? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 劉忠戰(zhàn)
0.引言
? ? 北京故宮建筑群中軸線偏離子午線2度余，這一事實被發(fā)現(xiàn)并見諸報端后[1]堪唐，曾引發(fā)歷史巡语、文化、天文學等領域學者的熱議羔杨。事件起因于夔中羽先生（原中國測繪科學研究院研究員）捌臊，他在2004年的一次測繪工作中，發(fā)現(xiàn)故宮建筑群的中軸線有明顯偏斜兜材，這有違于中國古代皇建嚴格面對正南的傳統(tǒng)理澎。為了進一步確證逞力，仿照古代“立桿測影”法和采用現(xiàn)代衛(wèi)星定位法進行了核實。（普通讀者也可從電子地圖上看到這一現(xiàn)象糠爬，圖0.）寇荧。
? ? 夔先生從專業(yè)視角做了以下推斷：故宮始建于元代执隧，由忽必烈重臣劉秉忠和著名天文學家郭守敬主持勘察和設計揩抡，中軸線偏斜不可能是技術原因。這一推斷給歷史镀琉、文化峦嗤、陰陽、風水學者們提供了想象空間屋摔，陸續(xù)有數十篇文章參與了討論烁设，提出了多種猜想。這些猜想大都拋開天文定向技術本身钓试，將偏斜原因歸結于人為因素装黑，諸如忽必烈的“意愿”、設計者的“暗抗”弓熏、皇家龍脈恋谭、風水要求等等。由于這些說法未找到任何史料依據挽鞠，所以只能流于猜度疚颊。皇宮定向在古代是嚴肅的政治滞谢，勘測設計采用的是規(guī)范化天文測向術串稀，本文主張重回到元初時代除抛，站在設計者的角度狮杨，從當時的天文環(huán)境和實際測向水平出發(fā)，探求中軸偏斜的原因到忽。
? 1·子午與皇權
? ? 中國封建社會將統(tǒng)治權比作“南面之術”橄教，《周禮·天官》說：“惟王建國， 辨方正位喘漏，體國經野护蝶，設官分職，以為民極翩迈〕只遥”，這里的“辨方正位”负饲，意指國都堤魁、皇宮的設計喂链，須確保面向正南⊥兹《 易經·說卦傳》說 ：“圣人南面而聽天下椭微，向明而治∶ち矗”蝇率。其理論依據源自中國儒道共有的“天人合一”哲學。王者南面治天下刽沾，被認為是皇權應天順道之為本慕。《論語·為政》說：“為政以德侧漓，譬如北辰间狂，居其所而眾星拱之”，周代稱北極星為“帝星”火架，皇帝即“天子”鉴象，自比北辰（北極星），居天頂而眾星拱衛(wèi)何鸡，在地為君臣民擁戴纺弊。中國古天文星圖，依照：左青龍骡男、右白虎淆游、前朱雀、后玄武的方位繪制隔盛，這個“前犹菱、后、左吮炕、右”是為天子座北面南“仰觀天文”而繪腊脱。司馬遷在《史記-天官書》中，用了大量篇幅描述天上“紫宮”龙亲、“璇璣玉衡”與下界“七政”的對應關系陕凹。可見在古代中國鳄炉，皇宮的布局和朝向是天地感應的哲學和政治杜耙。考古資料表明拂盯，已知的皇宮莫不循此定規(guī)佑女，“天下衙門朝南開”是封建權制文化的鮮明特征。北京故宮始建于元代，當自然循此原則团驱，故宮南開“午門”簸呈， 北設“神武”門（玄武亦稱神武），王座正對中軸店茶，這明示了故宮順應坐北朝南治天下的理念蜕便；其次，上世紀五十年代贩幻，中軸線施工中挖出石鼠和石馬（十二地支：子-鼠轿腺，午-馬），進一步佐證設計者祈求中軸正對“子午”之意愿丛楚。元大都的設計和監(jiān)造人族壳，是忽必烈信任的重臣劉秉忠和他的學生郭守敬，他們都是深諳封建權制文化的漢官趣些，也是忠于朝廷仿荆、注重實務的帶官職的科學家，有文章說他們有意弄偏中軸坏平，暗含反抗異族統(tǒng)治的咒怨拢操，這一猜想沒有任何事實作依據。另一種頗具影響力的說法是夔先生自己的一個猜想：即中軸西斜是忽必烈本人的授意舶替，因從地圖上看令境，中軸北端偏西，正好指向270km外內蒙境內的元上都舊址（見附圖1.顾瞪，地圖截圖 ）舔庶，
? ? 中軸西斜正好使南北兩都連體陈醒，彰顯忽必烈家族統(tǒng)治的連續(xù)性惕橙、合法性。這一猜想也查無史料钉跷，但信者頗多弥鹦。我們看到的紙質（或電子屏幕）地圖，是地球的一個局部“球面”投影尘应，地圖上兩點間的最短連線惶凝，實際上都是球面曲線吼虎，地理學稱為“測地線”犬钢，還原于球面如圖2. 所示意。
? ? 從高分辨衛(wèi)星圖上玷犹，我們容易得到兩都經緯坐標。故宮（A）：E116.403洒疚、N39.924歹颓；上都（B）：E116.175坯屿、N42.309。NS是經過A的子午線巍扛，ABC構成球面三角形（C=90°）领跛。按球面幾何計算，兩都連線與故宮子午線夾角∠A為3°48‘（推算見注1）撤奸，而故宮中軸實際上西斜僅為2°10’吠昭，所以從地圖上看似兩都“共軸”，實際上是一種錯覺胧瓜。在元代矢棚，要使大都中軸對準上都，技術上也是難以實現(xiàn)的府喳。有文章以唐代僧一行（673-727）曾完成地球緯度距離測量為例蒲肋，證明六百年后的元代更有可能完成兩都方向測定。只要仔細考察當年僧一行所做的測量記事[2]钝满，會注意到兩個技術條件是元初所不具備的：一是僧將觀測點特意選在河南的平原地帶兜粘，可消除高差帶來的測量誤差，同時也會實現(xiàn)兩個測點無障礙（可視）通信聯(lián)絡弯蚜；二是觀察記錄的對象妹沙，是兩地同時可見的太陽或極星；盡管這樣熟吏，仍然歷經兩分距糖、兩至，耗時一年多牵寺，才以日影和極星出地度（仰角）的記錄悍引，求算得到緯差一度，南北相距351里80步（合129.2km）帽氓。這雖是科技史上的一個創(chuàng)舉趣斤，但其結果與現(xiàn)代值（ 111.2km）比較，誤差高達16%黎休！反觀元代浓领，兩都之間橫隔崇山峻嶺，在無法遠距離通信的條件下势腮，無法實現(xiàn)“同時”記錄日影联贩，更無法實現(xiàn)連續(xù)引線測繪。若勉強做了測繪捎拯，也難以保證精度泪幌。
2.古代的天文測向術
? ? 古代的天文測向，首先是天文觀象和定位的需要。元代以前祸泪，參考基準采用天球赤道坐標系吗浩，元代以后，融合了阿拉伯和西方的地平坐標和黃道坐標没隘。無論是哪一種坐標懂扼，找準子午線是測量的基礎，先秦時代起右蒲，沿用兩種子午定向方法微王，即日影法和極星法。這兩種方法也很自然地被引用于一般的皇家和民用建筑設計中品嚣，兩者理論同源炕倘，但方法和工具有很大差異，一個是科研性翰撑，精益求精罩旋；另一種則是應用性，注重簡易和快捷眶诈。元代天文學曾達到過世界領先水平涨醋，特別是郭守敬（1231-1316）的卓越貢獻，倍受科技史學家的稱贊逝撬，明代進入中國浴骂、通曉天文歷算的湯若望(德，1592-1666)宪潮，稱郭守敬是東方的第谷（丹麥著名天文學家溯警，開普勒的導師，1546-1601）狡相。正因為敬畏于郭守敬的天文成就梯轻，包括夔先生在內的諸多學者，不相信中軸偏斜會是一次普通的技術性偏差尽棕≡簦科技在工程上的應用，必須留意兩個細節(jié)滔悉，其一是發(fā)明和進入工程應用的時間順序伊诵；其二技術應用的環(huán)境條件。元大都開建于1267年回官，郭守敬是年36歲曹宴，當時是主管水利的都水監(jiān)，大都建成后的1276年孙乖，因朝廷招聘修歷官栈源，他才進入了天文-歷算研究領域，在整修同辣、改造金人遺留的舊渾儀過程中工坊，創(chuàng)制了簡儀等20多種新型天文儀器。其中恋拷，與天文測向有關的“正方案”资厉，是與簡儀配套的一種方位校準裝置。這些發(fā)明是在元大都建成數年以后才出現(xiàn)的宴偿，所以不可能用于元大都的定向設計。那么大都開建時究竟采用了何種定向技術呢诀豁，其實歷代皇建工程的設計窄刘，一直沿襲春秋時代齊國的一部工藝雜記--《考工記》[3]，漢代被收錄進儒家經典《禮記》中舷胜，因而成為世代相傳的工藝經典娩践。《考工記》的匠人篇說：“匠人建國烹骨，水地翻伺，以懸置，以懸以景沮焕。為規(guī)吨岭，識日出之景與日入之景。晝參諸日中之景峦树，夜考之極星辣辫，以正朝夕】”络它，這段文字概括了都城、皇宮確定方位的整套方法歪赢，因依賴于太陽和極星兩個宏觀天體化戳，所以稱為天文定向。
1）日影定向：成書于春秋的《考工記》埋凯、《周髀算經》[4]等古典点楼，都有天文定向法的類似文字表述，但都過于簡略白对，無法究其細節(jié)掠廓。但《元史·天文志》詳述了郭守敬發(fā)明的“正方案”[5]裝置的結構和操作方法，因“正方案”是基于《考工記》中的基本原理的再發(fā)明甩恼，所以可從“正方案”中反考《考工記》的基本方法蟀瞧，并找到兩者的差異沉颂，參照圖3.和原理圖4.，對原理和操作簡述如下：
結構：① 選4尺見方（石質）平臺铸屉，沿平臺四周刻小水槽，注水切端，用以目視水面校準平臺為水平方向彻坛；② 以中心點“O”為圓心，刻畫19個同心圓（圖3.以兩圓示意）踏枣；③在“O”點立1尺5寸垂直木桿O測法： 日出時昌屉，桿影的“影端”落在外圓周上（A點）時，以墨點標記茵瀑，下午“影端”再次移至同一圓周（B點）時间驮，也以墨點標記，連A马昨、B兩點成直線竞帽，即為東西方向，作AB垂直平分線偏陪，即為“O”點子午方（南北）向抢呆。
? ? 一日當中笛谦，桿影會依次進入內小圓抱虐，依同法連續(xù)記錄（如C、D點）饥脑。多個圓周上的記錄可以相互校對以消除誤差恳邀。古代沒有精確的計時工具，采用影端與圓周重合的方法灶轰，巧妙地避免了計時的難題谣沸，因早、晚影落在同一圓周笋颤，影長相等乳附，對應于太陽的早、晚位置在子午線兩側對稱伴澄「吵“正方案”對《考工記》作了兩項改進，其一非凌，將“水地”一詞的模糊表述具體化：選用固定平臺举农，周邊開槽注水，用以矯正水平敞嗡，周邊開槽颁糟，可以最大范圍利用水平面將平臺校平航背；其二，將“為規(guī)”一詞具體化為19個同心圓棱貌，將“日出玖媚、日落”之景的一次性記錄改為連續(xù)19次記錄，由墨點組成日影軌跡键畴，用統(tǒng)計平均來消除隨機誤差最盅。這種改進也將《考工記》方法轉化為成一種精密儀表突雪。日影定向起惕，基于太陽軌道嚴格東西行，但實際上由于地球自轉軌道與公轉軌道有23°26‘夾角（稱黃赤角）咏删，如圖5.示惹想，每年的冬至到夏至，太陽直射點由南向北移動督函；而夏至到冬至嘀粱，則北向南移動，這種移動會表現(xiàn)在每天的東西移動中辰狡。所以日影記錄方向并不嚴格準確锋叨。誤差會隨季節(jié)而變化，如圖5. 所示宛篇，太陽在春分點娃磺、秋分點附近時，每日約移動0.4°（緯度）叫倍，冬至偷卧、夏至日時移動最小，僅約0.004°(推算見注2)吆倦。
? ? 中國地處北半球，春季測向蚕泽，“子向”略偏東晌梨，秋季則略偏西。這個偏差對天文觀察而言须妻，是需要修正的仔蝌，“正方案”的操作要求最好在冬至、夏日進行璧南，否則需作出相應修正掌逛。但對建筑定向，這個誤差無足輕重司倚《够欤《考工記》方法真正的誤差篓像，來源于日影的模糊、平臺的非水平和圓周刻線的精確度皿伺≡北纾《明史·天文志》[6]對這一現(xiàn)象說：“圭表之法，表短則分秒難明鸵鸥，表長則影虛而淡奠滑，……必須正其表焉，平其圭焉妒穴，均其度焉宋税，三者缺一，不可以得影讼油〗苋”，可見利用原始器具矮台，靠目測判斷日影乏屯，難以消除上述三種誤差∈莺眨《考工記》方法沒有“正方案”中的“石板”辰晕、“水槽”“多圓”等精細措施，僅憑早确虱、晚日影就一次性完成定向含友，導致2°--3°的子午偏差是極有可能的〔跄龋《考工記》中建議用“晝參日中之景”作為定向的補充方法唱较，“日中”即正午，在沒有精確報時的古代召川，判定“正午”的唯一方法就是觀察日影南缓，將日影最短時確定為正午，但日影最短時荧呐，也是影長變化最遲鈍的一刻汉形，我們用圖6.說明人眼的分辨極限以及誤差的形成，假如桿高（H）1000mm倍阐、以北緯40°（北京）為例概疆，在夏至日前后，假定太陽在正午點（S1）向右偏2°（S2）峰搪，影長將增長約0.175mm（即千分尺上17道）（估算見附注3）岔冀，加上太陽的本影和半影混在一起，僅影端邊沿的不確定范圍就在3mm左右概耻，人眼的分辨能力可能產生0.5mm的偏差使套，因而導致3°左右的子午偏差罐呼，是很平常的事。現(xiàn)代民間工匠在處理基礎時侦高，仍然可見《考工記》的影跡嫉柴，定向工具大多現(xiàn)場臨時取材搭建，標桿垂直度奉呛、平臺水平度都無法做到精準计螺，所定方位都會產生些許偏差，但這些偏差通常是工程應用中許可的瞧壮。
2）極星定向：《考工記》中的“夜考之極星”也是常用的定向法登馒，極星被儒家喻為“天子”，星占家馁痴、風水道家們更迷信于用極星為皇宮定位谊娇。漢代以前肺孤，人們曾以為極星即天球不動處罗晕，只要用星晷或其它瞄準裝置在夜間對準它，即可確定正北赠堵。
圖7.是一種簡易定向裝置小渊，調整窺管，使裝在A茫叭、B的小孔對準北極星酬屉，兩點到地面的垂足A’、B’連線揍愁，即為南北方向呐萨。漢代后期，天文學家發(fā)現(xiàn)北極星的位置并非真北極莽囤，《周髀算經》文中有“極星四游”晷影記錄谬擦，可推算當時的極星偏離北極5°多，所以也在環(huán)繞北極晝夜旋轉朽缎。由于地球的章動惨远，地軸指向在天幕上以25800年為周期，作陀螺式旋動话肖。從夏商至元明的五千多年記載中北秽，可知極星已由“右樞”（天龍座-α）、“帝星”（小熊座-β）最筒、“紐星”（鹿豹座-32H星）輪換為現(xiàn)代的“勾陳一”（小熊座-α）贺氓。《明史·天文志》中說：“自漢至齊梁床蜘，皆謂紐星即不動處辙培，惟祖暅（祖沖之）之測知紐星去極一度有余缅叠，自唐至宋又測紐星去極三度有余，《元志》從三度虏冻，蓋未有定說也”肤粱。說明元代以紐星為北極星，認為它有三度多的偏差厨相，另據南宋時代的測量领曼，認為偏差早已超過四度半，到了明代蛮穿，天文定向已經“不測紐星庶骄，以日景驗之”，可見紐星在元代逐漸失去北極星的資格践磅，被明朝史官評價為：“未有定說”单刁。在這個時代，國家級的天文觀象記錄屢現(xiàn)偏差府适，明代天文學家邢云路在《古今律歷考》中說：“唐開元間羔飞，測浚儀岳臺（開封古觀象臺），北極出地三十四度八分(現(xiàn)合N33.6°)檐春，《宋志》逻淌、《元志》皆云三十五度（現(xiàn)合34.5°）”，他分析是因“紐星去極古今尚無定論疟暖，況能測知極出地之度耶卡儒？”。天文官們的測量尚且差錯頻出俐巴，可想民間工匠難免有更大偏差骨望。極星以4°左右的視半徑繞極點旋轉，以極星作標志定向欣舵，自然會有0°--4°的偏差擎鸠。我們從明代后期提出的糾正方法上也可證明這種失誤的存在，《明史·天文志》說：“《周禮》夜考極星之法邻遏，……舊法不可復用糠亩，故用重盤星晷，上書時刻准验，下書節(jié)氣赎线，仰測近極二星即得時刻，所謂夜測星也糊饱〈沽龋”注意，明代是勾陳一與紐星交接的年代，有兩顆星在極點左右滞项，所以“測近極二星”狭归，加上參考時刻和季節(jié)加以修正，才能減小誤差文判。這種測量誤差的存在过椎，還有一個有意思的歷史緣故，因極星被儒家說成與皇位相關戏仓，“天文官”向皇室匯報“極星漸遠”有所忌憚疚宇，為了自保，隱而不宣赏殃。唐·白居易有：“天文時變兩如斯敷待，九重天子不得知”的詩句，就是嘲諷皇權重壓之下仁热，史官隱瞞“天機”的現(xiàn)實榜揖。
3.小結
? ? 故宮中軸偏斜并非設計者有意所為，它由元抗蠢、明举哟、清三代統(tǒng)治者延續(xù)600多年，尤其是物蝙，明炎滞、清兩朝，皇權傳承與元代不同诬乞，但沒有任何糾偏行為，反而將原有基軸延伸至7.8公里钠导，使故宮成為世界上最壯觀的皇宮群震嫉。這一事實證明“共軸說”、“反抗說”牡属、“龍脈說”不能成立票堵。明、清代從未有人提及中軸偏斜一事逮栅，說明微小的偏斜悴势，并不妨礙故宮“南面”的理念。2°--3°的偏差反映的是元代初年真實的技術能力措伐，假若一些古建的偏斜被保留下來特纤，也許正好是極星變遷留在地球上的印跡，是否還具有天文考古價值呢侥加。
? ? ? ? ? ? ? ? ? 02019-8-10
作者簡介：劉忠戰(zhàn)捧存，1947-5-13，男，陜西省西安市人昔穴，西安華偉光電測控技術公司镰官，總工程師，高工吗货，從事理論物理及光電測控技術教學和研究泳唠。
