宇宙论
关于宇宙结构的学说
关于宇宙结构的学说，汉代出现了浑天说与盖天说的争论。在秦汉之前，盖天说比较盛行。自古以来，人们看见苍天笼罩着大地，产生了天圆地方的盖天说，而春秋时的曾参就曾提出疑问：“天圆而地方，则是四角之不揜也。”后来盖天说又认为天不与地相接，而像圆顶凉亭那样由八根柱子支撑着。诗人屈原曾问道：“斡维焉系，天极焉加，八柱何当，东南何亏。”公元前一世纪成书的《周髀算经》中提出“天象盖笠、地法复盘”的新盖天说，认为天在上，地在下，天地相盖，二者都是圆拱形，中间相距八万里，日月星辰随天盖旋转，近见远不见，形成了昼夜四季变化。
汉代，另一种学说浑天说兴起，认为“浑天如鸡子”、“地如鸡中黄”。以著名天文学家张衡为代表的浑天派提出天是一个整球，一半在地上，一半在地下，日月星辰有时着不见是因为它们随天球转到地下面去了，天球绕轴转一圈就是一昼夜，地面上的人就看见天上的星星转了一周天。这种看法成功地解释了昼夜的交替、天体的东升西落和其他许多问题。同浑天说一致的浑仪又能很准确地测定天体位置，浑象能演示天象的变化，这一切对历法的推算既有用又方便，所以浑天说得到很快的发展并为大多数人们所接受，成为我国天文学思想中长期占统治地位的体系，直到明末西方天文学体系进入我国才开始改变。
值得提到的还有一种宣夜说。宣夜说打破了浑天说认为天象鸡蛋壳式的有限概念，蕴涵着宇宙无限的思想。东汉时代的郗萌记道：“天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止皆须气焉。是以七曜或逝或住，或顺或逆，伏见无常。进退不同，由乎无所根系，故各异也。”这是元气学说在天文学上的运用，反映了宇宙无限思想和朴素唯物主义认识论。
关于宇宙生成和天体演化学说关于宇宙生成和天体演化学说，在秦汉时期也产生了比较系统的理论。
《淮南子•天文训》和张衡《灵宪》都认为，天地还没有形成的时候是一片浑沌，而“道”始于虚廓，虚廓生宇宙，宇宙生气；在天地形成过程中，元气中的“清阳者”稀疏向上成天，“重浊者”凝滞向下为地，于是形成上天下地或外天内地；天地精气分为阴阳，阴阳精气形成四时、水火，继而产生日月星辰和万物。这种虚物创生的观点和宇宙万物是物质的和运动变化的思想，在中国古代思想界和科学界有着长期的影响。
天象记录、天文学家和天文典籍
天象记录
秦汉时代对天象的观测和研究也有重要进展，天象记录日趋详备。如征和四年（公元前89年）日食，在《汉书•五行志》中对于发生日期、太阳方位、食分、亏起方向、初亏及复圆时刻等，都记载得十分清楚。《汉书•天文志》、《五行志》等所载西汉河平元年（公元前28年）关于太阳黑子的记录（成帝河平元年“三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央”），西汉建始元年（公元前32年）关于极光的记录，西汉元光元年（公元前134年）和东汉中平二年（公元185年）关于超新星的记录，都是世界上有确切时日记录中最早的一批。1973年长沙马王堆出土的《五星占》和《彗星图》又一次提供了汉初天文学发展情况的重要资料。
天文学家
秦汉时期是天文学人才辈出的时代，涌现出众多的成就卓著的天文学家和精通天文历法的学者。如张苍、司马迁、邓平、落下闳、耿寿昌、刘歆、编?、李梵、苏统、贾逵、张衡、刘洪、郗萌等，他们在天文理论、天象观测、制订历法、研制仪器等许多领域作出了杰出贡献，推动了天文学的发展。落下闳，字长公，巴郡阆中（今属四川）人，明晓天文地理，隐于落下，是一位民间天文学家。汉武帝时，经友人荐举，征聘为待诏太史，后拜侍中，辞不受。曾与邓平、司马迁等创制《太初历》，还曾制造浑仪并在阳城（今河南登封）用于观测。
贾逵（30—101），字景伯，扶风平陵（今陕西咸阳西北）人，也是东汉时的著名经学家。曾任左中郎将，侍中领骑都尉。在章帝元和二年（公元85年）至和帝永元四年（公元92年）间，与编?、李梵等人集体修订东汉四分历，肯定了李梵、苏统发现的月亮视运动的不均匀性，并指出月行速度最大的位置每个月向前移动三度，从而认识到现代所谓的近点月和近地点的进动。他还主张量度日月运行采用黄道度数比较精确，并倡议制造黄道铜仪。刘洪，字元卓，山东蒙阴人，是我国古代杰出的天文学家之一。曾任校尉、郎中、常山长史、会稽东郡都尉、山阳太守等官职。他所创制的《乾象历》是一部优秀历法，曾在三国时的吴国颁行。刘洪在太阳运动、月亮运动和交食研究等方面都取得了重大成就，对后世天文历法的发展产生了深远的影响。例如，他最早把月亮视运动不均匀性引进历法，并确定出相当精确的近点月日数和一个近点月内每天的月亮实际所行度数；首次给出黄道与白道交角值为古度六度一分；改进了回归年和朔望月数值；用月亮的实际运动修正平朔和平望，得出定朔和定望，从而更准确地推算日月食；最早提出交食食限概念，并给出具体的食限数值为十五度半，这在交食预报上是个重要发明；他所提出的新的交食周期值和各种天文数据表也是当时世界上的先进成果。他曾与著名学者蔡邕一起续补《汉书•律历志》。
张衡（78—139），字平子，河南南阳人，精通天文历法、仪器制造、地理、数学、文学和绘画，是中国古代最杰出的科学家之一。曾担任主簿、郎中、侍中、河间相、尚书等官职，并两度出任太史令，前后共14年。张衡曾创制世界上最早的自动运转的天文演示仪器水运浑象和世界上第一架测定地震的仪器候风地动仪，据记载，地动仪成功地记录了顺帝永和三年（公元138年）在甘肃发生的一次强震。在天文理论方面，他是浑天说的一位杰出代表人物，对于宇宙结构、宇宙无限性、天体演化、日月五星运行规律、月食成因以及陨星和彗星等，都有相当精辟的论述。在历法问题上，他提出了黄道宿度与赤道宿度互相换算的较好的计算方法，对后世历法有很大影响。张衡重视实践，勤于观测，曾对恒星进行了长期的观测和统计工作，把星空划分成444个星官，记录了两千五百余颗恒星，这个成果在相当长时间内是很先进的。张衡在数学和地理学方面也都很有研究，他在文学方面也很有成就。
天文学典籍
汉代出现了我国流传至今的第一本天文学著作《周髀算经》，而在司马迁《史记》和班固《汉书》中有关天文历法的章节，是第一批重要的天文学典籍。它们既总结了秦汉以前天文学的发展情况，又开辟了此后天文学发展的道路。《史记•天官书》、《历书》的编写，为此后廿四史中天文、律历诸志作了楷模。此外，汉代科学家张衡的《灵宪》、《浑天仪图注》都对以后的天文学发展产生了重大影响。秦汉时期是我国传统天文学发展的重要阶段。
气象
气象与生产
气象与生产关系密切，在秦汉时代已成为政府部门关心的问题，湖北省云梦县出土的秦简中记载：“稼已生而后雨，亦辄言雨少多，所利顷数”。至汉代明文规定：“自立春至立夏尽立秋，郡国上雨泽。”在除开冬季之外的农业生产季节里，为了上报雨量多少，必定要有计量的器具，但至今还未发现秦汉时代有关的记载和文物。宋代有“天池测雨”和“竹器验雪”的计算题，其渊源可能是很久的。
测量气象的仪器关于测风的仪器在汉代已有多种记述。一种是“伣”，此字在甲骨文中就有，《淮南子•齐俗训》记载：“伣之见风，无须臾之间定矣！”这可能是用帛或鸟羽系在竿子上，见风飘动，以示风向的仪器。还有一种叫“綄”，后汉高诱曰：“綄，候风者也，世所谓五雨。”这可能是同“伣”类似的仪器。还有一种是“相风乌”，据《三辅黄图》记载，“汉灵台，在长安西北八里郭延生《述征记》曰：长安宫南有灵台，高十五仞，上有浑仪，张衡所制。又有相风铜乌，遇风乃动”，“上下有转枢，向风若翔”。这种风向标做成乌鸦形，头小尾大，遇风转动，乌鸦头即指向风来的方向。李约瑟认为，“上下有转枢”这句话暗示风向标跟下层的转动机件相连，可能附着有记录风速的器件，这是风速计的先驱。此外，《淮南子•天文训》中还把风分成八种，指出了它们的季节性。
另一种气象仪器是测量空气湿度的。在天平的两端分别置土和炭，因木炭的吸湿性大于土，当空气干燥时，木炭里的水分很容易蒸发掉而变得轻，当空气湿度增大时，木炭吸收空气中的水分而变得重，所以结论是“燥故炭轻，湿故炭重”，这可算是最早的湿度计了。羽毛也有类似于木炭的性质，故同书《说山训》又说：“悬羽与炭而知燥湿之气。”琴弦的紧张程度也同空气的燥湿有关，这一现象在《淮南子》中也有发现。《本经训》说：“风雨之变，可以音律知之。”为什么呢？因为“天且雨，琴弦缓”。燥湿程度能影响琴弹出的音调，这一现象也是后代制造毛发湿度计的依据。
唯心主义者对气象的曲解西汉初年，董仲舒倡导的“天人感应论”逐渐流行，这种唯心主义的观念利用天文气象等自然现象附会于社会政治和人民的命运，阻碍了学术问题的探讨。汉代许多学者如司马迁、桓潭、张衡、王充等人对此进行了有力的批判。他们指出自然现象的变化，天下常有，无世不然，有规律可循，决没有神的意志在故意作成。如打雷也有规律：“正月阳动，故正月始雷；五月阳盛，故五月雷迅；秋冬阳衰，故秋冬雷潜”，反对“夏秋之雷为天大怒，正月之雷为天小怒”的说法。又如下雨也是有征兆有规律的，“云气发于丘山”，“云散水坠，名为雨矣！夫云则雨，雨则云矣！”“云雾，雨之征也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪，雨露冻凝者，皆由地发，不从天降也。”这些认识既加深了对自然的了解，也为破除迷信，反对唯心主义的“天人感应论”提供了武器。
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