城煤礦調往陝西天文台，參加天體測量工作。由於劉次沅平時積累了一些天文知識，加之陝西天文台還有幾位倖存的專家沒有被徹底打翻在地，劉次沅邊干邊向專家請教，幾年下來，漸漸成了天文台的骨幹力量。如果說劉次沅以一粒「沙子」的身份進入陝西天文台是他的幸運和機遇，那麼八年之後幸運之神再次垂青於他。他憑著多年的勤奮學習所積累的學術功底，於1981年考取了陝西天文台著名天文學家吳守賢的研究生，從此真正開始了作為一名天文學家的夢想之旅。

  1974年，劉次沅在中星儀任觀測員

  當劉次沅在吳守賢的門下完成博士學業後，他開始轉入天文學史的研究。因此前已有了十餘年的天體測量經驗，他在天文學史的研究中漸漸形成了以計算為主的專業特色，並將主攻方向放到研究推算中國古代天象記錄的層面上來。夏商周斷代工程啟動後，他所承擔的任務，正是他作為一名卓有成就的天文學家所具有的強項所在。

  劉次沅在接受「懿王元年天再旦於鄭」這一專題研究任務後，所做的第一件事，就是對文獻資料和以往的研究情況進行梳理。

  從已知的文獻看，「懿王元年天再旦於鄭」最早記載於河南汲冢出土的《竹書紀年》，但自從這部書失傳後，就只能從其他書籍中輯出其中片言隻語了。後人所看到的「天再旦」一條最早的來源，是唐代司天監官員、印度裔天文學家瞿曇悉達所著《開元占經》的引用。《開元占經》本是朝廷秘籍，嚴禁外傳，到宋代已不為人所知，而明朝時又重現於世。其發現經過不可不謂傳奇。明萬曆四十四年（公元1616年），挹玄道人程明善因極度喜好佛事，便不惜重金為一尊古佛重塑金身，想不到竟在古佛腹中發現了一部卷帙浩繁的古代典籍，這就是佚失已久的《開元占經》。此書引用了70餘部古代星占學著作，保留了公元前4世紀以來天文觀測的許多資料，《竹書紀年》所載的「懿王元年天再旦於鄭」一事也保存其中。

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  儘管「天再旦」的記錄來源如此周折、神秘，中國古代又不乏偽造天象的例證，但當今學術界似乎不懷疑它的真實性，其重要原因在於這樣的記錄歷史上僅此一例。古人並不知道它的真正含義，沒有偽造的動機，只是作為「存疑」流傳下來。

  《開元占經》卷三《天占·天裂》條（引自《四庫全書》文淵閣本）

  「天再旦」到底是一種什麼現象，千百年來似乎沒有人加以明晰研究，只是到了1944年，才由現代著名天文學家劉朝陽指出是一次日全食或環食所引起的天光變化：

  此為日食之記錄，歷來學者初不甚加以注意。蓋其所以再旦，必因先有再夜。據今所知，僅有日全食或環食之時，其中心帶所掠過之地球上某一區域，可於大光明之瞬間，驟然黑暗，如黑夜之再臨，鳥雀歸林，雞鴨歸塒，大星燦然出現在天上。案日全食甚時，非舉火幾不能見什物。日食完了，光明重來，恍如再旦，此為一般人所普知。環食甚時，雖不如全食之暗，然其食時食後，一暗一明，時亦可令人有再旦之感。

  劉朝陽對這次日食有了初步的認識後，經過多方面的研究推算，最後選定公元前926年3月21日的日環食為「懿王元年天再旦」的記錄。儘管他的推算結果後來被學術界證明是錯誤的，但這個舉動本身卻引起了廣泛的關注，並為這一問題的解決帶來了曙光。繼劉朝陽之後，又有許多科學家對這一問題進行了研究、推算，但都由於這樣或那樣的原因，其研究結果始終未能得到學術界的公認。

  面對以上研究狀況，劉次沅在分析後認為：研究帶食而出前後的天光變化規律和人眼的感受，是確定「懿王元年天再旦」確切日期的重要一環。日食時太陽為月亮所掩，天光肯定會因而減弱，引起人們的注意。需要深入研究的是，日食究竟能否引起天再旦的感覺？什麼樣的日食能引起這種感覺？這就需要對此類現象做如下幾個方面的考慮：（1）當食甚發生時太陽處在不同的地平高度；（2）不同的最大食分；（3）不同的天氣狀況。這是一個三維的問題。實際上對同一次日食在不同地點觀測，就可以獲得不同太陽高度和不同食分的前兩維結果。如果各地點能有不同的天氣，就可以獲得這一天文學上稱為「帶食而出」現象的全面的三維結果。

  除了以上對日食天光做理論性研究外，劉次沅同時感到做一次多地點的實際觀測，觀測日出前後日食所造成的天光變化，將有利於加深對這條天象記錄的理解和研究。或許，實際觀測便是解決這一問題的前提條件和重要環節。那麼在什麼時間、什麼地點進行實際觀測呢？難道真的還會有「天再旦」的現象出現？帶著這些問題，劉次沅懷著試試看的心理開始利用計算機進行天文推算。或許是上蒼的恩賜，計算結果表明，在日出前發生的日食，20世紀內在東亞的大陸地區唯一的一次機會在1997年3月9日，日出前能夠看到全食的地區在中國新疆北部與哈薩克斯坦、蒙古及俄羅斯交界處。結果還表明，20世紀末之前的另外四次日食，其相應位置都在大洋中，陸地無法觀察。按照夏商周斷代工程原定要在1999年底完成的計劃，發生於1997年3月9日的日全食，就是天賜的最好也是僅有的一次機會了。機不可失，時不再來，劉次沅經過反覆權衡，決定赴新疆進行布點觀測。

  劉次沅與周曉陸（左一）在黃河沿線考察時留影

  正當劉次沅即將啟程時，他的一位好朋友周曉陸出現了。周曉陸是西北大學文博學院教授兼西北大學歷史博物館館長，對歷史、考古、天文學頗有研究。前些年，他在完成了一部關於古代著名的天文星經的研究專著《〈步天歌〉研究》後，準備請當代中國天文學史界的泰斗、時任中科院自然科學史所所長席澤宗院士指教並題寫序跋。席先生聞訊後，告訴周曉陸不必捨近求遠，陝西省就有一位天文學大家吳守賢先生，可請他出面指教和撰寫序跋。當周曉陸找到時任中科院西安分院副院長的吳守賢后，因吳守賢正忙於一項課題的研究難於脫身，便向周曉陸推薦了自己的學生、天文學家劉次沅。於是，劉次沅和周曉陸漸漸成了朋友。當周曉陸得知劉次沅準備赴新疆做「天再旦」的實際觀測時，兩人便有了這樣一場對話：

  周：這個機會實在難得，我隨你去。

  劉：你跟我一塊兒去？

  周：是。去了後我能幫你做一些事情。

  劉：那個地方對我們來說山高水遠，去一趟相當辛苦。

  周：相比較而言，我對那裡的情況比你熟悉，因為我有許多學生在那個地區工作，這對我們的行動會有所幫助。

  劉：你說得很有道理，可這個專題的經費極其有限，很難承擔兩個人的差旅活動費。

  周：那……

  劉：要不這樣，你去，我在天文台留守，前後有個照應，或許對這項工作更有利。

  周：也好。

  兩人商定後，經過一番周密的策劃，周曉陸肩負著「天再旦」實際觀測的學術使命，於1997年3月1日趕赴新疆烏魯木齊，並通過各種渠道和新疆各地的科協、教委、中學、氣象台等單位聯繫，請他們在預定的阿勒泰、富蘊、塔城、克拉瑪依、博樂、霍城、伊寧、石河子、奎屯、阿克蘇等北南一線近二十個地點，聯絡、組織群眾和天文愛好者進行實際觀測。與此同時，對觀測中需要著重注意的日食過程、日出過程、天象變化（晴天和陰天的不同變化）、視亮度及人體的感受等問題，周曉陸給予了特別的強調和指導。當這一切安排妥當後，周曉陸於3月7日自烏魯木齊親赴新疆北部的塔城市，與塔城地區教委教研室主任、地理學家徐精華匯合，共同商討、組織觀測的具體事宜。

  根據劉次沅、周曉陸的推算，對考察「天再旦」現象，塔城的地理位置與日食表現，對於日出前10分鐘以上所發生日食食甚的條件，明顯區別於北鄰的阿勒泰地區，這裡正處於能否發生「天再旦」的臨界線上。故此，周曉陸才親赴塔城組織觀測。

  在塔城地委和塔城市政府的協助下，「天再旦」天象觀測中心設在塔城最高的一座建築物——銀翔大廈——的頂端平台，這座建築物共十三層約四十五米高，而當地海拔高度約為五百米，其緯度遠遠高於北京、蘭州、西安、南京等城市。因沒有大工業污染，天象觀測條件極盡人意。可以說，此次觀測活動占盡了天時、地利、人和各種條件。但是塔城的早春正是西風帶氣旋活動頻繁的時期，氣象條件極不穩定，這個現狀又不免讓周曉陸等觀測人員多了一份擔心。果然，到了3月8日，天氣突變，小雨夾雪籠罩了整個塔城，這使每一位觀測人員心中都蒙上了一層陰影。按天氣狀況分析，如果雨雪不停，第二天，也就是3月9日黎明的觀測效果將受到很大影響。就在大家為如此糟糕的天氣憂心忡忡時，一個意想不到的奇蹟發生了。到了3月8日北京時間23時，雨雪突然停歇，天空漸漸由陰轉晴。到了3月9日凌晨4點，陰霾散盡，萬里蒼穹露出了清晰的面容。此刻，海爾—波普彗星正橫斜於東北天際，其離子尾與塵埃尾皆明晰可辨；獵戶座、仙女座、飛馬座、天鵝座恰似一盞盞耀眼的銀燈，橫掛在西南天際，火星的光亮燦爛奪目。已雲集於銀翔大廈頂端平台、由多民族組成的觀測人員，在格外明亮的北極星、北斗星的映照之下，面對無垠的蒼穹和璀璨的星光，久懸的心怦然落下，一時歡聲雷動。

  塔城的代表性建築塞提喀瑪勒清真寺宣禮塔

  據周曉陸的觀察記錄：從3月9日晨7點25分開始，東方天際露出了淡淡的青玉痕，到8點左右，陣風從對面吹來，觀測人員普遍感到寒氣襲人。此時東邊天際開始發亮並吐出魚肚白。自8點10分始，觀測人員已經能在熹微的光亮中辨認彼此面目了。在銀翔大廈觀測中心、塔城市二工鄉烈士陵園觀測點、塔城市一中操場觀測點等處的觀測人員，開始用照相機、攝像機拍攝不斷變化的天象。

  塔城人民在觀察「天再旦」天象

  8點10分之後，天空開始由晴轉少雲，東方的地平線處雲量增大，由暗紅色漸漸轉變成淡淡的鐵紅色，並從低處慢慢浸染到雲層頂端。此時，東風達到了4—5級，明亮的星星逐漸隱沒於晨曦之中。8點20分左右，曾耀眼奪目的海爾—波普彗星也隱去了，晨曦的光越來越明亮。8點30分左右，東方地平線之下，突然太陽的光線噴射而出，如同根根赤柱和條條紅色的絲縷布向天頂，大塊大塊的魚鱗狀、瓦片狀的雲層，由鮮紅轉為橘紅色。正當注視著東方地平線與天頂的人們感到眼前的朝霞似乎十分靦腆，遠未達到應有的熱烈與熾亮之時，天空又明顯地開始變暗了。

  太陽躍出地平線

  8點35分，黎明時的朝暉竟轉換成夕陽沉沒的晚霞，太陽射出的光線在漸漸收斂，剛才橘紅色的雲裙變成血紅色，接著又慢慢深染為鐵灰色。天頂淡淡的紅意也在逐漸消退，稍現白色的西邊天際也暗了下來。8點38分，已隱沒的海爾—波普彗星忽然再現於東北天際，並呈噴射狀以匕首般的光芒刺破天穹。彗星的高度呈40度左右，周圍許多亮星相伴而行。觀測者在寒風凜冽的清晨，面對持續了兩分多鐘的彗星突刺，不免產生了一種惶惑、恐怖的感覺。

  彗星光芒刺破天穹

  從8點45分起，東方天際的雲霞又漸漸由紅轉黃，天頂由暗變亮，所有的星星都隱沒於朝暉之中。8點53分，太陽帶食躍出，在約60公里之外的地平線上，映襯出起伏的山巒那優美的曲線。太陽的左下方，帶著明顯被掩的月影，恰似一彎紅亮的新月散發出金色的光芒，凹凸不平的山影輪廓在光照中若隱若現，宛如海面上浮現的海市蜃樓。9點35分，殘缺的太陽已全部復圓，溫暖的陽光普照大地，整個塔城和周邊山野田疇在陽光的照耀中分外壯觀美麗。至此，「天再旦」的天象觀測圓滿結束。特別值得慶幸和回味的是，就在大家分別撤離觀測現場之後，塔城地區天氣再一次由晴轉陰，接著天幕合攏，下起了紛紛揚揚的鵝毛大雪，整個塔城浸染在白色蒼茫之中。

  蒼天有情，蒼天有性，蒼天諸公以絕妙的安排和盛情，使觀測人員在兩次雨雪之間短暫的空隙中，對近三千年來的一個天象公案做了破解。這一切不能不令人欣喜異常，嘆為舉世奇觀。

  太陽再度躍出雲海

  「天再旦」在新疆觀測獲得圓滿成功的消息，隨著一道道電波傳往西安、北京和世界各地，當時有三百多家中外媒體對這一成果做了報導，在海內外引起了巨大反響。

  之後，劉次沅和返回西安的周曉陸陸續收到了新疆天山南北各個觀測點發送來的觀測匯報。經過整理分析，獲得了極具價值的天文觀測資料。

  阿勒泰：

  市區內，由於東方有山。不能看到日出和日食，天氣晴朗。

  賈新躍，幹部，觀測點在五樓樓頂。8點40分，天剛亮，有一點點霧。8點42分，天色突然暗下來，有一種陰森森的感覺。8點46分，整個天空又開始明朗起來。當時因被山阻擋，沒有看見太陽。

  富蘊：

  賀德清等七人，教師，中學生。在城西高地，海拔900米，東方為阿爾泰山。8點，天露曙光，銀灰色變成粉黃色。8點41分，太陽未出，東邊天空起霧而西邊天較亮，慢慢地東邊由灰而暗，由暗而黑，黑的部分越來越大，有「雲橫秦嶺」之感，觀察者仿佛進入混沌溟濛的世界。天變黑大約3分鐘，然後黑暗部分之上浸出淡淡黃光。8點50分突然見到太陽從山後爬出，左邊食入。8點54分拍照。強調食甚在8點55分至9時（與預報不同）。太陽逐漸復圓在9點38分，食進很快，退出很慢。

  守候在陝西天文台驪山觀測站的劉次沅

  烏魯木齊：

  劉振宏，醫生。南山觀測站，市區東南70公里。特別晴。8點尚可見彗星和火星。日出前東方天空暗紅色。8點35分見到太陽，被食90%。8點30分後，天空亮度不再增加。8點45分以後迅速增加，天頂測光顯示8點25分至8點32分亮度不增加。

  王傳波，工人。目視感覺天亮前無異常。天頂測光顯示8點25分至8點35分亮度不增加，此後迅速上升。

  陝西臨潼：

  劉次沅。薄雲但不影響太陽成像。食甚前幾乎可以直視太陽，食甚前後大約五分鐘時間，在樓上向北室內，明顯感到光線變暗。測光顯示天光減弱1/2。

  根據各地觀測結果，劉次沅、周曉陸進一步研究認為：當年劉朝陽的推測是很有道理的，以日出前後的日食天象（再結合如地貌、氣象等因素），來破解「天再旦」這段歷史記載，可能是最巧妙也是最佳的方法。

  通過在塔城的觀測可知，「天再旦」現象以食甚0.97，食甚時與日出時約14分鐘的時差，造成了黎明時分突然產生了「落日餘暉，晚霞絢爛」，然後再度天亮的感覺。日出前後發生日食（大食甚偏食、全食），以往幾乎沒有報導，而此次的觀測者卻親身感受了。除直接觀測者之外，據周曉陸調查的情況，其他人以及各種動物幾乎沒有反應，絕不像太陽升出之後日食（全食、環食）的景象。如果沒有預報，沒有帶著任務專門觀測，這種發生在早晨的天文事件可能不會為人們所知。

  周曉陸實測得到的太陽地平高度與天光亮度的關係

  劉次沅通過計算得視到亮的度日食過程天光

  中國古代有史官觀察並記錄天象的傳統。商代甲骨卜辭證實，這一傳統當時已經形成，商代卜辭中已經確認了日月食記錄。綜合各方面的情況，劉次沅認為，在周初時，王者身邊就有史官（巫卜）隨侍，注意觀察天象和氣象，並進行卜祭與記載。自然，他們對日月食、風雲之類的現象是熟悉的（當時或許不能預報日月食）。就天色突然變暗這一現象而言，食分很大的日食、沙塵暴、很濃厚的烏雲、遮天蔽日的蝗蟲等現象都可能引起。對一個專事觀察天象的史官，因計時報時的需要，看到了東方旦—再暮—再旦的景象，但並未看到日食或帶食而出（商周時代日月食現象人們已不陌生），於是，這位天官帶著不解與迷惑，忠實地記下了「天再旦」這三個字。或許，對陰雲掩蓋或山嶺遮蔽的日食，「天再旦」便是一種最合理的解釋。這一點，在阿勒泰所進行的實地觀察中已做出了最好的說明。正如劉次沅所言，「對於一個注意觀察天空而又未得到日食預報的人，這一現象的確是震撼人心的」。

  歷代天象記錄，極少有人言及觀測地點，因為這些記錄來自史官。而史官隨侍王的左右，其地點自然是在京城。據今本《竹書紀年》記載，周王朝諸王，自穆王以下居大鄭宮。因為當時天子不在京城，所以史官在記下天象以後，特別註明地點在「鄭」，這個特殊的記錄，使後來的研究者增加了對該事件的信任度。

  由以上分析，劉次沅認為，「天再旦」的記載是西周懿王的史官在隨王居住鄭地時，早晨例行觀察天象（尤其是東邊日出方向）時發現的。當時「天再旦」現象不是很強烈，普通人即使發現，也不會引起太大的震動。但是對每天專職觀察日出的史官來講，這樣明顯的異象，足以引起他的驚恐，繼而報告天子，載諸史冊了。

  根據劉次沅的解釋和計算，可以確知文獻中記載的「懿王元年天再旦」事件是發生於日出之際的一次日全食，這是對歷史上天文名詞「天再旦」的又一次可靠的詮釋。這次日食發生的時間為公元前899年4月21日早晨，觀測地點在陝西鳳翔大鄭宮。劉次沅通過天象記錄對歷史年代「懿王元年」即公元前899年的準確推算，把歷史上的帝王紀年年號與公元紀年年號對應起來，從而形成了整個夏商周斷代工程中唯一的一個精確到年、月、日、時、分的時間概念和支撐點。這項成果的重大意義，除了成果本身對「工程」年代推定的價值外，同時也是一項科學研究方法的重大突破。

  留守在臨潼的劉次沅通過理論計算得到的公元前1000—前840年，中國地區「天再旦」現象分布圖

  華縣地圖（左）與鳳翔縣地圖（右）

  繼劉次沅觀測推算的這一結果問世之後，在此之前所擬定的關於「工程」所列的推定西周王年的七個支點的研究全部完成。

  當然，有了以上七個支點，並不意味著「工程」中整個西周列王年代研究的終結。按照此前的課題設置，以上的研究成果還需要金文歷譜的驗證與支持。同有字甲骨的14C測年一樣，將金文歷譜應用於年代學的研究，也是中國的一大特色。