为什么中国古代天圆地方的宇宙观下，能计算出子午线？
中国人古代的天圆地方宇宙观，与我们今天理解的球形地球宇宙模型有着本质的不同。然而，即使在这种看似“不科学”的框架下，古代中国依然发展出了相当成熟的历法、天文观测和地理测算能力，其中也包括了“子午线”的概念及其计算。要理解这一点，我们需要深入探讨古代中国人的宇宙观、观测手段以及他们如何基于这些认知构建出实用的工具。
天圆地方：一个多层面的理解
首先，我们要明确，古代中国人的“天圆地方”并非简单字面的“天是圆的，地是方的”。这种说法背后是一个复杂而多层次的宇宙模型：
“天圆”： 指的是天体运行的轨迹，特别是日月星辰的东升西落，以及浑天仪等天文仪器所模拟的浑天（天空）的球形运动。天空被视为一个巨大的、以大地为中心的旋转球体，日月星辰如同镶嵌在其中的宝石。
“地方”： 指的是我们所居住的大地。大地被描绘成一个平坦的、四四方方的区域，有“四极”、“九州”之分。但这并不意味着他们真的认为地球是一个刚性的方形平面。更准确地说，“方”可能更多地是一种象征，代表着大地的稳定、坚实，以及其秩序化的空间概念。有时，大地也被描述为“坤”，是柔顺、承载万物的存在。
“天象垂象”： 重要的是，古人认为“天”与“地”是相互对应的。“天象垂象”是关键。天上的星辰运行规律，如同在地上投下的影子或描绘的图案，预示着地上的吉凶祸福，也反映着地理空间的秩序。
所以，与其说是一个严格的几何学模型，不如说是一个“天人合一”的哲学与实践相结合的宇宙观。他们观察到的天空是圆的，并且在不断运动，而他们所生活的这片土地，他们感知到的世界，是相对稳定、广阔的，可以被划分为区域。
子午线：从观测到实践
那么，在这种宇宙观下，“子午线”是如何被理解和计算的呢？
首先，需要澄清一点：古代中国计算的“子午线”并非现代地理意义上连接南北两极的经线。古代中国人并没有“地球是球体”的概念，因此也就没有全球性的经纬度系统。他们所说的“子午”或者“子午线”，更多的是指与大地运行规律相联系的、具有特定时间（子时、午时）和方向（南北）意义的坐标轴线。
1. 时间与方向的关联：
子时： 传统计时中的午夜十二点（现代的24:00或0:00）。
午时： 传统计时中的正午十二点。
古人观测到，太阳在天空中运行，在子时和午时，它位于（或者说，此时天的运行方向最能代表）一条垂直于地平线的、从南向北（或者从北向南）的轴线。这条轴线，因为与子午这两个关键的时间点相关联，就被称为“子午线”的雏形。
“子午”的指向： 实际上，“子午”在这里更多的是指向“正南正北”的方向。子代表正北（北极星所在的方位），午代表正南（太阳在正南天空最高点），中间的这个方向就是我们所说的子午向，也就是南北向。
2. 天文观测与“量天尺”：
古代中国最著名的天文仪器之一是浑天仪。浑天仪是一个模拟天体运动的装置，由多个嵌套的圆环组成，可以指示星辰的位置，模拟天体的东升西落。
通过浑天仪，或者更简单的设备，如圭表（一种由直立的“表”和测量阴影的“圭”组成的仪器），古人可以精确地测量太阳在一天中的方位和高度变化。
圭表测量： 在正午时分，太阳位于一天中最高的位置，此时影子的长度最短。通过测量影子的长度，以及“表”的高度，古人可以推算出当地的纬度（尽管他们不这么称呼）。更重要的是，正午时的影子方向，就是正南正北的方向。
“量天尺”： 这种通过圭表测影来确定南北方向和测量长度（如日影长度）的方法，可以被看作是一种“量天尺”。它将天体的运动（太阳的最高点）与大地上的测量（影子的方向和长度）联系起来，从而在地面上确定出具有特定意义的南北方向线。
3. 地理测算与“计算”子午线：
“计算”子午线，在古代中国语境下，更像是“确定”或者“划定”。
建立基准点： 古代王朝会选择一个都城作为政治和天文观测的中心。比如，唐代的都城长安，宋代的都城汴梁（开封），都是重要的天文观测中心。
测量不同地点的日影： 当需要确定其他地点与都城之间的相对位置时，他们会派遣观象史（相当于天文学家）到各地去，使用同样的圭表仪器进行观测。
日影差异与距离： 古代天文学家（如张衡、一行等）发现，在同一天、同一时刻，不同地点的日影长度是不同的。他们通过对日影长度差异的精确测量，并结合天文学的知识（例如，一年中夏至、冬至、春分、秋分时太阳高度角的已知变化），可以推算出两个地点之间的地理距离，以及它们在南北方向上的相对位置。
“子午线”作为参考： 这种南北方向的定位，就构成了他们地理测算的基础。一条从都城出发，严格沿着正南正北方向延伸的线，就可以被视为一个“子午线”的参照。如果一个地方的日影与都城在同一时刻有固定的差异，那么这个地方就位于都城“子午线”的某个特定方向上（东或西）。
具体实践与例子：
《中国古代天文历法》和《中国科学技术史》 等著作中，详细记载了古代中国在天文和历法上的成就。例如，东汉科学家张衡就曾制造过浑天仪，并进行了相关的天文观测。
唐代科学家一行 在724年组织了一次大规模的全国性天文测量活动，派遣官员到全国各地测量日影，以此来确定地理位置和绘制地图。这次测量活动，虽然目的可能是为了更精确地制定历法和了解疆域，但其核心方法就是利用日影差异来确定各地的南北方向和相对位置。他们通过测量不同地点的正午日影长度，可以计算出这些地点与标准点的南北距离。
《晋书·天文志》 记载了“子午”、“卯酉”等方向的确定方法，以及与日月食等天文现象的关联。
总结：
总而言之，中国古代天圆地方的宇宙观下，计算“子午线”并非是要在球形地球上画一条连接南北极的线。而是基于：
1. 对天象（尤其是太阳的最高点）与时间（子午时刻）的精确观测。
2. 利用圭表等工具，将天象观测转化为地上的测量，从而确定正南正北的方向。
3. 通过不同地点日影长度的差异，推算出地理上的南北相对位置和距离。
因此，他们所说的“子午线”，更多的是一种以观测到的天文规律为依据，在大地空间上确定的南北方向上的参考轴线，以及基于这条轴线进行的地理方位和距离的推算。 这种方法虽然不基于地球是球体的概念，但其观测的精确性和计算的实用性，足以支撑古代中国在历法、测量和地理学方面取得显著成就。这体现了中国古代科学家们在有限认知框架下，通过勤奋观测和巧妙计算，解决实际问题的智慧。
天圆地方：一个多层面的理解
首先，我们要明确，古代中国人的“天圆地方”并非简单字面的“天是圆的，地是方的”。这种说法背后是一个复杂而多层次的宇宙模型：
“天圆”： 指的是天体运行的轨迹，特别是日月星辰的东升西落，以及浑天仪等天文仪器所模拟的浑天（天空）的球形运动。天空被视为一个巨大的、以大地为中心的旋转球体，日月星辰如同镶嵌在其中的宝石。
“地方”： 指的是我们所居住的大地。大地被描绘成一个平坦的、四四方方的区域，有“四极”、“九州”之分。但这并不意味着他们真的认为地球是一个刚性的方形平面。更准确地说，“方”可能更多地是一种象征，代表着大地的稳定、坚实，以及其秩序化的空间概念。有时，大地也被描述为“坤”，是柔顺、承载万物的存在。
“天象垂象”： 重要的是，古人认为“天”与“地”是相互对应的。“天象垂象”是关键。天上的星辰运行规律，如同在地上投下的影子或描绘的图案，预示着地上的吉凶祸福，也反映着地理空间的秩序。
所以，与其说是一个严格的几何学模型，不如说是一个“天人合一”的哲学与实践相结合的宇宙观。他们观察到的天空是圆的，并且在不断运动，而他们所生活的这片土地，他们感知到的世界，是相对稳定、广阔的，可以被划分为区域。
子午线：从观测到实践
那么，在这种宇宙观下，“子午线”是如何被理解和计算的呢？
首先，需要澄清一点：古代中国计算的“子午线”并非现代地理意义上连接南北两极的经线。古代中国人并没有“地球是球体”的概念，因此也就没有全球性的经纬度系统。他们所说的“子午”或者“子午线”，更多的是指与大地运行规律相联系的、具有特定时间（子时、午时）和方向（南北）意义的坐标轴线。
1. 时间与方向的关联：
子时： 传统计时中的午夜十二点（现代的24:00或0:00）。
午时： 传统计时中的正午十二点。
古人观测到，太阳在天空中运行，在子时和午时，它位于（或者说，此时天的运行方向最能代表）一条垂直于地平线的、从南向北（或者从北向南）的轴线。这条轴线，因为与子午这两个关键的时间点相关联，就被称为“子午线”的雏形。
“子午”的指向： 实际上，“子午”在这里更多的是指向“正南正北”的方向。子代表正北（北极星所在的方位），午代表正南（太阳在正南天空最高点），中间的这个方向就是我们所说的子午向，也就是南北向。
2. 天文观测与“量天尺”：
古代中国最著名的天文仪器之一是浑天仪。浑天仪是一个模拟天体运动的装置，由多个嵌套的圆环组成，可以指示星辰的位置，模拟天体的东升西落。
通过浑天仪，或者更简单的设备，如圭表（一种由直立的“表”和测量阴影的“圭”组成的仪器），古人可以精确地测量太阳在一天中的方位和高度变化。
圭表测量： 在正午时分，太阳位于一天中最高的位置，此时影子的长度最短。通过测量影子的长度，以及“表”的高度，古人可以推算出当地的纬度（尽管他们不这么称呼）。更重要的是，正午时的影子方向，就是正南正北的方向。
“量天尺”： 这种通过圭表测影来确定南北方向和测量长度（如日影长度）的方法，可以被看作是一种“量天尺”。它将天体的运动（太阳的最高点）与大地上的测量（影子的方向和长度）联系起来，从而在地面上确定出具有特定意义的南北方向线。
3. 地理测算与“计算”子午线：
“计算”子午线，在古代中国语境下，更像是“确定”或者“划定”。
建立基准点： 古代王朝会选择一个都城作为政治和天文观测的中心。比如，唐代的都城长安，宋代的都城汴梁（开封），都是重要的天文观测中心。
测量不同地点的日影： 当需要确定其他地点与都城之间的相对位置时，他们会派遣观象史（相当于天文学家）到各地去，使用同样的圭表仪器进行观测。
日影差异与距离： 古代天文学家（如张衡、一行等）发现，在同一天、同一时刻，不同地点的日影长度是不同的。他们通过对日影长度差异的精确测量，并结合天文学的知识（例如，一年中夏至、冬至、春分、秋分时太阳高度角的已知变化），可以推算出两个地点之间的地理距离，以及它们在南北方向上的相对位置。
“子午线”作为参考： 这种南北方向的定位，就构成了他们地理测算的基础。一条从都城出发，严格沿着正南正北方向延伸的线，就可以被视为一个“子午线”的参照。如果一个地方的日影与都城在同一时刻有固定的差异，那么这个地方就位于都城“子午线”的某个特定方向上（东或西）。
具体实践与例子：
《中国古代天文历法》和《中国科学技术史》 等著作中，详细记载了古代中国在天文和历法上的成就。例如，东汉科学家张衡就曾制造过浑天仪，并进行了相关的天文观测。
唐代科学家一行 在724年组织了一次大规模的全国性天文测量活动，派遣官员到全国各地测量日影，以此来确定地理位置和绘制地图。这次测量活动，虽然目的可能是为了更精确地制定历法和了解疆域，但其核心方法就是利用日影差异来确定各地的南北方向和相对位置。他们通过测量不同地点的正午日影长度，可以计算出这些地点与标准点的南北距离。
《晋书·天文志》 记载了“子午”、“卯酉”等方向的确定方法，以及与日月食等天文现象的关联。
总结：
总而言之，中国古代天圆地方的宇宙观下，计算“子午线”并非是要在球形地球上画一条连接南北极的线。而是基于：
1. 对天象（尤其是太阳的最高点）与时间（子午时刻）的精确观测。
2. 利用圭表等工具，将天象观测转化为地上的测量，从而确定正南正北的方向。
3. 通过不同地点日影长度的差异，推算出地理上的南北相对位置和距离。
因此，他们所说的“子午线”，更多的是一种以观测到的天文规律为依据，在大地空间上确定的南北方向上的参考轴线，以及基于这条轴线进行的地理方位和距离的推算。 这种方法虽然不基于地球是球体的概念，但其观测的精确性和计算的实用性，足以支撑古代中国在历法、测量和地理学方面取得显著成就。这体现了中国古代科学家们在有限认知框架下，通过勤奋观测和巧妙计算，解决实际问题的智慧。
网友意见
天圆地方是一种古人丈量天地的行为手段，其次才是一种天文地理观念，而这种观念也不是现代大多数人理解的“天是圆的地是方的”，也就是题主问题中的描述其实是种对古人的错误认知。而天圆地方的正确认识具体可以看我的这篇回答
那么在正确理解天圆地方后，问题就是如何计算子午线。世界上第一次子午线的测量，是由我国唐朝一行禅师与南宫说等一众太史局官员完成的。
《唐会要》卷四二说：”开元十二年四月二十三日，命太史监南宫说及太史官大相元太等，驰往安南、郎、蔡、蔚等州，测候日影，回日奏闻。数年伺候，及还京师，与一行师一时校之。”据《唐会要》和《新唐书・天文志》记载，当时北至蔚州、铁勒，南至安南、林邑，合计设立了13个观测站。 主要天文官员南宫说在河南主持观测，历官大相元太则在安南，这两个观测站所取得的成绩也最显著。他们测日影用八尺圭表，测北极高度用复矩仪, 测昼夜时刻则用漏壶。
太史监南宫说，在河南设立了四个测点，见下图，共测了三段距离。这样可减少误差，使结果更精确，还可粗略分析其变化的规律。同时，亦测各点北极出地高度，用做校核。
南宫说选择的是“河南平地”，便于丈量土地。采用工具和方法是“设水准、绳、墨、植表而以引度之"。即用绳子量度距离，用墨斗弹线连接测距，设立水准使绳子处于水平位置。量距过程中，为保持行进方向处于直线状态，使用标杆前后照准“以引度之这种测量方法要求颇高，已同近代平面测量所使用的方法相仿。
从上表可知，自滑州白马至豫州上蔡武津距离合计526里270步，夏至日影长度总相差2尺零半分，北极出地高共差1度半，于是得测量结果为350里80步而差1度。
唐大尺1尺平均约为29. 58厘米。于此，南宫说所丈量子午线1°的弧长为：
[(526X300+270) X5X0. 2958] ÷ 2°16' =103140 米≈103. 14 千米
注：1里=300步，1步=5尺，唐2度3分=现代2°16'
这数值同现代仪器测量的每1°弧长110.9千米，仅相差7. 8公里，颇为接近，误差仅7%。这应该说是一个相当不错的结果。
得出1度的弧长，再乘上90度，即可求出当地的地平面到天顶间的弧线长度，即1/4子午线的长度。
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