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司天监的诞生
司天监，看名字也能猜到，这就是宋代专门负责观测星象的机构，即当时的国家天文台。唐朝中后期，类似的机构叫作司天台，灭唐的后梁，将其改称为监。而当后梁为后唐取代，因为它一度被视作伪朝，后梁时期更改的制度便又通通恢复为唐朝旧制，司天监的名字又改了回去。此后的后晋、后汉、后周，都沿袭了司天台之称。
然而，北宋初年该机构到底叫司天台还是司天监，学者们则常年争执不休。从敦煌文书中保留下的《宋太平兴国三年戊寅岁应天具注历日》来看，文中提到"大宋国王文坦请司天台官本勘定大本历日"，那么宋初"司天台"就还是作为正式称呼使用的。学者梳理宋代文献则发现，宋太宗太平兴国八年（983）之后，"司天监"的使用频率才开始超过司天台。如此说来，很可能是在太宗时代，司天台被改了一次名。
约2014年，西班牙拉帕尔马天文台利物浦望远镜拍摄到的蟹状星云图像。《宋会要》记载的宋仁宗年间“客星”的出现，是人类记录下的第一次有明确时间的超新星爆发，而它留下的遗迹“蟹状星云”，一直都是被研究最多的太空目标之一
从台又变为监，一字之差能有什么不同呢？我们可能很难再去还原宋太宗当时的心理活动，但不容置疑的是，他对于掌握观测天文能力的民间术士，有着极强的防备心理。太平兴国元年（976）十一月，刚登基不久的宋太宗就下达禁令："令诸州大索明知天文术数者，传送阙下，敢藏匿者弃市，募告者赏钱三十万。"
等于说，太宗试图将全国范围内有天文方向专业知识的人一网成擒，为此不惜开出举报一人即得三十万钱、藏匿者直接处死的旨意。仅仅一年后，宋太宗再次重申，说上回各地送到汴京的术士，经过朕的测试，根本就是一群滥竽充数、招摇撞骗的无知小人罢了。他们装神弄鬼，不过是为骗取百姓的钱财，"皆懵昧无所取"。从此以后，民间所藏天文、相术、六壬、遁甲、三命及其他阴阳书，"限诏到一月送官"。朝廷计划彻底垄断掉研习天文知识的途径，从而将吉凶祸福的解释权牢牢把控在自己手上。
联系到宋太宗夺取皇位中的诸多隐情（比如即位当年迫不及待改元），这么做可能正是为了不让潜藏在民间的反对者，通过解读某些天象来表达对他正统性的质疑。司天台改司天监，便也是这一系列措施中的一环了。之前从各地被召集到京城的民间术士351人中，有真才实学的68人也被吸纳进了司天监任职，其他则被处以黥刑（脸上刺青）后流放海岛。不过，司天台和司天监二名既然曾数度更替，文献中自然存在混用的情况，并不是那么的泾渭分明。
“七日”一循环从何而来
值得一提的是，现在关于宋初历法的研究中，有部分学者认为在宋太祖时，就有阿拉伯人入华参与了历法的修订，并撰成《应天历》（963-981年使用）。这一说法，依据的是美国发现的明代《马氏宗谱》。此书编撰于明宪宗成化五年（1469），马氏一族称他们的家祖名为马依泽，是西域鲁穆国（阿拉伯）人。宋太祖建隆二年（961），马依泽奉诏入华修历，并于两年后完成《应天历》，经由王处讷代呈皇帝，颁行天下。而马依泽因功得封侯爵，他的长子在太宗朝袭爵，并继续在司天监任职。
苏颂（1020—1101），字子容，福建人，北宋哲宗朝任宰相一职。虽非为专业天文官，但苏颂却领衔制出了空前精密的天文仪器水运仪象台
《应天历》确实有它的特点，现在一般认为这是大陆古代最早使用"七天为一周"来循环纪日的历法。因为伊斯兰教里有以星期为单位进行宗教礼拜的习惯，结合《马氏宗谱》里马依泽的故事，有人认为这正是马依泽此人真实存在，并将伊斯兰习俗引入《应天历》的证据。事实当真如此传奇吗？
明清本身就是一个家谱大造伪的时期。值得一提的是，马依泽此人在宋代史料里没有任何记录，却在明代凭空出现，成为给宋太祖造历的大功臣，显得十分突兀。而真要说的话，"七日"一个循环的说法，也并非伊斯兰教独有。8世纪中期由不空和尚译入唐朝的佛经《宿曜经》就有七曜日的说法，不空的弟子杨景风所作的注解还另外介绍了一下：
夫七曜者，所为日月五星下直人间，一日一易，七日周而复始，其所用各各于事有宜者，不宜者，请细详用之。忽不记得，但当问胡及波斯并五天竺人总知。尼乾子、末摩尼以蜜日持斋，亦事此日为大日，此等事持不忘，故今列诸国人呼七曜如后。
这里提到的"末摩尼"，是佛教徒对摩尼教的贬称。如此说来，连摩尼教中人也有七曜的意识。将《应天历》里出现的"星期"全部归结于伊斯兰教的影响，在没有更多史料佐证的当下，恐怕也并不那么恰当。毕竟在唐代，佛教才是占据统治地位的哲学思想。七曜经过数百年演进后，在宋初正式被朝廷的新历法使用，更加顺理成章一些。
水运仪象台
既然司天监作为国家天文台，朝廷自然会组织为其研发最为精密的观测仪器，其中最著名的莫过于苏颂创制的水运仪象台，也号称是世界最早的天文钟。古代王朝有所谓五德始终论，宋朝自认属于火德，而水又克火，所以宋哲宗还为这座水运仪象台更名为"浑天仪象"。苏颂并非一位专业天文官，而是宋哲宗时期的宰相。很有趣的一点是，他跟"三苏"一家交往匪浅，跟苏洵有联宗之谊。所以，虽然水运仪象实际上是许多人共同协作制造的，但有苏颂这样出众的士大夫领衔，其他人的光芒也就不可避免地被掩盖了。
据《石林燕语》等书记载，苏颂曾在熙宁十年（1077）末出使契丹，当时宋辽两国历法不同，碰上了冬至日正好相差一天的情况。虽然苏颂出于维护国家尊严的考虑，在契丹人面前坚称"历家算术小异""各从其历可也"，但回朝之后，却不得不对宋神宗坦白，说契丹历法的精准度实际上超过宋朝。
一向被宋人视作蛮夷的契丹，却在历法上优于中原，这对宋朝君臣必然产生不小的冲击。之后苏颂研发出空前精密的水运仪象台，恐怕与此次事件不无关系。幸运的是，苏颂将水运仪象台的创制思想以及部件的形制都记录了下来，编为《新仪象法要》一书。科学家因此成功复原出了这一奇器。
水运仪象台（1:4 大小的复原模型），现藏开封市博物馆。据推算，其实际高度在 8.73—8.82 米之间，为上窄下宽长方形木构建筑，按集浑仪、浑象及报时功能分为三层，是宋代天文仪器巅峰之作
但是，这中间过程难免出现一些失误。比如现在去检索关于复原水运仪象的资料，大多都会说它高12米，宽约7米。可这其实是20世纪50年代科技史专家王振铎首次进行复原时不慎产生的失误，他那时直接将宋代的天文尺以1尺＝33.33厘米进行换算。然而，根据江苏仪征出土的汉代铜圭表、河南登封元代观星台、明代简仪等古代天文测量的遗物可见，一天文尺的长度自汉到明清都没有多大变化，即1尺＝24-24.5厘米。所以，当年苏颂主持建造的水运仪象台，实际高度应为8.73-8.82米之间。只不过，王振铎作为先行者，他当年使用的标准影响过大，以至于后继之人往往蹈其旧说。
说苏颂这件水运仪象台是宋代天文仪器的巅峰之作，是元朝时就有的结论。北宋灭亡后，汴京的天文仪器许多都被金人搬迁到中都（今北京），元朝人依旧还能见到其中不少实物。元末修《宋史》时，在《天文志》里评价了张思训的太平浑仪、皇祐仪、沈括的熙宁浑仪、苏颂的水运仪象这4架北宋时建造的最为出名的天文观测器械。前三台都有论述它们的欠缺之处，唯独苏颂的水运仪象得到的都是赞誉之词。
这架机器是以水为动力，集浑仪、浑象及报时功能为一体的上窄下宽长方形木构建筑，共分为三层，顶层是用于观测星空的浑仪，由龙柱支撑，下设水槽以确定水平方位， 上方的屋形板可以在观测时揭开；中层是演示星空变化的浑象，即利用天球仪演示天球运动，天球的一半在地平之下，一昼夜转动一圈；最下层是动力装置和报时机关，由昼夜机轮和五层木阁组成，也是最为神奇的所在。
第一层木阁叫"正衙钟鼓楼"，每个时辰的时初和时正，就有穿红色与紫色衣服的木人分别在左右门摇铃。每过一刻钟，就有一绿衣木人在中门击鼓。第二层木阁的机轮边有24个司辰木人，手拿时辰牌（写"子初""子正"，以此类推），每到各个时辰的时初与时正，木人就会依次在门前出现。第三层木阁有96个司辰木人，其中24个报时初、时正，其余负责报具体刻数。第四层木阁负责晚上报时，木人根据四季不同击钲报告更数。第五层木阁有木人38个，随节气变更报告昏、晓、日出等情况。
总计下来，五层木阁里有木人162个，这般精细的分工之下，水运仪象台的计时相当精确，据说一天一夜只误差一秒而已。当然，制造水运仪象台的花费也令人咋舌，光是铸造浑仪的各个部件就耗费了一万多斤铜材。所以也难怪苏颂之后不乏有人想要复原水运仪象，却都功败垂成。
盲人天文学家
虽然宋初对于民间研习天文知识采取严厉打压的态度，但古代王朝对于基层的控制力毕竟是薄弱的，再严苛的禁令随着时间推移也会松弛。官方机构陷入停滞，要改革的阻力必然相当大，与其跟既得利益者们纠缠不休，不如直接从民间引进新鲜血液。沈括于是"募天下太史占书、杂用士人，分方技科为五"。《续资治通鉴长编》记载，熙宁五年（1072），沈括甚至向宋神宗举荐了精于术算的楚州盲人卫朴进入司天监参与新历法的创制工作。
盲人似乎自古就被认为精于易学和术算。早在春秋时代，《国语》《左传》等典籍中，就记载类似晋国盲人音乐家师旷拥有预言之术的故事。通晓这类经典的宋代士大夫们，自然也会受此观念影响，认为盲人有"知神机"的天赋。卫朴能进入司天监工作，应是得益于此。可惜的是，因为史料缺失，我们不知道他的早年经历如何。但沈括在《梦溪笔谈》里花了不少笔墨描写卫朴高超的运算才能：
朴能不用算推古今日月蚀，但口诵乘除，不差一算。凡大历悉是算数，令人就耳一读，即能暗诵；傍通历则纵横诵之。尝令人写历书，写讫，令附耳读之，有差一算者，读至其处，则曰此误某字，其精如此。大乘除皆不下照位，运筹如飞，人眼不能逐。人有故移其一算者，朴自上至下，手循一遍，至移算处，则拨正而去。
卫朴可以不使用测算工具，只用口算推出古今的日食月食，不差一个数。但凡正式的历书都是算术，卫朴让人在耳边读上一遍，就能够将其背诵下来了。他曾经让人抄录历书，写完之后，便让人在他耳边诵读一遍，其中有算错一个数的，读到这个地方时，卫朴则会说："此处的某字是错误的。"
只不过，纵然有卫朴这般人才的帮助，沈括在司天监的改良计划进行的也并非那么顺利。首先，因为仪器都长久未曾使用，不少早已损坏，要修历就必须再造一批新的。熙宁七年（1074），沈括在迎阳门向宋神宗和诸位大臣展示新制成的浑仪和浮漏，并接受考核，得到了一致的嘉奖。
然而，正如刚刚提到的，司天监里早就不进行实际的天象观测了，历年记录下的观测数据都是伪造的，想修历法，没有数据作为参照怎么能行呢？但观测天象并积累足够多的材料，并非一朝一夕可以达成的。正是因此，沈括在熙宁八年（1075）闰四月献上的《奉元历》虽然在旧历的基础上修正了多处谬误，但是颁行之后的几个月就发生了预测月食失准的尴尬情况。对此，沈括辩解道：
前世修历，多只增损旧历而已，未曾实考天度。而卫朴造历，既正气朔，又置五星候簿。其法须测验每夜昏晓夜半月及五星所在度秒置簿录之，满五年，其间剔去云阴及昼见日数外，可得三年实行，然后以算术缀之，古所谓缀术者此也。是时司天历官，皆承世族，隶名食禄，本无知历者，恶朴之术过己，群沮之，屡起大狱。虽终不能摇朴，而候簿至今不成。朴以无候簿，未能尽其术，但增损旧历，正其甚谬处，十得五六而已，然已密于他历。
《梦溪笔谈》，北宋，沈括著，明汲古阁刻本，现藏中国国家博物馆。沈括曾掌管司天监，参与详定浑天仪工作，改革历法。他晚年定居江苏镇江，在梦溪园写成《梦溪笔谈》，书中涵盖大量有关科学技术内容，是中国科技史研究的重要资料
原来，那些世代承袭职位的天文官们，见到卫朴的本事远远超过自己，用尽了一切办法陷害他并阻止新历的实施。卫朴本打算重新制作候簿（即观测档案）的计划，也因此中途夭折。没有足够的数据，卫朴也没能完全施展出本领，《奉元历》因此无奈地留下缺憾了。
石刻天文图，现藏苏州石刻博物馆。该全天星图由南宋黄裳绘制，刻于 1247 年，直径 91.5 厘米，位于石刻上半部，下半部附有说明文字。该石刻天文图是世界上现存最古老的根据实测绘制的全天石刻星图，观测年代为北宋元丰年间（1078—1085）