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第3部分

中外科学家发明家丛书:朱载堉 _2-第3部分

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天文学家的努力,天文历法工作不断取得进展。到元代,著名科学家郭守敬、 

王恂等人在进行大量观测并吸取前人研究精髓的基础上,于1281年编撰了十 

分精密的历法——授时历,从而把我国古代天文历法的研究工作推向了新的 

高峰。可惜,明王朝建立以后,由于对天文历法的研究工作采取了极其错误 

的政策,兼之墨守成规、不思改革的思潮泛滥,致使具有优良传统和雄厚基 

础的天文历法工作失去了生机,迅速从光辉的高峰上跌落下来,进入了一个 

停滞不前甚至倒退的黑暗时期。 

     明太祖朱元璋为了加强明王朝的封建统治,采取了一系列思想控制措 

施,对于天文历法的研究,也制定了极其严厉的法律条例,不许民间私自习 

历、造历,违者或充军或处死。 

     明代所采用的历法叫大统历,其实它就是授时历,仅改变了名字而已。 

大多数历官只能依样画葫芦,穷于应付皇历的颁布。虽然在使用过程中,也 

曾发现预推结果与实际天象不符的情况,但多无可奈何,不了了之。在朱载 

堉提出改历之议前,也曾有人提出对历法作小修小改的意见,但由于提议者 

本身学识肤浅,不能切中要害,更加上反对的势力强大,这些人多以大统历 


… Page 10…

 “理数极精,古今历无过之者”为由反对改革祖宗之法,所以改历之事一直 

束之高阁。这样年复一年,恪守旧法之风益甚,造成了官方历法研究死水一 

潭的状况,用明孝宗的话说,已经形成了“朝士鲜知星历者”的可悲局面。 

     朱载堉正是这样的历史背景下,开始他的天文历法研究工作的。首先朱 

载堉要冒很大的风险才能从事天文历法的研究,没有足够的胆识是不敢问津 

天文历法这一禁区的。其次,朱载堉必须突破祖制不可变的思想藩篱,与盲 

目迷信授时历或大统历的社会思潮相抗争。如果没有这样的精神,即使涉足 

于天文历法这一领域,也将一事无成。再者,朱载堉面对着朝野人士对于天 

文历法基本无知的形势,他必须从头开始,靠自己的努力,一点一点地学习、 

摸索,以期解其术、通其法,进而“采众说之所长”,并力求达到“青出于 

蓝而胜于蓝、冰生于水而寒于水”的新境界。为此,朱载堉不知付出了多少 

辛勤的汗水。 

     朱载堉从研究史志所载各家历法入手,步入天文历法领域。通过刻苦的 

学习和研究,先后编撰了两种历法——黄钟历和圣寿万年历。 

     黄钟历和圣寿万年历均取中国古代传统历法的经典形式。黄钟历共分九 

篇,分别解决24节气、72候的计算;月朔和闰月的安排;每日日影长度、 

漏刻更点和南中天星象的推求;日、月交食的预报,日、月五星运动的计算 

及其在恒星间所处位置的预报等等天文历法问题。圣寿万年历与之大同小 

异,共分八篇。这两种历法,除所设历元不同,和因此导致的若干天文数据 

有所变化外,和授时历并无重大的差异。 

    从表面上看,黄钟历和圣寿万年历分别取万历九年(1581年)和嘉靖三 

十三年(1554年)为历元。但实际上在进行各种历法问题的具体推算时,黄 

钟历是以1581年前的300年,即1281年为实际历元,而圣寿万年历则是以 

1554年前的4560年,即公元前3007年为实际历元。 

     黄钟历和圣寿万年历对授时历最有意义的修正,是关于回归年长度及其 

古今变化的研究。 

     我们知道,回归年长度 (T)并非恒量,而是一个随时间而变化的变量, 

任一年 (t)的回归年长度值可由下式表达: 

    T=365。24219878…0。0000000614(t…1900) 

    这是由现代天体力学推导出的理论公式。 

    在我国古代,关于回归年长度古大今小的概念,是由南宋天文学者杨忠 

辅首先提出的,在他的统天历中,他建立了求任一年回归年长度值的公式: 

    T=365。2425…0。000002116(t…1195) 

     元代郭守敬等人,接受了杨忠辅的这一概念,并在他们的授时历中给出 

了经过修正的新算式: 

    T=365。2425…0。0002t 

                        0 



     式中t为以1281年起算的整世纪数。 

           0 



     朱载堉批判地继承了杨忠辅、郭守敬等人的成果,建立了回归年长度古 

今变化的新公式: 

    在黄钟历中,设实际历元 (1281年)的回归年长度为365。2425日, 

    T=365。2425…0。00000175(t…1281) 

    在圣寿万年历中,设实际历元(公元前3007年—公元1554年前的4560 

年)的回归年长度为365。25日, 

    T=365。25…0。00000175(t+3006) 


… Page 11…

     这两个公式基本上是等价的,依之计算,T值仅有约0。000002日之差。 

     这样,朱载堉纠正了郭守敬等人回归年长度消长法的不当之处,在探索 

回归年长度古今变化规律的道路上又迈进了一步。 

     在编撰黄钟历的过程中,朱载堉几乎对古代历法的所有重要问题都作了 

评述,其心得载于《黄钟历议》之中。后来在编撰圣寿万年历时,他又对历 

代冬至时刻、晷影测量和交食记录作了详细的考证,而写成《万年历备考》。 

这些研究工作的方法,正如朱载堉自己所说的是:“辑名历五十家,倾心考 

证,时刻分秒,期吻合于玑衡”,其目的则是“采众说之所长,羽翼大统, 

广其未备”。 

      《黄钟历议》共有36篇,其中前12篇主要论述音律与历法的关系,后 

24篇则论述历法的各种问题,并对地理纬度测量新法进行了探讨。 

     在编撰圣寿万年历的过程中,朱载堉又进行了许多天文历法的研究工 

作。特别是对冬至时刻和交食的分析测算。冬至时刻的测定,也就是24节气 

的测定,它与农业生产有较密切的关系。而交食是最明显的天象之一,其预 

报准确与否,是检验历法的最可靠方法。朱载堉对这两个重要问题进行了深 

入的研究,其成果就是《万年历备考》中收载的《诸历冬至考》、《二至晷 

景考》和《古今交食考》等3篇专题论文。 

     朱载堉深知历法“欲求精密,则须依凭象器测验天文,积日累月,务得 

其实,而后缀以算术,立为定法,方可成一代之懿制,传之万世而无弊也”。 

可是,朱载堉所面临的现实却是“仪表之具,生来目所未睹,况能知其距度 

之疏密,展次之广狭乎”。这无疑限制了朱载堉天文才能的施展。虽然如此, 

朱载堉还是作了力所能及的努力,他动手制作了一些小型的天文仪具,设计 

了新的测量方法,取得了很好的结果。朱载堉的天文历法工作不只在于历法 

的编撰本身,还在于他吸取了先辈天文历法家许多宝贵的思想和成果,并加 

以发扬光大,不但给当时处于凋零枯萎的天文历法界注入了生机,也为后世 

天文历法的发展开拓了道路。 



                                 五、数学研究 



     由于朱载堉要确定律管的内外周、内外径、横截面和容积,圆周率取何 

种数值,是一个很重要的问题。朱载堉在 《律吕精义》中叙述了“新法密率 

算术周径冥积相求”之法,在这里,设径为d,周为I,面积为S,按照朱载 

堉的说法,则径求周为: 

         40  d2 / 2 

     I = 

             9 

周求径为: 



                    2 

                9I 

               
… Page 12…

的径率即圆周率,其值为 

              40 

      π=           = 3。1426968 

            92 + 92 

他把这个数值称之为“周公密率”。 

     由此看出,朱载堉的“周公密率”远不如祖冲之推算出的圆周率精确。 

因此,他的关于律管的圆周、面积和容积的计算值也就有误差。可是,在实 

际使用上,在以寸为单位测量时,毫位数(小数点下三位数)已是估计值了。 

因此,朱载堉的圆周率数值并不影响他制造发音准确的律管。 

     朱载堉在数学研究过程中,使用算盘完成了包括开方在内的大量计算。 

数学与算盘是他从事乐律研究的翅膀。他完成十二平均律之时,也就是他运 

用算盘进行开方运算成功之日。 

     一尺为九寸,一寸为九分,称为九进尺。这种尺,一尺中共81分。在朱 

载堉的《乐律全书》中称它为“纵黍律尺”。据传说,古代人以黍粒纵排81 

粒,刚好为一乐律尺。一尺为十寸,一寸为十分,称为十进尺。这种尺,一 

尺中共有100分。在朱载堉的《乐律全书》中称它为“横黍度尺”。因为它 

是以黍粒横排百粒,其长度刚好与日常用尺相同。传说,在先秦时期,日常 

用尺与乐尺相等长度。也就是,一纵黍律尺等于一横黍度尺,这两种尺的长 

度相同而进位不同。 

      《乐律全书》中指出了三种不同进位尺:横黍尺即平常十进尺;纵黍尺 

即九进尺,斜黍尺即混合进位尺。它是以斜排黍粒90粒而得到的一种尺,称 

为“斜黍九十分尺”。它的尺单位长度与横黍尺、纵黍尺相等,但尺以下各 

单位为每尺九寸,每寸十分。朱载堉在这里的数学贡献是用算盘完成了九进 

制和十进制的小数换算,在数学史上是一项开创性的工作。 

     朱载堉的最后一项数学工作是他找到了计算等比数列的方法,并成功地 

将它应用于求解十二平均律。这一点在数学史和律学史上都是有意义的。朱 

载堉在《律学新说》和《律吕精义》两书中是采用一种数学表达方式来叙述 

十二平均律的,这就是:将八度音程比值2进行12次方根运算,第12次方 

根值即是十二平均律的半音音程;既求得半音音程,那么,只要将起始音音 

高除以半音音程值,连续作这样的12次运算,就得到了十二平均律的各个音 

高值。实际上,这就是在八度中构成等比数列的方法。 



                                 六、物理学 



     在声学方面,朱载堉对乐器的共振现象作了细致的分析。在今天看来, 

二个音的振动频率成整数比或简单分数比,就可以发生共振,在音乐学上, 

就能产生悦耳的和声效果。在朱载堉看来,成整数比的二个音称为“正合”, 

成简单分数比的二个音称为“旁合”,并且说,“旁合为和,正合为同”。 

 “正合”也称为“应”,“弹宫宫应,弹徵徵应,日应;弹宫徵和,弹徽商 

和,日和。”他又说,“凡丝弦之属,宫与宫协为正合 (商以下做此);宫 

与徵协为旁和(商与羽协,羽与角协做此)。正合为同,旁合为协。”“筝 

弦隔六为正合,隔三隔四为旁合”。 

     在瑟中,他又详细举了撮八 (又称隔八)为正合,而上生撮四、下生撮 

五为旁合。例如,瑟第1与第8弦,第15与第22弦皆为宫音,第2与9, 

第16与第23弦,皆为商音;第3与10,第17与24弦皆为角音;第4与11, 


… Page 13…

第18与25弦皆为变徵音;第5与12,第19弦皆为徵音;第6与13,第20 

弦皆为羽音;第7与14,第21弦皆为变宫音。这些弦都是撮八正合音。这 

些音是纯八度相合。由弦线较长的音生弦线较短的音为下生,即由低音生高 

音,如宫与徵,商与羽,角与变宫等为旁合,亦即撮五旁合,反之为上生, 

则是撮四旁合,如变宫与变徵,羽与角,徵与商等。这些音是纯五度相和。 

这些发音分析,在音乐物理学上又称为谐和分析,也是和声学中的基本内容 

之一。在音乐实践中,朱载堉吸取了民间笙师的经验,利用复音乐器笙的几 

个和声管来验证律管和其它乐器的发声,作了极好的和声实验。 

     为了要测定准确的黄钟律管,朱载堉认为,不能以黍粒决定它的容积, 

而改用水银。因此,他相当准确地测定了水银密度。他所测定的水银密度与 

                                                              3 

现代测定的水银密度比较,当0℃时,误差为+0。2672克/厘米 。当20℃时, 

                        3                              3 

误差为+0。3165克/厘米 。平均误差为0。2912克/厘米 ,近似于0。3克/厘 

   3 

米 。其精确性令人惊讶。 

     朱载堉的又一个物理学工作是测定了地磁偏角。在世界上最早发现地磁 

偏角的是宋代沈括,但他没有具体记下偏斜角度及地理位置。朱载堉用“正 

方案”对地磁偏角作了具体的测定。所谓“正方案”,它是由郭守敬发明的 

一种利用桌影来测定南北方向的仪器。桌置于该仪器平板的中心,以此中心 

为圆心画有同心圆若干。同心圆可按需要画上刻度,如朱载堉将圆分为百刻。 

当南北方向测定后,指南针的方向与南北方向的夹角即是磁偏角。根据朱载 

堉的测量,其地磁偏角为 

       1 

     1 

       3 

         ×360°= 4。8°= 4 °48 ′ 

     100 

     朱载堉是在1567—1581年间在北京测得的这个磁偏角。也就是说,在那 

个时候北京的磁偏斜为偏离地理南北方向朝东4度48分。 



                           七、音乐的艺术实践 



     王国维讲治学的三种境界,其第一境界用宋代词人辛弃疾的话“昨夜西 

风凋碧树,独上高楼望尽天涯路”,写出了大学问家未�

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