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天文科学在先秦时期奠定基础之后，秦皇汉武时期进入了整个体系的形成时期。这是一个极其重要的时期，是一个轰轰烈烈的大建树、大收获时期。
一、天学理论
汉代的天体结构理论，主要有宣夜说、盖天说、浑天说三家。
1.宣夜说
这是一个很有特色、很有见地的学说。
这个学说的创始人是谁，已经不得而知了。传下这个学说的，是这位创始人的学生棗担任秘书郎的郄萌。
据《晋书·天文志》记载，郄萌曾听他的老师说：天空是一个没有任何物质的空间，高远得无边无际。人们眼望上天一片苍茫，似乎是有颜色的。这就像是很远处的黄色山峦，可人们远望时看到的却是一片苍翠;又像是俯视千仞的深谷，一片黝黑。但苍翠与黝黑都并非它们的本色。日月星辰这些天体在无边无际的天空中自由地飘浮，没有任何的牵系，一切运动都由气来决定。
这个学说的出色之处，在于阐述了宇宙的无限性，否定了虚构天壳的存在，这是很了不起的。但它对日月星辰等天体的运行规律没有具体的阐述，更没有可供天文学家们使用的数学模式。于是，天体的运动就根本无序可言，这个学说也就失去了实用的价值。
所以，尽管这个学说充满了光彩，但这光彩被它的不足掩盖了，在当时难为世人赏识。
2.盖天说
产生于春秋战国时期的天圆地方的盖天说，后来又有许多的变化。特别是对于天壳的形状，产生了三种不同的说法：一说天如车盖;一说天形如笠;一说天如倚车盖。但这些都是次要的，关键是完善了一整套的数学模式。
盖天说的数学模式记载在《周髀算经》一书中，它描述的太阳运动轨迹，集中体现为七衡六间图。
盖天说的天体结构与数学模式，其实并不怎么样。它只是早期的一个学说，尽管汉代还有人为之修修补补，但毕竟已经衰落了。特别是西汉末年著名学者扬雄提出了难盖天八事以后，信从盖天说的人就更少了。
3.浑天说
种种的迹象显示，浑天说也应该是一种较早的学说。汉代是浑天说迅速崛起并取得主导地位的时代。在这个时代里，主张浑天说的人和文献很多，但现在能流传下来的却已经很少。学术界公推的代表说法，是张衡的《浑天仪图注》。虽然这本书是否真是张衡所作还有争议，但书中所阐述的确实可以作为汉代浑天说的代表性见解。
《浑天仪图注》中所说的浑天说是这样一派景象：
宇宙就像一个鸡蛋，天壳浑圆而包裹在外，大地如同蛋黄而在这内中，天大而地小。天与地都浮在水上。天凭着气而不坠落，地浮在水上而不坠落。
这是一个早期的浑天说，到了后来，又有学者把天壳内半是气半是水改为全是气，形成了晚期的浑天说。
浑天说在天文学界受人注目的是它的数学模式：
周天365□度，大地182□度浮在水上，182□度沉于水下。北极高出地36度，南极入地36度。赤道是与极轴垂直，横截天球为两半，黄、赤道的交角为24度。黄道上的夏至点去极67□度，冬至点去极115□度。这些数值与现代的准确值非常接近(现代周天度数为360度，两相折算，各项数值都与现代值极其接近)，这就使浑天说在古代确立起了独尊的地位。
无论是宣夜说、盖天说，还是浑天说，从本质上来说都是思辨性的，而不是实证性的，这是由于古代时期的客观条件所决定的。但就在这思辨之中，依然体现出了古代学者们的实际观测成果与高度智慧的思辨能力。
二、浑天仪器
汉代天文科学的丰硕成果，既得益于天文仪器的进步，同时也包含这些天文仪器在内。
西汉初年，为了制订太初历，由落下闳对原有的浑天仪作了改进，并用它重新测量了二十八宿的距度。
汉宣帝时，耿寿昌创制出了第一架浑象仪器。
东汉永元四年(公元92年)，民间天文学家傅安在传统的浑仪上增加了一道黄道环。这一改进引起了著名学者贾逵的重视，他在永元十五年(公元103年)主持制造浑仪时，吸取了这个成果，并特地命名为太史黄道铜仪。这时期天文仪器制造的最高峰，是张衡所制的水运浑象。
这些天文仪器，可分为浑仪与浑象两类。
1.浑仪
浑仪是根据浑天说理论制造的、用于观测天体的仪器。最基本的浑仪，具有固定不动的赤道环与能绕极轴旋转的赤径环(因为能绕极轴旋转，故习惯称之为四游环)，赤径环上装置有窥管。
使用时，先将浑仪的赤道环的位置与大地的赤道圈对准，然后再将窥管对准所要观测的天体，在赤道环上就能读出具体的数值(古代中国习惯使用去极度、入宿度为基本数值)。
以赤道环为观测的基准，是建立在古代中国天文科学以赤道坐标为基准坐标的基础之上的(参见第一章第四部分)。但中国古代天文科学并不排斥其他坐标体系，所以后来会增加黄道环、白道环、地平环、子午环以及二分二至环、百刻环等。每增加一道环，就能使一次观测多读出一个数值，也就使观测的精度更加提高。2.浑象
浑象是一种表演天体视运动状态的仪器，也就是现代天球仪的鼻祖。
浑象的主体是一个象征天球的圆球体，上面绘(或刻)有赤道、黄道圈与日、月、星辰等天体。
浑象能使人们无论白天还是黑夜，都能很直观、很形象地了解当时的天象，有利于人们学习、探究、掌握天体知识。
张衡在耿寿昌发明的浑象基础上，制造出了更为先进的水运浑象。它的主体是一个直径约5尺(约当今120厘米不到一点)的空心铜球，上面画有黄、赤道与二十八宿及其他星官。紧附球体的，是地平圈与子午圈。整个天球一半在地平圈上，一半在地平圈下，可以绕天轴转动，正表现了所能看到的天象实况。整个浑象还与一套水力推动装置相连接，利用漏壶滴水的动力与漏壶的计时性，使浑象能够与昼夜时刻的变化相同步，使浑象所演示的与实际的天象相一致。
这是一个了不起的创造发明。从浅近处说，水运浑象能够形象地演示天象的实际变化，使浑天说得到普及推广，而从长远处说，对于整个天文学事业的发展，对于后来发明机械计时装置，都有着重要的意义。
天文仪器的进步，特别是浑仪的改进，最先受益的恐怕是天象的观测与记录。
汉代对日、月、五星的观测精度都有不同的提高，内容也有不断的扩充。如对日食的观测，不仅有了具体的日期，而且对食分、方位、亏起方向、初亏、复圆时刻等等都注意到了。又如对太阳黑子的观测，对其出现的时间、形象、大小、位置等等有了明确的记录。其他如新星与超新星、极光等也都是从汉代开始有了详实记录。
如果要说汉代是古代中国系统观测、记录天象的起始时期，那是绝对不错的。
汉代以前，古代中国的先人们也有天象观测与记录，但由于种种条件的局限与客观因素的影响，一方面当时的观测在系统性上确实还不够，另一方面一些观测的记录也未能完善地保存下来。
而从汉代开始，一方面朝代的沿革较为正常了，历朝对天象观测也较为正规，另一方面从汉朝起开始有了正史，成为古代时期保存天象资料最主要的文献。
这也是天文学体系在汉代形成的重要内容之一。
三、历法体系
秦王朝使用的是颛顼历，它是古六历之一，秦王朝统一中国以后成为了全国通用的历法，但终究因为没有完整地保存下来，所以后人对它知之甚少。
现在人们能够知道颛顼历的情况，只因在唐代的《开元占经》中略略保存了一些基本数据，如岁实、朔策、章蔀纪元、历元等等。
颛顼历一直使用到汉代初年，那是由于汉初的天下刚刚夺下，还来不及改制新历。直到汉武帝时期，改历才被提上了议事日程。公元前104年，踌躇满志的汉武帝下令由公孙卿、壶遂、司马迁等议造汉历，同时征召了当时著名的民间天文学家与占星家共二十余人参加具体的工作。在经过一番紧张的工作之后，一共提出了18种草案。经过集体的讨论、考辨、比较，最终采用了邓平的方案，于是汉代的第一部历法就此诞生了，这就是我国第一部由国家组织制订的历法棗太初历。
好事常多磨，这部历法的原文早已失传了，幸好西汉末年刘歆用这部历法中的主要数据改制成三统历(现保存于《汉书·律历志》中)，后人还能基本了解到太初历的情况。
在三统历中，开始有了气朔、闰法、交食与五星周期等内容。它将没有中气的月份定为闰月，在135个朔望月中设23个食季。这些很可能就是太初历的内容。
东汉章帝元和二年(公元85年)，太初历被废止，推出了由贾逵、李梵、编訢等人编制的四分历。所以命名为四分历，是因为岁实、朔策这两个最基本的常数与战国时期的四分历完全一致。
整个两汉时期的历法，成就最高的是东汉末年刘洪编制的乾象历。乾象历初成于东汉灵帝光和年间(公元178?83)，终定于东汉献帝建安十一年(公元206年)。但这部历法在东汉时没有能被采用，直到吴黄武二年(公元223年)才被正式颁布使用。
在古代中国的历法史上，乾象历被认为是一部具有划时代意义的历法。这种划时代的意义，主要体现在：
乾象历是我国天文学史上第一部具有月行迟疾(即月球运动不均匀性)内容的历法;
乾象历第一次明确提出了交点月的概念(即月亮从白道与黄道的一个交点运行一周后回到原交点所需的时间)，并给出了一个相当精确的数值27.55336(现代精确值为27.55455);
乾象历缩小了回归年的斗分值，即将一年365□日的值提升为365.246179日，更趋精确;
乾象历提出了食限的概念，使对日食发生率的判断更为精确;
乾象历还创造了月行三道术、更为精确的五星推算法……
至此，就可以知道乾象历何以被称为具有划时代意义的历法了!
太初历诞生的那一刻起，宣告了中国天文学史上的一件至为关键的要事：古代中国历法体系就此形成了!
众所周知，古代中国的历法是一种阴阳合历，即以太阳的运行定年，以月亮的运行定月，为了使年、月两者的日期相合，用设置闰月的办法来解决。但这实际上并不是古代中国历法独有的特点，因为世界上的历法大多是阴阳合历。
也有的人认为二十四节气是古代中国历法的特点，这确实有一定的道理。二十四节气的确是古代中国的独特创造，它源起于上古时代，最终完成于汉初。二十四节气的实质是分得更细的阳历月，因为阴历月对农业生产的适时性不利，所以就有了二十四节气。但二十四节气只是历法的具体内容，不能算是历法的体系特点。
那么，古代中国国家历法体系的特点是什么呢?如果您能看一下那些正史上所载的历法，很快会发现：不是专业人员就绝对看不懂。原来，古代中国的国家历法，实际上都是天文历而不是普通的民用历。
在这些历法中，有的是一系列的天文学专用数据。如果您是一位内行人员，就能看出这些数据的价值如何，而且能运用这些数据计算出所需的答案。如，您想知道什么时候会发生日食吗?那就只能根据历法提供的有关数据，还要懂得有关的计算方法与公式，如此一般，才能计算出结果来。而如果您不是内行人员，也就什么都得不到了。
这就是古代中国国家历法体系的特点。
而这种体系在太初历问世时就已开始形成了。
