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司天監的誕生
司天監，看名字也能猜到，這就是宋代專門負責觀測星象的機構，即當時的國家天文台。唐朝中後期，類似的機構叫作司天台，滅唐的後梁，将其改稱為監。而當後梁為後唐取代，因為它一度被視作僞朝，後梁時期更改的制度便又通通恢複為唐朝舊制，司天監的名字又改了回去。此後的後晉、後漢、後周，都沿襲了司天台之稱。
然而，北宋初年該機構到底叫司天台還是司天監，學者們則常年争執不休。從敦煌文書中保留下的《宋太平興國三年戊寅歲應天具注曆日》來看，文中提到"大宋國王文坦請司天台官本勘定大學曆日"，那麼宋初"司天台"就還是作為正式稱呼使用的。學者梳理宋代文獻則發現，宋太宗太平興國八年（983）之後，"司天監"的使用頻率才開始超過司天台。如此說來，很可能是在太宗時代，司天台被改了一次名。
約2014年，西班牙拉帕爾馬天文台利物浦望遠鏡拍攝到的蟹狀星雲圖像。《宋會要》記載的宋仁宗年間“客星”的出現，是人類記錄下的第一次有明确時間的超新星爆發，而它留下的遺迹“蟹狀星雲”，一直都是被研究最多的太空目标之一
從台又變為監，一字之差能有什麼不同呢？我們可能很難再去還原宋太宗當時的心理活動，但不容置疑的是，他對于掌握觀測天文能力的民間術士，有着極強的防備心理。太平興國元年（976）十一月，剛登基不久的宋太宗就下達禁令："令諸州大索明知天文術數者，傳送阙下，敢藏匿者棄市，募告者賞錢三十萬。"
等于說，太宗試圖将全國範圍内有天文方向專業知識的人一網成擒，為此不惜開出舉報一人即得三十萬錢、藏匿者直接處死的旨意。僅僅一年後，宋太宗再次重申，說上回各地送到汴京的術士，經過朕的測試，根本就是一群濫竽充數、招搖撞騙的無知小人罷了。他們裝神弄鬼，不過是為騙取百姓的錢财，"皆懵昧無所取"。從此以後，民間所藏天文、相術、六壬、遁甲、三命及其他陰陽書，"限诏到一月送官"。朝廷計劃徹底壟斷掉研習天文知識的途徑，進而将吉兇禍福的解釋權牢牢把控在自己手上。
聯系到宋太宗奪取皇位中的諸多隐情（比如即位當年迫不及待改元），這麼做可能正是為了不讓潛藏在民間的反對者，通過解讀某些天象來表達對他正統性的質疑。司天台改司天監，便也是這一系列措施中的一環了。之前從各地被召集到京城的民間術士351人中，有真才實學的68人也被吸納進了司天監任職，其他則被處以黥刑（臉上刺青）後流放海島。不過，司天台和司天監二名既然曾數度更替，文獻中自然存在混用的情況，并不是那麼的泾渭分明。
“七日”一循環從何而來
值得一提的是，現在關于宋初曆法的研究中，有部分學者認為在宋太祖時，就有阿拉伯人入華參與了曆法的修訂，并撰成《應天曆》（963-981年使用）。這一說法，依據的是美國發現的明代《馬氏宗譜》。此書編撰于明憲宗成化五年（1469），馬氏一族稱他們的家祖名為馬依澤，是西域魯穆國（阿拉伯）人。宋太祖建隆二年（961），馬依澤奉诏入華修曆，并于兩年後完成《應天曆》，經由王處讷代呈皇帝，頒行天下。而馬依澤因功得封侯爵，他的長子在太宗朝襲爵，并繼續在司天監任職。
蘇頌（1020—1101），字子容，福建人，北宋哲宗朝任宰相一職。雖非為專業天文官，但蘇頌卻領銜制出了空前精密的天文儀器水運儀象台
《應天曆》确實有它的特點，現在一般認為這是大陸古代最早使用"七天為一周"來循環紀日的曆法。因為伊斯蘭教裡有以星期為機關進行宗教禮拜的習慣，結合《馬氏宗譜》裡馬依澤的故事，有人認為這正是馬依澤此人真實存在，并将伊斯蘭習俗引入《應天曆》的證據。事實當真如此傳奇嗎？
明清本身就是一個家譜大造僞的時期。值得一提的是，馬依澤此人在宋代史料裡沒有任何記錄，卻在明代憑空出現，成為給宋太祖造曆的大功臣，顯得十分突兀。而真要說的話，"七日"一個循環的說法，也并非伊斯蘭教獨有。8世紀中期由不空和尚譯入唐朝的佛經《宿曜經》就有七曜日的說法，不空的弟子楊景風所作的注解還另外介紹了一下：
夫七曜者，所為日月五星下直人間，一日一易，七日周而複始，其所用各各于事有宜者，不宜者，請細詳用之。忽不記得，但當問胡及波斯并五天竺人總知。尼乾子、末摩尼以蜜日持齋，亦事此日為大日，此等事持不忘，故今列諸國人呼七曜如後。
這裡提到的"末摩尼"，是佛教徒對摩尼教的貶稱。如此說來，連摩尼教中人也有七曜的意識。将《應天曆》裡出現的"星期"全部歸結于伊斯蘭教的影響，在沒有更多史料佐證的當下，恐怕也并不那麼恰當。畢竟在唐代，佛教才是占據統治地位的哲學思想。七曜經過數百年演進後，在宋初正式被朝廷的新曆法使用，更加順理成章一些。
水運儀象台
既然司天監作為國家天文台，朝廷自然會組織為其研發最為精密的觀測儀器，其中最著名的莫過于蘇頌創制的水運儀象台，也号稱是世界最早的天文鐘。古代王朝有所謂五德始終論，宋朝自認屬于火德，而水又克火，是以宋哲宗還為這座水運儀象台更名為"渾天儀象"。蘇頌并非一位專業天文官，而是宋哲宗時期的宰相。很有趣的一點是，他跟"三蘇"一家交往匪淺，跟蘇洵有聯宗之誼。是以，雖然水運儀象實際上是許多人共同協作制造的，但有蘇頌這樣出衆的士大夫領銜，其他人的光芒也就不可避免地被掩蓋了。
據《石林燕語》等書記載，蘇頌曾在熙甯十年（1077）末出使契丹，當時宋遼兩國曆法不同，碰上了冬至日正好相差一天的情況。雖然蘇頌出于維護國家尊嚴的考慮，在契丹人面前堅稱"曆家算術小異""各從其曆可也"，但回朝之後，卻不得不對宋神宗坦白，說契丹曆法的精準度實際上超過宋朝。
一向被宋人視作蠻夷的契丹，卻在曆法上優于中原，這對宋朝君臣必然産生不小的沖擊。之後蘇頌研發出空前精密的水運儀象台，恐怕與此次事件不無關系。幸運的是，蘇頌将水運儀象台的創制思想以及部件的形制都記錄了下來，編為《新儀象法要》一書。科學家是以成功複原出了這一奇器。
水運儀象台（1:4 大小的複原模型），現藏開封市博物館。據推算，其實際高度在 8.73—8.82 米之間，為上窄下寬長方形木建構築，按集渾儀、渾象及報時功能分為三層，是宋代天文儀器巅峰之作
但是，這中間過程難免出現一些失誤。比如現在去檢索關于複原水運儀象的資料，大多都會說它高12米，寬約7米。可這其實是20世紀50年代科技史專家王振铎首次進行複原時不慎産生的失誤，他那時直接将宋代的天文尺以1尺＝33.33厘米進行換算。然而，根據江蘇儀征出土的漢代銅圭表、河南登封元代觀星台、明代簡儀等古代天文測量的遺物可見，一天文尺的長度自漢到明清都沒有多大變化，即1尺＝24-24.5厘米。是以，當年蘇頌主持建造的水運儀象台，實際高度應為8.73-8.82米之間。隻不過，王振铎作為先行者，他當年使用的标準影響過大，以至于後繼之人往往蹈其舊說。
說蘇頌這件水運儀象台是宋代天文儀器的巅峰之作，是元朝時就有的結論。北宋滅亡後，汴京的天文儀器許多都被金人搬遷到中都（今北京），元朝人依舊還能見到其中不少實物。元末修《宋史》時，在《天文志》裡評價了張思訓的太平渾儀、皇祐儀、沈括的熙甯渾儀、蘇頌的水運儀象這4架北宋時建造的最為出名的天文觀測器械。前三台都有論述它們的欠缺之處，唯獨蘇頌的水運儀象得到的都是贊譽之詞。
這架機器是以水為動力，集渾儀、渾象及報時功能為一體的上窄下寬長方形木建構築，共分為三層，頂層是用于觀測星空的渾儀，由龍柱支撐，下設水槽以确定水準方位， 上方的屋形闆可以在觀測時揭開；中層是示範星空變化的渾象，即利用天球儀示範天球運動，天球的一半在地平之下，一晝夜轉動一圈；最下層是動力裝置和報時機關，由晝夜機輪和五層木閣組成，也是最為神奇的所在。
第一層木閣叫"正衙鐘鼓樓"，每個時辰的時初和時正，就有穿紅色與紫色衣服的木人分别在左右門搖鈴。每過一刻鐘，就有一綠衣木人在中門擊鼓。第二層木閣的機輪邊有24個司辰木人，手拿時辰牌（寫"子初""子正"，以此類推），每到各個時辰的時初與時正，木人就會依次在門前出現。第三層木閣有96個司辰木人，其中24個報時初、時正，其餘負責報具體刻數。第四層木閣負責晚上報時，木人根據四季不同擊钲報告更數。第五層木閣有木人38個，随節氣變更報告昏、曉、日出等情況。
總計下來，五層木閣裡有木人162個，這般精細的分工之下，水運儀象台的計時相當精确，據說一天一夜隻誤差一秒而已。當然，制造水運儀象台的花費也令人咋舌，光是鑄造渾儀的各個部件就耗費了一萬多斤銅材。是以也難怪蘇頌之後不乏有人想要複原水運儀象，卻都功敗垂成。
盲人天文學家
雖然宋初對于民間研習天文知識采取嚴厲打壓的态度，但古代王朝對于基層的控制力畢竟是薄弱的，再嚴苛的禁令随着時間推移也會松弛。官方機構陷入停滞，要改革的阻力必然相當大，與其跟既得利益者們糾纏不休，不如直接從民間引進新鮮血液。沈括于是"募天下太史占書、雜用士人，分方技科為五"。《續資治通鑒長編》記載，熙甯五年（1072），沈括甚至向宋神宗舉薦了精于術算的楚州盲人衛樸進入司天監參與新曆法的創制工作。
盲人似乎自古就被認為精于易學和術算。早在春秋時代，《國語》《左傳》等典籍中，就記載類似晉國盲人音樂家師曠擁有預言之術的故事。通曉這類經典的宋代士大夫們，自然也會受此觀念影響，認為盲人有"知神機"的天賦。衛樸能進入司天監工作，應是得益于此。可惜的是，因為史料缺失，我們不知道他的早年經曆如何。但沈括在《夢溪筆談》裡花了不少筆墨描寫衛樸高超的運算才能：
樸能不用算推古今日月蝕，但口誦乘除，不差一算。凡大曆悉是算數，令人就耳一讀，即能暗誦；傍通曆則縱橫誦之。嘗令人寫曆書，寫訖，令附耳讀之，有差一算者，讀至其處，則曰此誤某字，其精如此。大乘除皆不下照位，運籌如飛，人眼不能逐。人有故移其一算者，樸自上至下，手循一遍，至移算處，則撥正而去。
衛樸可以不使用測算工具，隻用口算推出古今的日食月食，不差一個數。但凡正式的曆書都是算術，衛樸讓人在耳邊讀上一遍，就能夠将其背誦下來了。他曾經讓人抄錄曆書，寫完之後，便讓人在他耳邊誦讀一遍，其中有算錯一個數的，讀到這個地方時，衛樸則會說："此處的某字是錯誤的。"
隻不過，縱然有衛樸這般人才的幫助，沈括在司天監的改良計劃進行的也并非那麼順利。首先，因為儀器都長久未曾使用，不少早已損壞，要修曆就必須再造一批新的。熙甯七年（1074），沈括在迎陽門向宋神宗和諸位大臣展示新制成的渾儀和浮漏，并接受考核，得到了一緻的嘉獎。
然而，正如剛剛提到的，司天監裡早就不進行實際的天象觀測了，曆年記錄下的觀測資料都是僞造的，想修曆法，沒有資料作為參照怎麼能行呢？但觀測天象并積累足夠多的材料，并非一朝一夕可以達成的。正是是以，沈括在熙甯八年（1075）閏四月獻上的《奉元曆》雖然在舊曆的基礎上修正了多處謬誤，但是頒行之後的幾個月就發生了預測月食失準的尴尬情況。對此，沈括辯解道：
前世修曆，多隻增損舊曆而已，未曾實考天度。而衛樸造曆，既正氣朔，又置五星候簿。其法須測驗每夜昏曉夜半月及五星所在度秒置簿錄之，滿五年，其間剔去雲陰及晝見日數外，可得三年實行，然後以算術綴之，古所謂綴術者此也。是時司天曆官，皆承世族，隸名食祿，本無知曆者，惡樸之術過己，群沮之，屢起大獄。雖終不能搖樸，而候簿至今不成。樸以無候簿，未能盡其術，但增損舊曆，正其甚謬處，十得五六而已，然已密于他曆。
《夢溪筆談》，北宋，沈括著，明汲古閣刻本，現藏中國國家博物館。沈括曾掌管司天監，參與詳定渾天儀工作，改革曆法。他晚年定居江蘇鎮江，在夢溪園寫成《夢溪筆談》，書中涵蓋大量有關科學技術内容，是中國科技史研究的重要資料
原來，那些世代承襲職位的天文官們，見到衛樸的本事遠遠超過自己，用盡了一切辦法陷害他并阻止新曆的實施。衛樸本打算重新制作候簿（即觀測檔案）的計劃，也是以中途夭折。沒有足夠的資料，衛樸也沒能完全施展出本領，《奉元曆》是以無奈地留下缺憾了。
石刻天文圖，現藏蘇州石刻博物館。該全天星圖由南宋黃裳繪制，刻于 1247 年，直徑 91.5 厘米，位于石刻上半部，下半部附有說明文字。該石刻天文圖是世界上現存最古老的根據實測繪制的全天石刻星圖，觀測年代為北宋元豐年間（1078—1085）