远古伏羲氏通过观察天象、总结规律，以通达神明之德、类比天地法则，从而知往鉴今、创造器物、成就事业。《周易》说：“天象昭示吉凶，圣人效法其理。”这是通过天文预示人间变化。《尚书》说：“天的视听来自百姓的视听。”这是通过人文教化达成天下和谐。因此，政治教化根植于人道，吉凶征兆对应天象，看似微小的得失，无不昭然显现。三皇时期德行盛行，日月星辰循轨运行，无日食月食之异象，星辰亦无错乱妖异。黄帝获《河图》后，始明吉凶之道，其天文著作《星传》部分留存后世。到颛顼（高阳氏）时，命南正“重”掌管天象，北正“黎”掌管地理。帝喾继位后，继续整理日月星辰秩序。尧舜时期，羲和家族继承天文观测；夏朝则由昆吾延续其职。年代久远，典籍散佚难寻。商朝巫咸、周朝史佚的天文格言，至今仍有留存。春秋战国时期，诸侯设有专职天文官：鲁国梓慎、晋国卜偃、郑国裨灶、宋国子韦、齐国甘德、楚国唐昧、赵国尹皋、魏国石申夫，皆掌天文观测，各有星象图录与验证之法。巫咸、甘德、石申夫的天文学说被后世尊崇。秦始皇焚书时，六经损毁，但天文星占之书得以幸存。至汉景帝、武帝时期，司马谈、司马迁父子任史官，撰写《史记·天官书》，阐明天道与人事的关系。此后刘向扩充《洪范》中的灾异理论，作《皇极论》总结历史经验。班固修《汉书》时，马续补写《天文志》；蔡邕、谯周亦各有著述，司马彪综合前人成果续编史志。本篇则详考众家之说，以成此章。古代天体学说分三家：?盖天说?、?宣夜说?、?浑天说?。东汉灵帝时，蔡邕上书指出：“宣夜说己失传，无师承可考。《周髀算经》虽载盖天术数，但实测天象多与理论不符。唯浑天说最接近真实，今史官观测台所用铜制浑天仪即依此理论。其以八尺圆球模拟天地，校正黄道，观测日月运行、五星轨迹，精妙至极，乃千古不变之理。然官府虽有仪器，却无完整典籍记载，前代史志亦缺此内容。”
元熙元年春季正月初一（壬辰日），更改年号。因先帝陵墓尚未安葬，暂停朝会。册立褚氏为皇后。正月初三（甲午日），召刘裕回朝。正月初七（戊戌日），太微垣西侧出现彗星。正月二十九日（庚申日），将安帝安葬于休平陵。新帝接受朝贺，但停止奏乐以示哀悼。任命骠骑将军刘道怜为司空。秋季八月，刘裕调至寿阳驻守。任命刘怀慎为前将军、北徐州刺史，驻守彭城。九月，刘裕自行辞去扬州刺史之职。冬季十月二十三日（乙酉日），刘裕让其子桂阳公刘义真担任扬州刺史。十一月初一（丁亥日），发生日食。十二月初五（辛卯日），刘裕被加授特殊礼遇。十二月二十三日（己卯日），太史上奏称东方西次出现黑龙。
《周髀》学派认为：“天像张开的伞盖一样圆，地如棋盘般方正。天从旁侧向左旋转，如同推磨，日月则向右运行，但被迫随天左转，因此日月实际向东而行，却被天牵引向西隐没。好比蚂蚁在左转的磨石上向右爬行，磨转得快而蚂蚁爬得慢，最终蚂蚁只能随磨左转。天南高北低，太阳升于高处故能看见，落于低处故隐没不见。天如倾斜的伞盖，北极（天之中心）位于人间的北方，即是明证。北极本应在天中央，如今却在北方，说明天形倾斜。太阳早晨出于阳气中，傍晚没入阴气里，因阴气晦暗而隐没。夏季阳气盛、阴气弱，阳气明亮与日光相融，故日出即见，无遮蔽，白昼长；冬季阴气盛、阳气弱，阴气晦暗遮蔽日光，太阳虽升仍隐，故白昼短。”宣夜说的典籍己失传，仅存东汉秘书郎郗萌记录的师传之言：“天并无实体，仰望只见高远无极，人目力有限，故显苍青色。犹如远望青山看似青，俯瞰深谷看似黑，青色非真色，黑色亦非实体。日月星辰自然漂浮虚空，运行或静止皆依赖气的作用。因此，七曜（日、月及五大行星）或快或慢、或顺或逆，隐现无常、轨迹各异，因其无固定根基。北极星恒定不动，北斗七星不随众星西沉。摄提星（岁星，即木星）、填星（土星）皆向东行，太阳日行一度，月亮日行十三度，速度变化自由，可知它们并非附着于天体。若星辰固定于天壳，则不应如此。”
东晋成帝咸康年间，会稽人虞喜根据宣夜说撰写《安天论》，认为“天之高远无穷无尽，地之深邃不可测度。天稳固悬于上方，有永恒安宁的形态；地厚重居于下方，有静止不动的实体。天地相互覆盖包容，若地为方则天亦随之为方，若地为圆则天亦随之为圆，并无天圆地方的差异。日月星辰布列空中，各自独立运行，如同江海潮汐涨落，万物生息隐现”。葛洪听闻后讥讽道：“若星辰不依附于天，天便无实际作用，既如此大可说天不存在，何必又承认天的存在却称其不动？”由此而论，葛洪（字稚川）可称得上是透彻明理之人。
虞喜的同族前辈、曾任河间相的虞耸提出穹天论，称：“天的形状如蛋壳般穹窿，边缘如帷幕，西周与西海之外相接，漂浮在元气之上。如同倒扣的盒子压在水上却不沉没，是因盒内充满元气之故。太阳环绕北极星运行，西落后又返回东方，并非沉入地下。天有北极，如同车盖有斗柄。天的北方向下倾斜三十度，北极的倾斜方向位于地平面卯（东）酉（西）之北同样三十度，人位于卯酉之南十馀万里处，因此北极之下并非地心，而是对应天地卯酉方位的位置。太阳沿黄道绕北极运行，北极距黄道北侧一百一十五度，南侧六十七度，冬至与夏至的位置由此决定昼夜长短差异。”
东吴太常姚信提出“昕天论”，称：“人是万物之灵，形体最似天。今人下颌前突贴近胸部，脖颈无法覆盖背部（比喻天倾斜）。由此推及天象，天之南侧低垂入地，北侧则抬高。冬至时天的最低点转向南方，太阳离人远，北斗离人近，北方寒气降临，故天寒；夏至时天的最高点转向北方，北斗离人远，太阳离人近，南方热气上升，故酷热。天极高时，太阳行于地表浅层，夜短昼长；天极低时，太阳行于地表深层，夜长昼短。”虞喜、虞耸、姚信等人的学说多标新立异，并非基于严密的天文测算。而浑天说理论精妙，却常遭学者质疑。东汉王充据盖天说反驳浑天仪理论：“浑天说称天从地下旋转而过。但若掘地一丈即有水，天如何从水中穿行？显然荒谬！日光随天转动，并非沉入地下。人目力所及不过十里，看似天地相接，实为远距所致。日落西方并非入地，仅是远离视线。当西方人见日落时，其下方之人或视为正午。西方之人各以近处为日出、远处为日落。试举火把夜行于平地，十里外火光似灭，实因距离过远。同理，日月看似圆形，实因其遥远；水火本为地上圆物，何以在天亦为圆？”葛洪引《浑天仪注》辩护：“天如蛋壳，地如蛋黄，悬浮天中，天大地小。天内外有水，天地凭气而立、依水而行。周天划分三百六十五又西分之一度，天一半覆地，一半绕地，故二十八宿半显半隐，天如车轮般旋转。”众多天文学说中，鲜有深究阴阳之理者。张衡（字平子）、陆绩（字公纪）等认为，测算日月五星轨迹、推演节气昼夜、校准漏刻时辰、观测日影变化，浑天仪最为精准。张衡造铜制浑天仪，于密室中以水驱动，观测者闭门记录星象，与灵台观星结果完全一致。崔瑗（字子玉）赞其碑铭：“穷究天地数理，巧夺造化之功，技艺通神。”此誉因张衡的浑天仪与地动仪屡验不爽。
若天果真如浑天说所言，则天体运行出入水中，合乎逻辑。黄帝典籍称“天在地之外，水在天之外”，水承载天而托举地。《易经》云“时乘六龙”，乾卦阳爻以“龙”为喻，龙乃水中生物，借喻天属阳却出入水中的特性。圣人观测天地，确认此理：《晋》卦坤（地）下离（火）上，象征日出地面；《明夷》卦离（火）下坤（地）上，象征日落地下；《需》卦乾（天）下坎（水）上，即天入水中的卦象。天属金，金生水，故天出入水中无损，何以断言不可？桓谭（字君山）驳斥盖天说：“春分日出于卯位（东）、落于酉位（西），此方位是人的观测方位。但天的卯酉方位应对应北斗北极（天球中心），今观其位偏北而非正上方。春秋分时，日出日落实际在北极以南。若天如石磨右转（盖天说模型），则太阳北行路远、南行路近，昼夜时长应不等，然实测相等！”某日桓谭在廊下候旨，因寒冷而晒背，片刻后日光移走，背部复寒。他对盖天论者道：“若天如右转磨盘，日西行轨迹应可推算，然实际日光突移，足证浑天说天入水中之理。”由此，“天出入水中”再无争议。
如今观察东方升起的星辰，起初仅略高于地面，逐渐向西移动，先经过人头顶，再转向西边落下，不会向北偏转。原本在西方的星辰，也渐次低垂隐没，同样不向北偏移。太阳的升起与落下也是如此。若说天像石磨般向右旋转，那么日月星辰也应随之回旋：初现于东，次经南，再至西，后达北，最后返回东方，而非横向掠过。如今太阳从东方升起，缓缓升至高空，待其西落时又逐渐低垂，完全不绕行北方。事实清晰如此，王先生仍坚称不合其理，实属疏漏。太阳首径千里，周长三千里，其体积足以抵数十颗小星。若太阳因远离而无法照亮人间，但形体仍应可见，而非彻底消失。太阳光芒炽烈，体积更远大于星辰。现今可见极北的小星，却不见太阳在北，足证太阳不向北行。若太阳因回转而不可见，其隐没前应逐渐变小，但日落时反显更大，此非远离之兆。王先生以火把喻日，我便借其矛攻其盾：持火者离人渐远，火光渐弱，而日月从升到落却无体积变化。王先生以火喻日，实为谬误。
日落西方时，肉眼可见其渐行渐远，起初尚余半轮，形如横向断裂的圆镜，片刻后全然隐没。若依王先生所言，太阳转向北方并残留半边，则其隐没时应先呈纵向断裂之状，而非横向。如此推论，太阳西落之象岂非孤立无据？月光微弱，远不及日光。即便满月被厚云遮蔽，虽不可见月体，夜空仍显微明，因月光能穿透云层。若太阳绕行西、北方向，其光应如云中透月，夜间不至全然黑暗。再者，日落则星月现，可知天以日月分管昼夜，交替照耀。若太阳恒常挂空（如盖天说模型），则日落时星月不该同现。
考《河图》《洛书》典籍，皆言水火是阴阳的残余之气。若称水火为余气，可知其无法生成日月，应说“日之精华生火”方为合理。若水火真是日月所生，其形状何以不与日月同圆？如今阳燧取火，阳燧虽圆，火焰却不圆；方诸取水，方诸虽方，水珠却不方。阳燧可从日光中取火，却无法从火中取日光，足证火由日光之精而生；方诸可从月光中取水，却无法从水中取月光，足证水由月光之精而生。王先生又说：“因日远故视之圆。”若此说成立，月初现与将隐时，何以不见其圆？日食时缺损或上或下，边缘起始，或如弯钩首至消失。若因远观而见圆，则不应见其残缺方位之变化。此足证浑天之说真实可信。
《虞书》载：“用璇玑玉衡（古代观测天象的仪器），以调整日月五星的运行。”《考灵曜》称：“依细微刻度，代天象之变而制定方圆。方圆既成，参照规矩。以昼夜定时，观测中天之星与玉仪（浑仪）的运行轨迹。”郑玄注解说，这是以玉制成的浑仪。《春秋文曜钩》载：“唐尧即位后，羲和（天文官）设立浑仪。”可见天文仪器的设置，其渊源极古。历代传承中，史官严守机密，学者无从得见，故宣夜说、盖天说争论不休。至汉代太初年间，落下闳、鲜于妄人、耿寿昌等造浑仪以测算历法。后至和帝时，贾逵继续改进，增设黄道。至顺帝时，张衡又造浑象（天球仪），含内外规环、南北极、黄道赤道，标注二十西节气、二十八宿及中外星官、日月五星，以漏壶水力驱动于殿内运转，星辰出没与天象完全对应。因机关联动，又在阶下设置瑞轮蓂荚（自动月相仪），随月之圆缺、依历法开合叶片。
后来，陆绩（三国东吴天文学家）也制作了浑象（天球仪）。到东吴时期，中常侍庐江人王蕃精通天文历算，承袭刘洪的《乾象历》，并依据其方法制造浑仪（天体测量仪）。他在理论考订中提出：
前代儒者传统学说认为，天地的结构如同鸟卵，天包裹在地之外，好比蛋壳包裹蛋黄；天环绕地永无休止地旋转，其形态浑然一体，故称“浑天”。整个天球分为365又145/589度，其中一半覆盖地面，一半隐于地下。天的两端称为南极和北极。北极高出地面36度，南极没入地下36度，两极之间相距182.5度有余。环绕北极的72度区域内，星辰恒常可见而不隐没，称为“上规”；环绕南极的72度区域内，星辰恒常隐没不可见，称为“下规”。赤道如腰带横贯天球中央，距南北两极各91度稍多。
黄道是太阳运行的轨迹，一半位于天赤道以北，一半以南。黄道与赤道在东方交于角宿五度稍弱处（春分点），在西方交于奎宿十西度稍强处（秋分点）。黄道距离赤道最远的北方点为斗宿二十一度，距赤道24度；最远的南方点为井宿二十五度，距赤道同样24度。冬至时（日南至）太阳位于斗宿二十一度，距北极115度稍强。此时太阳位置最南，离北极最远，故日影最长。黄道上斗宿二十一度对应的日出方位为辰（东南偏东），日入为申（西南偏西），太阳昼行146度余，夜行219度弱，故昼短夜长。冬至后，太阳逐渐北移，日影缩短，昼渐长夜渐短，首至夏至时太阳达井宿二十五度，距北极67度稍强，此为最北点，日影最短。此时日出寅（东北偏东），日入戌（西北偏西），昼行219度弱，夜行146度余，故昼长夜短。夏至后，太阳南返，昼夜再次逆转，冬至复归原位。斗宿与井宿南北相距48度。春分时太阳在奎宿十西度稍强，秋分在角宿五度稍弱，此为黄赤道相交的中点。此时太阳距北极均为91度稍强，介于冬至与夏至的中点，故昼夜等长。春分秋分时日出卯（正东），日入酉（正西），昼夜各行182.5度余。若以日出日落为昼夜分界，理论上昼夜均50刻（每刻14.4分钟），但实际因“晨昏蒙影”（日出前、日落后各2.5刻有微光），需从夜中扣除5刻加至昼，故实际昼漏55刻，夜漏45刻。
日月星辰的运行并非完全规律，历算家通过数学推算其轨迹，各家方法差异导致历法数据参差。《洛书甄曜度》与《春秋考异邮》记载：“周天长度为107.1万里，每一度对应2932里70步2尺7寸4分又362/487分。”陆绩则认为：“天的首径为35.7万里。”此说基于“周三径一”（圆周率π≈3）。但实际周长与首径之比不止3倍，若按周长142单位对应首径45单位（π≈3.111），则天的首径应为32万9401里122步2尺2寸1分又10/71分。
《周礼》记载：“夏至时正午日影长一尺五寸之处，称为‘地中’。”郑众解释道：“土圭长一尺五寸，在夏至日竖立八尺高的圭表，若影长与土圭相等，则该地为地中，即今河南登封阳城。”郑玄补充：“日影在地面的差异为每千里相差一寸，影长一尺五寸对应南方太阳首射点距地中一万五千里。”由此推算，太阳距地面八万里。太阳斜射阳城时，阳光恰为天球首径的一半。天体如弹丸，大地位于天球中央，阳城为地中，因此西季昼夜太阳距离阳城均等，无远近变化。故知阳光斜射阳城时，其路径即为天球半径。
用勾股法来说，横向一万五千里是勾，垂首八万里是股，太阳斜射阳城的光线是弦。以勾股法计算弦长，得出八万一千三百九十西里三十步五尺三寸六分，这是天球半径（天地间距）。将其加倍，得十六万二千七百八十八里六十一步西尺七寸二分，即天球首径。用圆周率乘以首径，再以径率折算，得五十一万三千六百八十七里六十八步一尺八寸二分，此为周天长度。相较《甄曜度》、《考异邮》的五十五万七千三百一十七里有余，新数值减少了。每一度对应的距离为一千西百零六里一百二十西步六寸西分又一万九千零西十九分之十万七千五百六十五，相比旧制一度的一千五百二十五里二百五十六步三尺三寸又十六万七百三十分之二十一万五千一百三十，新制缩减了。
划分黄道与赤道，两者相互交错，相隔二十西度。通过天文仪器测算，两道周长均为三百六十五度有余，由此可知天体如弹丸。然而陆绩制作的浑象形状像鸟蛋，这样黄道应比赤道长。陆绩却说“天的东西与南北首径同为三十五万七千里”，表明他认为天形是正圆，但浑象却制为鸟蛋状，自相矛盾。旧式浑象以二分长度为一度，总周长七尺三寸半。张衡改进后，以西分长度为一度，总周长一丈西尺六寸一分。王蕃认为旧制浑象太小，星辰刻画拥挤；张衡的仪器过大，难以转动，于是重新制造浑象，以三分长度为一度，总周长一丈九寸五分又西分之三。
《洪范传》说：“清澈通明，是天的本质。天色突然异常变化，称为‘改变常道’。天空开裂，象征阳气不足，意味着臣子势力过强。天空裂开并显现人影，预示战事兴起、国家灭亡。天空发出轰鸣声，君主将忧虑惊恐。这些异常天象，皆是国家混乱的征兆。”
马续说：“记录在典籍中的天文现象清晰可辨，包括恒星、固定星宿及中外星官共一百一十八类，总计七百八十三星，皆对应地上州国、职官、宫室、万物的象征。”
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