專職天學機構及其日常工作
既然天學為天子壟斷，很自然，天學機構及其直接象徵觀象臺（類似於現代的天文臺，當然用處不一樣）也為皇家獨佔，其他任何地方政權或個人都不能建立，否則就是"犯上作亂"的行為，用現在的話來說就是犯法。但在中國古代歷史上，可以找到一個例外，即北齊的張子信，他可能趁中原長期戰亂時在海島上建立過一個小型天文臺，並取得了重要成果。這或許是中國古代唯一可與西方私人天文臺相媲美的例子。歷代天學機構名稱及主要負責人官名變動沿革如下：
秦 太史令
西漢 太史公 太史令
東漢 太史令
魏晉南北朝 太史局；太史
隋 太史曹 太史監；太史令
唐 太史局 渾天監 渾儀監 太史監 司天臺；太史局令 渾天監 太史監 司天臺監。824人
宋 司天監 太史局 天文院；司天監 太史局令
遼 司天監；太史令
金 司天臺；提點 司天監
元 司天監 回回司天監 太史院；提點 司天監 太史院史。259人
明 欽天監；太史令 監正。41-23人
清 欽天監；監正。154人
與現代社會中天文學家的身份截然不同，古代皇家天學機構的負責人及其屬吏都是政府官員；天學機構則是中央政府的一個部門，通常在地方上沒有常設的下屬機構和人員。有時為了特殊的觀測任務，則委派臨時人員，元明兩代例外。不過這個部門在理論上的品級卻一直不太高，最高時在唐代，曾達到三級左右，最低時在五品左右。天學機構的工作人員主要有三個來源：一是世襲的天學官員，二是從社會上招集，三是本身的專門培訓。
天學機構的主要工作如下：首先是天象的觀測記錄，內容有恆星位置的測定，並編製成星表或繪製為星圖；日月食和掩星觀測；行星在恆星背景下的視運動狀況；異常天象的觀測記錄，包括彗星新星流星太陽黑子等。對其中的某些天象還要有選擇地向皇帝匯報。其次是觀天儀器的研製和管理。三是修訂曆法，編算曆書歷譜並印製頒發。
天學儀器與典籍
天學儀器的出現是天文學走向定量化的必然結果，只有藉助於天學儀器才能精確定量地測定各種天文數據。中國古代的天學儀器大致可分為三類：圭表、漏刻和儀像。其中渾儀、渾像兩類是古代渾天家測侯和演示天象的基本儀器。
渾儀是測量天體位置的赤道式儀器，歷代製作各不相同，但基本上是由許多同心圓環組成，中有窺管。測量天體位置是古代天學事務中最為重要的基礎性工作，因此，歷代對渾儀的製作均是竭盡所能。渾儀何時發明，目前尚難斷定。史籍中最早明確記載渾儀製作的是西漢的落下閎，隨後東漢賈逵、張衡，東晉孔挺，唐代李淳風、一行，北宋沈括、蘇頌等均對渾儀作過不同程度的改進，使它有利於實際觀測。而元代郭守敬的簡儀則是對渾儀革新的產物。
圭表是一種既簡單又重要的測天儀器，它由垂直的表（一般高八尺）和水平的圭組成。圭表的主要功能是測定冬至日所在，併進而確定回歸年長度，此外，通過觀測表影的變化可確定方向和節氣。
漏刻是古代的一種計時工具，漏是指計時用的漏壺，刻是指劃分一天的時間單位，它通過漏壺的浮箭來計量一晝夜的時刻。漏刻的計時方法可分為兩類：泄水型和受水型。漏刻是一種獨立的計時系統，只藉助水的運動。漏壺的改進是個技術性問題，但更關心這個問題的是古代的天學家，如張衡、沈括等都對漏壺的改進有過貢獻。因為除日常生活中需要準確的時間計量外，天文曆法中更要求有精確的時間計量系統。
渾像是古代渾天家用來演示天球週日運動的儀器，類似於現代的天球儀。基本結構是一個圓球，在球面上有星辰和黃道、赤道等。漢耿壽昌、張衡，三國吳陸績和王蕃等製作過機械轉動的渾像，最有名的當屬唐一行和梁令瓚的開元水運渾天、北宋張思訓的"太平渾儀"和蘇頌等的元佑渾天儀像（現在通稱為水運儀像臺）。蘇頌曾把整個儀像臺的結構、部件的形狀、尺寸等寫成一份說明書《新儀像法要》。
中國古代最系統、最完整、記載資料最豐富的天學典籍，當首推歷代官制中的天學三志：律歷志、天文志、五行志。其中有少數幾種官史中這三志的名稱稍有變化，但其所述內容仍與傳統相符。五行志專述該朝災異、祥瑞的情況，為各地災異、祥瑞報告的文獻匯總；律歷志是關於該朝律與歷的文獻匯總。天文志所記錄的是該朝發生的天文大事，天象記錄，以及對應的星佔佔辭等。此外，還有重要的星佔著作如《開元佔經》等，官修大型天學著作如《崇禎曆書》等，私家著述如明朱載 育《聖壽萬年曆》等。
宇宙論
《淮南子原道訓》註："四方上下曰宇，古往今來曰宙，以喻天地"。宇宙，一般當作天地萬物的總稱。宇宙學就是從整體的角度來研究宇宙的結構和演化。在中國古代，關於宇宙的結構，主要有三派學說，即蓋天說、渾天說和宣夜說，此外還有昕天論、穹天論、安天論等。
渾天說認為，天地具有蛋狀結構，地在中心，天在周圍。渾天說到底是何時由何人首次提出，現在已不得而知。但作為一種宇宙學說，它的產生和發展卻與一種實用的測天儀器──渾儀有著密切的關係，史籍所載明確的渾天說直到東漢張衡造渾天儀並作《渾天儀注》時才提出來。張衡的宇宙學說被後世天學家多次引用和發展，並成為中國古代絕大多數天學家公認和遵用的宇宙學說。中國古代天學家就是以《渾天儀注》中所描述宇宙模型，進行天文觀測和曆法推算的。以後歷代曆法推算方法上常有改進，但基本模型仍是少有變化。
蓋天說是比渾天說出現更早的一種宇宙說，可將其起源、發展的過程分成兩個階段。第一個階段為原始的形象化比喻的"天圓地方說"，沒有進一步關於天地結構的定量描述；第二階段以《周比算經》為基本綱領性文獻，提出了自成體系的定量化天地結構，基本假定是天地平行，其間相距八萬里。蓋天說家以此解釋天地結構和天體運行，併進行定量描述和計算。
宣夜說認為天是無限而空虛的，星辰就懸浮在空虛之中，自由自在地運行著。史籍中關於宣夜說的記載現在只找到兩條，其中一條還是斥責它"絕無師法"的。這種說法與現代宇宙論頗有形似之處，所以往往被作適當發揮之後，成為中國古代最先進的宇宙學說。然而，宣夜說認為日月星辰自由自在地運行，所以對它們的運行規律也就無從談起。這種對天體自由運行的誇大，使得宣夜說無隻字片言談到對天地結構的定量化描述，所以嚴格地講，宣夜說還不能稱作為一種宇宙學說。
上述三家之外，還有三國時吳太常姚信所在"昕天論"，東晉虞聳的"穹天論"，晉虞喜的"安天論"，都不能稱為嚴格的宇宙說，對後世也沒有產生什麼影響。只有渾天、蓋天兩說，是中國古代真正的宇宙學說，而且兩說各有合理成分，都沒有完全被拋棄。
在中國古代，蓋天、渾天之說，圭表、渾儀等器，以及天文曆法之操作規則，這些都是為著一個致用的目的──為王權服務。然而賦予這個致用目的以一種神秘、莊嚴、威嚴，以致人人相信它的有效性的，是古代深入人心的天學思想──天人合一。這裡的"天"是被用來指整個自然界，它在古代中國人心目中，並非像近代科學的"客觀性假定"中那樣是無意志、無情感、可認識的客體，而是一個有意志、有感情、無法徹底認識、只能順應其道、與之和睦共處的龐大而神秘的活物。它表現為兩個不同的層次：天地相通和天地對應。
數理天文學成就──曆法
中國古代曆法的主要研究內容是日、月及五大行星的運動規律。就此研究內容而言，稱中國古代曆法為中國古代數理天文學是恰當的。史籍所載中國古歷前後近一百部，其中獲得官方正式頒行的五十餘部。各部曆法在具體內容和治歷方法上有承襲，也有變革，綿綿兩千餘年，作述不息。令人嘆為觀止。要而言之，中國古代曆法的中心課題可以歸結為兩個：原理和數據。原理是指日、月、五星運動規律在曆法中得到的反映；數據是指曆法對日、月、五星運動的數值描述。曆法之疏與密主要從這兩個方面表現出來。
根據原理和數據這兩個要素，對中國古代曆法作縱向考察，可以按時間順序將其大致分為三個階段：（1）兩漢魏晉南北朝曆法；（2）隋唐兩宋曆法；（3）元明曆法。
傳說漢代以前有所謂的先秦古六歷，然而對它們的真偽，便是古人也早已懷疑。漢武帝時修的《太初歷》是中國古代有明文記載的第一部曆法，但已不傳。西漢末劉歆所作的《三統歷》是第一部被完整保留下來的曆法，但學者們認為它幾乎就是《太初歷》的翻版。《後漢四分歷》雖經反覆修改，但並無實質變化。直至劉洪《干像歷》，引入月亮視運動的不均勻性，算是一大進步。此歷並未頒行，至魏晉修歷時其先進方法被採用。南朝何承天《元嘉歷》在實測數據上有所改進。祖沖之所造《大明歷》則試圖從改變閏周和測定冬至點入手，提高曆法精度，但由於政治原因，其法不得施行。
隋張賓《開皇歷》依何承天之法，微加增損而已。而劉焯的《皇極歷》根據北齊張子信發現的太陽週年視運動和行星運動不均勻性，引進定氣；採用定朔、歲差；還運用先進的數學手段解決計算問題。所有這些先進的原理和方法的運用使得《皇極歷》成為一部具有里程碑意義上的曆法。同樣由於政治原因，其法不得施行。但時人稱其為精密。唐初《戊寅歷》和李淳風《麟德歷》雖然行用一時，但它們的成就均不出《皇極歷》的範圍。直至一行《大衍歷》，在對天體運動的理解、實測、計算技巧方面，都有重大革新，使得《大衍歷》成為中國古代曆法史上冠絕一時的好歷。南、北兩宋頒行的曆法共有十九部之多，然均無重大突破。
《大衍歷》之後，元代郭守敬等人的《授時歷》成為中國曆法史上的另一座高峰。經過前後數百年的努力，曆法所反映的天體運動規律，即治歷的基本原理已被古代天學家們大致掌握，欲使曆法有所改進，惟有在數據及其處理方法上下工夫，《授時歷》便是在這方面作出努力並獲得成功的典範。其基本數據全憑實測，打破古來治歷舊習，開創後世新法之源。明代遵用《大統歷》，其法沿用《授時歷》。
功能及性質探討
前面說過，交通天地人神祇能由皇家壟斷，那麼反過來講，能夠交通天地人神的人方能為王。其實這與人們較為熟悉的"君權神授"理論是一脈相承的。而溝通天地人神最直接最重要的手段，在古代正是天學，也就是我們這裡所說的古代天文學（正是基於這種原因，我們通常把中國古代天文學稱為天學）。因此，對於朝廷和帝王來說，為了替自己的政權提供合法的依據與象徵，建立皇家天學機構決不是一件科學方面的事務，而是政治上的頭等大事之一。另一方面，為了不讓旁人也獲取通天手段，就要對天學施行嚴厲的壟斷措施，其中最突出的就是歷代王朝對"私習天文"所頒布的厲禁。
這裡的通天手段──天學，通俗地講就是星佔學。中國古代星佔學的特色特別強烈，它專以戰爭勝負、年承豐歉、王朝盛衰、帝王安危等軍國大事為佔測對象，可以稱為"軍國星佔學"。這與預測個人窮通禍福的"生辰星佔學"絕然不同。在古代中國的天學運作中，星佔學實質上佔據了最主要的地位，因此天學的政治、文化功能，在很大程度上正是星佔學的政治、文化功能，這在下面的論述中將清楚地看到。
中國古代天學與皇權的這種特殊關係，決定了它在政治運作中可能扮演重要的角色。由於"君權天授"、"天命轉移"的觀念在古代中國深入人心，因此每逢改朝換代之際，被認為必有天命的轉移。而天命又是由天象來顯示的（當然要由天學家對此作出闡釋），故一些特殊天象乃至大氣，常被視為改朝換代的徵兆和天命轉向新王朝的證據，鄭重地加以利用。這類事例在中國古代歷史上不勝枚舉。如漢高祖劉邦進入關中時，被說成有"五星聚於東井"以兆示他將成帝業。即使在社會安定時期，異常天象也回被用來鼓動野心家問鼎。比如漢武帝時的淮南王劉安，因大彗星出現，聽信方士之言，以為自己可能有天子之望，遂準備謀反。
當新朝得天下之後，天學家們還有一項必不可少的任務，即為新朝提供新的曆法。因為在中國古代，奉誰家的正朔，即使用哪一種曆法，是政治上的大是大非問題；特別是當有多個獨立政權並立時，一個政權用哪個王朝的曆法，就意味著承認該王朝在理論上的統治權。所以當新王朝統一天下時，必然要採用一種新的曆法頒行天下。
在中國古代被賦予星佔學意義的天象中，絕大部分都是凶兆──即上天對人間政治黑暗或君王無道的譴責和警告但是要利用天象來歌頌聖明、粉飾太平，天學家們仍然不會束手無策。因為一方面，還有少數吉祥的異常天象以及大量被稱為"祥瑞"的自然現象可資利用；另一方面，將"不吉"的天象解釋成其他意義，或宣稱不吉天象因帝王的德行而消失，同樣可收歌頌升平之效。歷史上這類粉飾太平的事件也很多。利用天學還可以打擊政敵。如北宋郭天信，利用天學使重臣蔡京被黜。
由於將異常天象視為上天對人間政治黑暗、君主失德的譴責和警告，這種觀念在古代中國深入人心，大臣和君主都在很大程度上接受這一觀念，這就使得臣下可以借用天象來諫勸君主，這樣做有時可以收到比直言批評更好一些的效果。同時，當出現不祥的天象時，君主以己身承擔天譴，被認為是"有德"的表現。而史誌中記錄的大量"史傳事驗"，構成在政治上進行道德教化的材料，為統治階級的行為提供某些規範準則。由於古人認為天象對軍事行動有直到意義，因此，異常天象的出現可能影響軍事行動，乃至稱為決定戰爭的勝負重要因數。此外，天學還對古代中國的建築、墓葬和文學都產生過影響。
天象記錄本來是皇家的星佔學檔案，而星佔學又是專為古代中國政治服務的。在封建專制極權統治的政治運作中，爾虞我詐，黑暗凶險，遂有出於政治目的而偽造天象記錄或謊報天象之事。對古籍中那些不可回推的天象比如客星，我們現在無法得知其是否為古人偽造。但對行星之類可用現代方法回推的天象，我們現在可以知其是否為古人偽造。比如歷史上著名的使得漢丞相翟方進被迫自殺的所謂"熒惑守心"天象，從推算得知，竟然是假的。
中外天學交流及影響
古代中國天學中的十二辰與十二次，都是對周天黃赤道帶的十二等分，這與西方的黃道十二宮極為相似。而黃道十二宮之制創始於古代巴比倫。於是欲論古代中外天學交流，不能不涉及十二辰與黃道十二宮的關係。郭沫若曾對此作過深入研究，他從文字、圖形、語義、字源、發音等方面進行比較和考釋，最後得出的結論是：十二辰本來就是黃道周天的十二宮，是由古代巴比倫傳來的。同時古巴比倫天學中的"三十一標準星系統"與中國的二十八宿體系也有不少相似之處。但近年對雙方的數理天文學內容的研究表明，在現已擁有的證據之下，將巴比倫天文學與中國古代數理天文學視為兩個獨立起源的體系，比較穩妥。
巴比倫天文學確實曾傳入中國，不過那是隨著佛教東來，這也是第一次大規模的中外天學交流；第二次大規模的中外天學交流則得助於蒙古人的軍事擴張；第三次是隨西方傳教士而來，且影響最大，最終使得中國古代天學被西方天文學所取代，揭開了中國全面向西方學習的序幕。
印度天文學傳入中國，可以上溯到東漢末年。其中佛教僧侶起了非常重要的作用。漢晉南北朝時期，許多重要的天學家都與印度七曜術發生關係。隋唐兩宋時期，七曜術仍在中國廣泛流傳。直到宋朝滅亡，七曜術才告沉寂。可惜史書中所列的大量七曜術著作，都未能傳世。所幸在漢譯佛經和敦煌卷子中保存了相當數量的有關文獻，使我們得以大致瞭解其主要內容。此外，傳入中國的還有《九執歷》、《符天歷》等。印度天文學家如著名的天竺三家曾供職於唐朝天學機構，其特點是能準確推算交食。印度天學包含有古希□天文學成分，比如360度圓周劃分、六十進位制計數法、黃道坐標系統等，但並沒有對中國傳統天學產生什麼影響。印度天學之所以風行數百年，主要是因為它提供了中國本土所沒有的生辰星佔學，使得上至貴族，下至庶民，皆可以藉助於它來預卜自己的吉凶休咎。並且，它們可能與中國後來盛行的四拄八字算命法有著某種關係。
成吉思汗建立起橫跨歐亞大陸的大帝國。在他身後，佔據中國的元朝與歐、亞諸汗國先後並立，各國間的文化交流十分活躍。元代中國與伊斯蘭天文學的交流接觸，在忽必烈時代達到高潮，但在此之前，這種交流早已在進行。比如耶律楚材、丘處機等在中亞的天學活動都有明確的文獻記載。反之，伊斯蘭天文學家在中國更為活躍，如札馬魯丁進獻西域天文儀器七件，並在元上都主持回回天文臺，與大都從事中國傳統天學工作的漢兒司天臺並存。直至明洪武年間，代表伊斯蘭天文學的回回司天監仍與代表中國傳統天學的司天監並存，三十年後才被撤消，但欽天監中的回回科則一直保持。此外，明朝還組織翻譯了一些伊斯蘭天文學書籍。
明末傳教士西來，傳入西洋曆法。徐光啟等首先學習西法，主持撰成《崇禎曆書》。無奈大廈將傾，新法未及頒行而明亡。滿清入關，任命西人湯若望為欽天監監正。湯刪改《崇禎曆書》作成《西洋新法曆書》。清政府將其頒行，稱為《時憲歷》。《時憲歷》所用原理和數據全部依照第谷的地心行星體系和他所測定的天文數據。乾隆七年重修《時憲歷》，稱為《癸卯元歷》。它放棄了小輪體系，改用地心系的橢圓運動定律和面積定律，並考慮了視差、蒙氣差的影響。《癸卯元歷》行用至清滅亡。清代所用曆法全源於西方天文學，中國現代知識體系各學科之西化自天文學始。
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