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朱熹作为宋代著名教育家、思想家，亦具有丰富的自然科学知识，这是两宋自然科学昌明对朱熹产生的必然影响。在教学中，朱熹不仅传授其理学及经学思想，而且在师生问答中，还讲授宇宙学、天文学、气象学等自然科学知识，从中体现了朱熹的自然科学思想。
  自然哲学，是对于自然界或自然现象的原因、存在根据的说明，是讲哲学与自然科学的联系。在以往的中国哲学研究中，往往以为中国哲学重伦理而轻自然科学，并以宋明理学家尤甚。其实任何一个大哲学家或一种哲学思潮，都是社会、人文科学知识和自然科学知识的概括或总结，中国古代哲学也不例外。说中西方哲学各有其侧重的方面，还有其道理，但断言中国哲学轻自然科学，则未必符合事实。
  宋代是中国科学技术昌明的时代。随着生产的发展和经济的繁荣，科学技术有了很大的发展。活版印刷术已经发明，指南针用于航海，火药被制成“火炮、火箭之类”（《虎钤经》卷六，《火利》第五十三），已用于军事。在数学、物理、化学、天文、农学、医学，以及工艺、纺织技术、火药应用技术方面，曾居世界领先地位。人们对于天体运动规律、宇宙构造、物质结构以及物质之间的联系形式等问题的认识，有所提高和深入。同时亦出现了总结古代至宋代自然科学成就和科学技术成果的科学著作。
  自然科学的发展，对中国哲学的发展具有深远影响。于是学派涌现，群星聚奎。两宋文化的发展，有赖于经济的发展、科学技术的进步，也与比较开明的文化政策不无关系。宋太祖赵匡胤曾立碑不许杀士大夫，推行“祐文”政策。虽有“乌台诗案”和秦桧矫诏杀岳飞，但总的说来还算恪守“家法”。因而，士大夫敢于指陈时弊，敢于创造性思维。朱熹关于宇宙、天文、气象等自然科学思想，便是在这种土壤、环境中发展起来的。
  一、宇宙论
  近代西方把关于宇宙演化的理论称为宇宙论（Cosmology），包括宇宙结构、宇宙生成的学说。如果说理是朱熹哲学逻辑结构的最高范畴，那么，宇宙论是理借助于气生成天地万物的重要一环。朱熹哲学是本体论和宇宙论的结合，两者并不分离，体现了中国哲学的特色。
  朱熹的宇宙论，主要有两方面，一是宇宙结构的理论；二是宇宙演化的理论。
  （一）宇宙结构理论
  据《晋书·天文志》记载，汉以来，中国关于宇宙结构的理论，共有三家六说，“古言天者有三家，一曰盖天，二曰宣夜，三曰浑天。”（《晋书》卷十一，《天文志上》）除此三家三说之外，还有虞喜的安天论，虞耸的穹天论，姚信的昕天论。
  这几种宇宙结构理论以及它们之间的争论，一直延续下来。宋代张载根据当时自然科学的发展和宣夜说的启发，认为地球不是浮在水面而是浮在气中。“地在气中，虽顺天左旋，其所系辰象随之。”（《正蒙·参两》）“地有升降，日有修短。地虽凝聚不散之物，然二气升降其间，相从而不已也。”（同上）地在气中悬浮着，且不停地运动。张载的宇宙结构理论，是浑天说和宣夜说的结合。
  朱熹的宇宙结构论继承张载而有所创发。他说：“但天之形，圆如弹丸，朝夜运转，其南北两端，后高前下，乃其枢轴不动之处。”（《楚辞集注》卷三，《天问》）“黄帝问于歧伯曰：‘地有恁乎？’歧伯曰：‘大气举之’亦谓此也。”（同上）天圆如弹丸，与浑天说的天如鸡子相似，而非拱形的盖子；地不是如浑天说所言浮在水中，而是与宣夜说相似，在气之中。中国古代的气，是以气体为模型来进行思维的，它与古希腊罗马以固体为模型来思维，大异其趣。固体有不可入性；而气体有可入性。固体可以作为另一物体的浮载体而使其不下坠；气体在古人看来是不能作为另一物体的载体的。既然如此，气如何举地而不使下坠呢？这个问题在朱熹之前并未完满解决。朱熹把气作为不断运动的气体，气急速运动便产生一种托举地的能量。“地则气之渣滓，聚成形质者，但以其束于劲风旋转之中，故是以兀然浮空，甚久而不坠耳。”（《楚辞集注》卷三，《天》）气如劲风旋转，把地托起而不下坠。朱熹把整个宇宙设想为动态结构，超越前人。此其一。其二，气极紧密，故地不下坠。他说：“其气极紧，故能扛得地住；不然则坠矣。气外须有躯壳甚厚，所以固此气也。”（《朱子语类》第2548页，卷一百）以进一步说明地不下坠的原因。
  朱熹宇宙结构理论的阐述，对盖天、浑天两说都有所改造。这个改造基于对此两说自身矛盾的揭示：“浑仪可取，盖天不可用。试令主盖天者做一样子，如何做？只似个雨伞，不知如何与地相附着。若浑天，须做得个浑天来。”（同上第27页，卷二）盖子似的天怎样附着地，仅是个想象。朱熹便与宣夜相结合，亦与他的哲学逻辑结构相适应，认为天亦是气构成的。他说：“盖天只是气，非独是高。”（同上第395页，卷十八）人在地上看，是高，其实“天只管转来旋去”（同上）。天的旋转，亦即是气在旋转。
  天是气，地亦是气构成，天与地同质同构。促进天地在运动中互相依托，互相渗透，而不致分离或下坠。他说：“天包乎地，其气极紧。试登极高处验之，可见形气相催，紧束而成体。但中间气稍宽，所以容得许多品物。若一例如此气紧，则人与物皆消磨矣！”（《朱子语类》第18页，卷二）在朱熹看来，天与地之气都极紧密，唯有中间比较宽松，所以有众多人和物（包括动物与植物）的存在，否则亦消磨光了。
  尽管朱熹对盖天、浑天说都有所批评，亦不完全采浑天说，其基本模型是浑天与宣夜的结合。“天积气，上面劲，只中间空，为日月来往。地在天中，不甚大，四边空。”（同上第17页）他这样描述：“天却四方上下都周匝无空阙，逼塞满皆是天。地之四向底下却靠着那天。天包地，其气无不通。”（同上第6页，卷一）天包地，地是天中一物，是依据浑天如鸡子，地如鸡子黄的模式来说的；天地中间是空的，日月星辰运行往来；地在天中，四边是空的，但却靠着天；靠着天，实是指气而言，天以运动之气，使地不陷下。“天以气而依地之形，地以形而附天之气。天包乎地，地特天中之一物尔。天以气而运乎外，故地摧在中间，隤然不动。使天之运有一息停，则地须陷下。”（同上）这样，朱熹便以他的宇宙结构理论，解决了天如何与地附着，地浮在气中为什么不会坠下的难题。这种宇宙结构的假想，是他依据宇宙之间充塞着气（空气）来设想，并把它描述为动态结构，有一定的合理性。
  朱熹又根据屈原“九天”之说，作了与前人不同的解释。屈原在《天问》中提出：“九天之际，安放安属？”后人对此有各种不同的回答。《吕氏春秋》、《淮南鸿烈》、颜师古《汉书·郊祀志》注等，其共同之处是按八卦方位加中央为九天。唯朱熹以九天为“圜则九重”。“其曰九重，则自地之外，气之旋转，益远益大，益清益刚，究阳之数，而至于九，则极清极刚，而无复有涯矣。”（《楚辞集注》卷三，《天问》）九天，即天有九层次，即九圜。为什么有九天？朱熹认为阳数至于九，阳为天，阴为地，九为老阳之数，故天有九重。
  天，在朱熹看来，并非像鸡子一样的实体，从这个意义上说，“天无体”，这是从气与固体相比较而言的，但并不是没有体。他把天假设为由清轻的气构成的，“二十八宿便是天体”（《朱子语类》第15页，卷二），此体是气体。气无形、无声、无臭，故可又称为无体。
  （二）宇宙演化理论
  宇宙结构是探讨宇宙构造的模型、式样和形式，宇宙演化理论是探索宇宙怎样产生、形成和发展的。朱熹吸收了道家和道教的宇宙演化理论，并有发挥。他说：“天地初间，只是阴阳之气。这一个气运行，磨来磨去，磨得急了，便拶许多渣滓；里面无处出，便结成个地在中央。气之清者便为天，为日月，为星辰，只在外，常周环运转。地便只在中央不动，不是在下。”（同上第6页，卷一）《淮南子·天文训》以“天地之袭精为阴阳”，朱熹设想为天的初始是阴阳二气。天地混沌未分，阴阳二气像个大磨盘，由于磨盘的不断运转，磨得急了，摔出去许多渣滓。因为摔出去的渣滓有粗有细，所以，万物也千差万别，形形色色。他说：“造化之运如磨，上面常转而不止。万物之生，似磨中撒出，有粗有细，自是不齐。”（同上第8页）轻清的气上升为天、日月、星辰；重浊的气就结为地，“地则气之渣滓”（《楚辞集注》卷三，《天问》），“地者，气之渣滓也，所以道‘轻清者为天，重浊者为地’。”（《朱子语类》第6页，卷一）这种天体演化理论，虽受汉以来轻清者为天，重浊者为地的影响，但不无创见。他认为，由于阴阳二气不断地旋转运动，而产生摩擦、碰撞，便凝结成地球在中央，在地球周围形成天、日月、星辰，并处在不停顿的运动过程中；又由于不停顿的摩擦、碰撞，拶出的渣滓有粗有细，世界万物也有粗细、大小等的不同。他猜测到了离心力的物理现象。天体的起始，是一团浑沌未分的阴阳之气，由于阴阳之气激烈、急剧旋转运动的结果，轻清的气摔到外面而上升形成日月、星辰；重浊的气留在中央，形成地。最初摔出的气团是软的，后来才变硬。“初间极软，后来方凝得硬。”（《朱子语类》第7页，卷一）“山河大地初生时，须尚软在。”（同上第6页）须有一个由软而硬的凝结过程。
  地球、日月、星辰由软变硬的猜测，虽来自直观观察，但蕴含着一个可贵的思想，那就是阴阳二气在不断的、急剧的摩擦、运转之中，产生了高热能，使得一切物体都熔化，而重新组合，有的成为轻清的而上升为天，有的较为重浊而为地。关于由摩擦、运转产生热能的思想，确有超越前人之处。
  这是朱熹对于宇宙演化的总构想，至于天体、地球是怎样形成演化，他作了具体的论述：“天地始初，混沌未分时，想只有水火二者。水之滓脚便成地。今登高而望，群山皆为波浪之状，便是水泛如此。只不知因甚么时凝了。……水之极浊便成地，火之极清便成风霆雷电日星之属。”（同上第7页）并称：“五星皆是地上木火土金水之气上结而成。”（同上第22页，卷二）认为五行是天体起源的质料，五行之气上结而成五星。并指出水浊成地，火清成日星、雷电等。并由天体起源而及地壳山脉的起源和地质的变迁，都与五行分不开。他说：“阴阳是气，五行是质。有这质，所以做得物事出来。”（同上第9页，卷一）这样讲是否与阴阳二气相磨而形成天地宇宙相矛盾？不，在朱熹哲学逻辑结构中，阴阳与五行是统一的。他每每这样说：“五行一阴阳也。”（《朱文公文集》卷五十八，《答陈器之二》）“不是阴阳外别有五行。”（《朱子语类》第9页，卷一）又说：“天地之所以生物者，不过乎阴阳五行，而五行实一阴阳也。”（《朱子四书或问》，《孟子或问》卷一）阴阳与五行实一。阴阳二气相磨而形成宇宙，即是五行构成天地。“有阴阳则一变一合而五行具，然五行者，质具于地，而气行于天者也。……则气阳而质阴也”（《周子全书》卷一，《太极图说解》）。水浊成地，火清成天。水既属阳又属阴；火既属阴又属阳，所以说，水火“各又有一阴一阳”（《朱子语类》第2380页，卷九十四）。五行与阴阳相统一，才不碍阴阳变合生五行的运作。
  朱熹假设天地混沌未分时，只有水、火二者，此水火亦指坎、离而言。周敦颐《太极图》所依据的陈抟《无极图》的第二个圆圈，就是“取坎填离”图，也就是从道教的《水火匡廓图》或称《坎离匡廓图》撷取来的。周敦颐的《太极图》又把这个《坎离匡廓图》改为“阴静阳动图”。这样，“无极而太极”的无形而有理，实是混沌未分的状态，水火即坎离、阴阳而产生天地万物。
  二、天文论
  中国天文学在先秦是与占星术相结合而发展起来的，由于社会农业生产的需要，又推动了天文学的观测实验。
  为了在观测天象时能用坐标表现天体的方位及其视运动，需要有一个“天球”。朱熹假想“有一常见不隐者为天之盖，有一常隐不见者为天之底”（《朱子语类》第12页，卷二）。又说：“天文有半边在上面，须有半边在下面。”（同上）以此作为日月星辰位置的坐标，天体运行的参照系。
  （一）天体的运行
  朱熹认为，天体在其运动中，有一个枢纽，这便是南极和北极。他说：“南极北极，天之枢纽，只有此处不动，如磨脐然。”（《朱子语类》第19页，卷二）北极又称为北辰，“北辰，即北极也。以其居中不动而言，是天之枢轴。天形如鸡子旋转，极如一物，横亘居中，两头称定。一头在北上，是为北极，居中不动，众星环向也。一头在南，是为南极，在地下，人不可见。”（同上第535页，卷二十三）南北极构成了“天环”的中轴，天体运行是围绕此中轴旋转，否定运行没有轨迹的说法。朱熹不同意谢良佐把北极看作天之机，把北辰看作周建于十二辰之舍的见解。
  朱熹说到作为枢纽的极星是居中不动的。那么，究竟动不动？《朱子语类》记载：“义刚问：‘极星动不动？’曰：‘极星也动。只是它近那辰后，虽动而不觉。’”譬如那“射糖盘子”，北辰就是中心的椿子，极星是最接近椿子的点子，虽随盘子一起转，但愈近椿子，人便觉不出它在旋转。只有到了宋代，有人“方去推得是北极只是北辰头边，而极星依旧动”（同上）。朱熹这个见解，超越了感觉的直观，而具有理性认识的特点。
  天体为什么会运转，如何运转，在历史上争论不休。有主左旋，有主右旋，其共同点是：以静止不动的地球为中心，日月星辰绕地球旋转这一直观想象为基础而思考的。其差异在于，右旋说以日的周年和月的周月视运动为依据，左旋说以日和月的周日视运动为依据，并以此为日月的实在运动。其实，两者都不符合实际。但从日月食观测和制订历法和实用来说，右旋说较左旋说有价值，一般历法家大体采右旋说。
  张载主张左旋说，他说：“天左旋，处其中者顺之，少迟则反右矣。”《正蒙·参两》）“处其中者”，指日月五星七曜而言，由于顺天左旋，以行迟而不及天，人们看见七曜似乎是后退，便称其为右转。张载突破了历法家的困囿，提出了地亦顺天而左旋的观点，即地动说，这是有积极意义的。
  朱熹继承张载的左旋说。《语类》载：“问：‘天道左旋，自东而西，日月右行，则如何？’曰：‘横渠说日月皆是左旋，说得好。’”（《朱子语类》第13页，卷二）并亦主左旋说，指出“天左旋，日月亦左旋。……天道与日月五星皆是左旋。”（同上第14页）为什么日月五星是左旋，而不是右旋？《语类》中有一个解释：“问天道左旋，日月星辰右转。曰：‘自疏家有此说，人皆守定。某看天上日月星不曾右转，只是随天转。’”（同上）以“某看天上”，因是直观的观测，只能测到七曜周日视运动，不能说明周年视运动，对于历法的制订并没有提供有价值的根据。正因为朱熹以直观的观测为依据，便出现了混乱。“当昼则自左旋而向右，向夕则自前降而归后，当夜则自右转而复左，将旦则自后升而趋前，旋转无穷，升降不息，是为天体。”（《楚辞集注》卷三，《天问》）白昼时自左向右旋转，夜间自右向左旋转，以日夜的旋转方向不同，来调和左右旋之争。
  朱熹对于张载旋转迟速不同的思想作了具体的发挥。认为“日行速”，“月行迟”。“进数为顺天而左，退数为逆天而右”（《朱子语类》第14页，卷二）。朱熹以太阳和月亮的周日视运行为太阳和月亮的真实运动，太阳周日视运行度数的进退与本数相符，月亮周日视运行度数的进退有差，便产生了进顺天而左，退逆天而右的问题。
  据此，朱熹又推算出，天“绕地左旋，常一日一周而过一度。日丽天而少迟，故日行一日，亦绕地一周，而在天为不及一度。积三百六十五日九百四十分日之二百三十五而与天会，是一岁日行之数也。”（同上第15页）阳历一年为三百六十五日余，但阴历每月二十九日或三十日有异，十二月为“三百五十四日九百四十分日之三百四十八一岁”。按照沈括和卫相朴主修的《奉元历》，以365.243,585,00日为一回归年（现在准确值为365.242,193日）；朔策（朔望月）为29.530,590,71日（准确值为29.530,588日），则与唐开元《大衍历》的朔望月29.530,59日相近似。朱熹以三百六十五日九百四十分日之二百三十五为一岁，即356＝365日，或365.25日，较《奉元历》为大。然而《奉元历》只实行了十八年（公元1074——1092年），据说南宋时便失传了。因而朱熹的计算以及闰月的安排仍是有价值的。
  （二）日食与月食
  朱熹依据当时自然科学的成果，运用阴阳（气）学说来解释各种自然现象。他已经认识到月亮是不发光体，太阳是发光体，月亮受太阳光的照射而有亮。《语类》记载：“月体常圆无阙，但常受日光为明。初三四是日在下照，月在西边明，人在这边望，只见在弦光。十五六则日在地下，其光由地四边而射出，月被其光而明。”（《朱子语类》第19页，卷二）不同意月有缺的说法，而采取沈括月无缺说。月怎样才能受日之光？朱熹说：“方合朔时，日在上，月在下，则月面向天者有光，向地者无光，故人不见。及至望时，月面向人者有光，向天者无光，故见其圆满。若至弦时，所谓‘近一远三’，只合有许多光。”（同上第20页）所谓“合朔”，指日月会合，古人以朔日为一月的开始，即阴历初一。这时日在上，月在下，地又在月下，因受阳光面背向地，所以地上的人看不见月亮。“望”指一月之中（阴历十五日），地球在日月之间，月之受光面与地球相对，人便看到了满月。弦有上弦下弦之分，上弦为黄道上月在日东九十度，阴历初八前后，月面西半明东半暗，自地上看见的月亮，如弓形之半圆；下弦为黄道上月在日西九十度，阴历二十三日前后，月面东半明西半暗，自地视月，恰如弓形之半圆。
  月是不透明不发光的球体，在日光照射下，有一个黑影。对此黑影有各种神话传说。《语类》曾载：“或问：‘月中黑影是地影否？’曰：‘前辈有此说，看来理或有之。然非地影，乃是地形倒去遮了他光耳。如镜子中被一物遮住其光，故不甚见也。盖日以其光加月之魄，中间地是一块实底物事，故光照不透而有此黑晕也。’”（同上第20—21页）认为不是地影入月亮，而是地形遮了日光，而有黑影。尽管这个解释不合现代天文学，但较之种种神话传说则高明得多，起码表明朱熹在作科学的思考。
  由对日、月、地三者发光与受光及三者运动关系的探讨，而进入到日月食原因的解释。月绕地公转的轨道平面同天球相交的大圆，叫白道，即月道；地绕日公转的轨道平面在天球上截出的大圆叫黄道，日月食只有在黄道、白道相交时，才能产生。《语类》记载：“日蚀是日月会合处。月合在日之下，或反在上，故蚀。月蚀是日月正相照。伊川谓：‘月不受日光’，意亦相近。盖阴盛亢阳，而不少让阳故也。”（《朱子语类》第21页，卷二）并称：“日食是为月所掩，月食是与日争敌。月饶日些子，方好无食。”（同上）当日月运行到同一度数，两相会合，即月亮处于太阳与地球之间而成一直线时，月亮掩盖了太阳，便发生日食，“日食时亦非光散，但为物掩耳”（《朱文公文集》卷四十七，《答吕子约九》）。当地球处在太阳与月亮之间，地球掩盖了太阳照到月亮上的阳光而发生月食，这便称为“日月交蚀”（《朱子语类》第22页，卷二）。但是，当朔望之时而黄道、白道不值交切，或黄道、白道相交而不值朔望之时，都不会发生日月蚀。只有朔望日恰值黄道、白道相交，日、月、地球在一直线上，朔日，则月居日、地之间，月蔽日，而生日蚀；望日，则地居日、月之间，地影蔽月，而生月蚀。在黄道、白道相交会而又在朔望日，就发生日月蚀。他说：“会时是日月在那黄道赤道十字路头相交处厮撞着。……日所以蚀于朔者，月常在下，日常在上，既是相会，被月在下面遮了日，故日蚀。望时月蚀，固是阴敢与阳敌，然历家又谓之暗虚。盖火日外影，其中实暗，到望时恰当着其中暗处，故月蚀。”（同上第12—13页）所谓黄道，即地球上每个年份中所看到的太阳所走的轨道。这里所谓赤道，应为白道，即月道，是在地球上每个月份中所看到的月球所走的轨道。尽管朱熹这些论述与沈括相似（参见《梦溪笔谈》卷七，《象数》），但他与阴阳说相结合，并指出“所蚀分数”，则有些过人之处。他说：“唯月行日外而掩日于内，则为日蚀；日行月外而掩月于内，则为月蚀。所蚀分数，亦推其所掩之多少而已。”（《朱子语类》第18页，卷二）“所蚀分数”，是指“食分”而言。黄、白道不重合，二者交角平均为5°9′。朔时太阳在黄、白道交点15°21′以内，便发生日食，距交点18°31′以上，则不发生。望时月亮在黄、白交点3°45′以内，可发生月全食，距交点12°15′以上，便不发生，这就是“食限”。在此“食限”之内，依照“所蚀分数”，便可推其所食的多少，这即是日全食、月全食、月偏食、日偏食、日环食等各种情况。但朱熹没有举出准确的数值，然他用日、月交距的远近来说明食分的大小或所食的多少，则与天文学原理相一致。日月蚀既为日、月、地三者运行的必然规律，是可以计算预测的，而不是什么灾异。他说：“日月食皆是阴阳气衰。徽庙朝曾下诏书，言此定数，不足为灾异，古人皆不晓历之故。”（同上第22页）在这点上，朱熹却有着破除灾异的思想。
  （三）岁差与历法
  古代天文学的宗旨之一是制订历法。朱熹说：“历是古时一件大事，故炎帝以鸟名官，首曰凤鸟氏，历正也。岁月日时既定，则百土之事，可考其成。”（同上第1991页，卷七十八）传说羲和主管历象授时，羲和的四子羲仲、羲叔、和仲、和叔，也是掌历之官，并在东、南、西、北设有观测天文的测景台，“旸谷、南交、昧谷、幽都，是测日景之处”（同上）。可见中国古代对天文的观测不仅非常重视，而且知道在四方观测，以取得不同的数据，作为参照，比较鉴别。当然测日景的目的，是为了制订历法，“四方度其日景以作历耳”（同上）。这与中国以农为本的农业社会的发展需要相适应。
  朱熹认为，随着人们对宇宙认识的深入，观测的积累以及观测工具的改进，历法亦愈来愈精密。譬如《月令》所记载的历象与尧时不同，现在所说的历象与《月令》又不同了。孟子时所说的七八月，乃今之五六月；十一月十二月，是今之九月十月。他说：“孟子所谓七八月，乃今之五六月；所谓十一月十二月，乃今之九月十月。是周人固已改月矣，但天时则不可改。”（《朱文公文集》卷四十二，《答吴晦叔五》）由于岁差未解决好，而发生这种不合节气的现象。他说：“尧冬至日在虚昏中昴，今日在斗昏中壁，而中星古今不同者，盖天有三百六十五度四分度之一，岁有三百六十五日四分日之一，天度四分之一而有余，岁日四分之一而不足。故天度常平运而舒，日运常内转而缩，天渐差而西，岁渐差而东，此即岁差之由。”（《朱文公文集》卷六十五，《尚书·尧典》）约公元前1800年，冬至日在北方玄武星座的虚宿，现在冬至日在玄武星座的斗宿。只有解决岁差，才不至出现这种现象。由于日月和行星的吸引力，地球自转轴的方向发生缓慢的变化，因而天赤道的位置也在变化。这样，天赤道同黄道的交点（春分点）每年沿黄道向西移动50.2角秒，称为岁差。如果以每年三月二十一日太阳由天赤道以南经春分点进入天赤道以北。六月二十二日太阳到最北边的夏至点，九月二十三日经秋分点到赤道以南，十二月二十二日到最南边的冬至点。然而中国古代阴阳历，阳历年为365.24358500日，阴历月为29.53059071日。朱熹以一岁为365365日，月为29日，岁差为10日，三年便是32日。这样，如果开始以一、二、三月为春季，那么，三年后便成为二、三、四月为春季了，所以必须由闰月来调整。朱熹认为，如果采取三年一闰，五年再闰，十九年七闰的办法，便可以解决岁差的问题。
  为什么历法中规定有大小月之分，朱熹认为，这与合朔有关。他说：“只是以每月二十九日半，六百四十分日之二十九计之，观其合朔为如何。如前月大，则后月初二日月生明；前月小，则后月初三日月生明。”（《朱子语类》第25—26页，卷二）把上一次日月会合与下一日月会合的间隔时间定为一月，亦即日月黄经相等的时间间隔，平均为29.5306日，这样便决定大月三十日为大尽，小月二十九日为小尽，前月大，后一个月的初二日月生明等。结果仍有余数，所以沈括曾建议不再用根据月亮运行而定十二个月，以十二气定为一年，把立春日作为一月一日，惊蛰日作为二月一日，大月三十一日，小月三十日，这样每年的天数便整齐，而不出现闰余日数。这个建议有其合理性。但朱熹并没有采纳沈括的建议，虽然知道朔与气有矛盾，仍以旧闰法来调节。他说：“闰余生于朔不尽周天之气。周天之气，谓二十四气也。月有大小，朔不得尽此气，而一岁日子足矣，故置闰。”（《朱子语类》第26页，卷二）两个节度的时间长度约三十多天，两次朔日之间的时间长度为二十九天多，两不相等。随着时间的推移，气与朔相差越来越大，这即是置闰的原因所在。
  三、气象论
  从朱熹哲学逻辑结构来看，理借助气而产生宇宙万物，自然界的各种现象，都是阴阳二气氤氲、凝聚、碰撞、分散的结果。阴阳是自然界最普遍性范畴，它是构成万物的最基本要素，亦是最活泼和有生气的成分。因而，它具有最大的解释功能。
  （一）气候与气象
  气候与气象是气在宇宙间运动变化所呈现的各种不同的形态或形状。从气候来看，“天地中间，此气升降上下，当分为六层。十一月冬至自下面第一层生起，直到第六层上，极至天，是为四月。阳气既生足，便消；下面阴气便生。只是这一气升降循环不已，往来乎六层之中也。”（同上第1905页，卷七十四）把气分为六层，似喻《周易》的六爻，六爻构成了气的往来运动，这样气候自是不同。
  地域季节不同，气候也有差异。北方干燥，南方潮湿。春夏季节气候昏然，秋冬气候清明，其原因在于天运转的缓慢与紧急。为什么有的地方到四、五月，雪还不化。这是因为“日到那里时，过午时阳气不甚厚，所以如此”（同上第3282页，卷一百三十八）。阳气炎上便能化雪，阳气不足，而雪不化，这与所谓“景朝多风”处亦有关系。多风的原因，“今近东之地，自是多风。如海边诸郡风极多，每如期而至，如春必东风，夏必南风，不如此间之无定。盖土地旷阔，无高山之限，故风各以方至。”（《朱子语类》第2211页，卷八十六）朱熹以自己在福建漳州和泉州的体验，一般都是早上则风生，到中午最盛，午后风力渐微，至晚更无一点风色。由此可知，“盖风随阳气生，日方升则阳气生，至午则阳气盛，午后则阳气微，故风亦随而盛衰。”（同上）这种直观的解释，倒还能自圆其说。
  多阴的原因，朱熹分析说：“如西北边多阴，非特山高障蔽之故，自是阳气到彼处衰谢。盖日到彼方午，则彼已甚晚，不久则落，故西边不甚见日。古语云：‘蜀之日，越之雪。’言见日少也。”（同上）以日为阳，西北寒冷，阳气衰微，所以多阴。但朱熹把四川作为西北，是以南宋的地理位置而言的，而非真正的中国的西北。
  关于气象，朱熹用气（阴阳）的概念解释了雷电、云雨、霜雪、雹虹的成因。譬如说雷电，“雷如今之爆杖，盖郁积之极而迸散者也。”（《朱子语类》第24页，卷二）雷犹如爆竹，爆开有响声，其所以如此，是因为“阳气伏于阴气之内不得出，故爆开而为雷也。”（同上第2535页，卷九十九）阴气凝聚，逼迫阳气，阳气郁积到极限，而不能出，于是爆开突破阴气，而发出雷声。至于闪电，似是雷声前之现象。《语类》有载：“问：‘雷电，程子曰：只是气相摩轧。是否？’曰：‘然。’‘或以为有神物。’曰：‘气聚则须有，然才过便散。如雷斧之类，亦是气聚而成者。’”（同上第24页，卷二）雷电是由于阴阳二气相摩轧而积至于极，然后迸裂开来，出现闪电，并非什么神物所为。
  云雨，在雷雨之前，往往乌云滚滚，平常晴朗之日，也有白云朵朵。这是因为“阴气正升，忽遇阳气，则助之飞腾而上为云也。”（同上第2534—2535页，卷九十九）云在本质上说是阴气，只是由于它凝聚的密度有紧有松，运行的速度有迟有速，所以变幻莫测。雨与雷相聚，“阴阳之气，闭结之极，忽然迸散出做这雷雨。”（同上第1832页，卷七十二）雨从本质上讲，亦是阴气所为，“凡雨者，皆是阴气盛，凝结得密，方湿润下降为雨。”（《朱子语类》第1755页，卷七十）雷雨皆阴阳之气的相互作用而形成。雨犹如作饭加热到100℃，水蒸气出来，遇冷而有水珠，以此说明阴气凝结而成雨。也有阳气被阴气压坠而下为雨的情况。“自是阴阳气蒸郁而成，非必龙之为也。”（同上第23页，卷二）驳斥了“龙行雨之说”（同上）。
  霜雪，朱熹认为，“霜只是露结成”（同上）。他不同意程颐所说的“如言露结为霜，非也”（《程氏遗书》卷十八）的结论，而采取传统的说法，并通过观测验证霜是露结成的。亦不同意程颐以露是星月之气的观点，“古人说露是星月之气，不然。今高山顶上虽晴亦无露。露只是自下蒸上。”（《朱子语类》第23页，卷二）在朱熹看来，露若是星月之气，高山顶上应有露，今无，说明露是地之阴阳气蒸上而成。为什么高山无霜露？他曾这样回答：“上面气渐清，风渐紧，虽微有雾气，都吹散了，所以不结。”（同上）认为风紧吹散了霜露。雪不是霜露结成，而是“雨结成”。“若雪，则只是雨遇寒而凝，故高寒处雪先结也。”（同上）雨遇冷而凝结成雪。雪是风吹不散的，相反风与雪相联系而称为风雪。“高山无霜露，却有雪。”（同上）同时，他以风来解释雪花六出的原因，“雪花所以必六出者，盖只是霰下，被猛风拍开，故成六出。如人掷一团烂泥于地，泥必灒开成稜瓣也。”（同上）雪是水在一定温度条件下而成的，因此，朱熹以霜是露结成或雪是雨结成，并不全错。然而雪花六瓣并非猛风拍开，而是气温在零下23度以内，雪花成细针状，超过23度，便成六角形，它是水的结晶体的分子排列规则的结果。至于以《周易》的数理来解释，就牵强附会了，“六者阴数，大阴玄精石亦六稜，盖天地自然之数。”（同上）雪花六出合于自然，而与阴数无关。
  雹虹，朱熹认为，雹是阴阳交争而成。他说：“今雹之两头皆尖，有稜道。疑得初间圆，上面阴阳交争，打得如此碎了。雹字从雨从包，是这气包住，所以为雹也。”（《朱子语类》第25页，卷二）指出雹是阴阳交争时，阴胜阳衰的结果。由于阴胜而凝聚为雹，所以下雹时必阴寒。虹是雨气被日照射而成。“虹非能止雨也，而雨气至是已薄，亦是日色射散雨气了。”（《朱子语类》第24页，卷二）虹又叫做蝃，“蝃本只是薄雨为日所照成影”（同上）。虹不能止雨，它往往出现在雨过天晴，雨气已薄，日光散射雨气的结果。但把虹说成是血气之类，显然牵强。虹是阳光通过空中雨滴，经过两次折射和若干次反射而产生色散，虹总是圆弧形，圆弧的圆心就在观者的眼睛的“影子”上。陨石，“星有堕地其光烛天而散者，有变为石者。”（《朱子语类》第22页，卷二）如实地记载陨星堕落的情况，火光烛天，后落地散为石。这种宇宙生成和演化的理论，不仅利用了许多自然科学的成果，而且有创见，促进了自然科学思想的发展。
  （二）潮汐说
  中国古人很早就知道潮汐与月亮的运行有关。王充曾说：“涛之起也随月盛衰，小大满损不齐同。”（《论衡校释》卷四，《书虚篇》）宋代沈括批评了潮汐是由日出没而激成的观点，坚持月亮对潮汐的作用。
  朱熹继承了沈括的思想，他说：“潮之迟速大小自有常。旧见明州人说，月加子午则潮长，自有此理。沈存中《笔谈》说亦如此。陆子静谓潮是子午月长，沈存中《续笔谈》之说亦如此，谓月在地子午之方，初一卯，十五酉。”（《朱子语类》第28页，卷二）由于月球和太阳引力的作用，使海洋水面发生周期性的涨落，潮汐的大小和涨落时刻逐日不同。然而每当月亮正好在上中天或下中天的时候，就会发生海潮。“潮，海水以月加子午之时，一日而再至者也，朝曰潮，夕曰汐。”（《楚辞集注》卷四，《悲回风》）按生潮的时间分为早潮（白天发生）称为潮，晚潮（夜间发生）称为汐。每天有一潮一汐，两者之间间隔的时间平均是12小时25分，连续两次早潮、晚汐所间隔的时间平均为24小时50分，即每天的早潮或晚汐要比前一昼夜的潮或汐发生的时间平均落后50分。连续两次早潮、晚汐的间隔时间恰好和月球连续两次经过某一地点子午线（即通过该地点的经线）的时间相合。
  朱熹不仅吸收沈括的思想资料，而且对余靖（公元1000——1064年）的潮汐说也很赞赏。他说：“潮汐之说，余襄公言之尤详。大抵天地之间，东西为纬，南北为经，故子午卯酉为四方之正位，而潮之进退以月至此位为节耳。以气之消息言之，则子者阴之极而阳之始，午者阳之极而阴之始，卯为阳中，酉为阴中也。”（《朱文公文集》卷五十八，《答张敬之一》）关于余靖的潮汐说，《朱子全书》卷五十有引。朱熹通过地球某点（包括地球自转轴）的平面（子午面）与天球的交线，称为该点的子午圈。月临子午，是指月亮在子午圈上，由于地球自转，月亮每天二次通过子午圈。当月亮在天顶半圈上的时候为月正午，月在天底的半圈上时称月正子。为什么会发生潮汐？主要是月亮的引力引起潮汐，太阳的引力也有作用。由于太阳距离地球比月亮远，作用力只有月亮的1/2.2，因而太阳引起的潮汐被月亮引起的潮汐淹没了。但当朔或望时，太阳、地球和月亮近似在一条线上，太阳和月亮的引力加在一起，便发生大潮；而当上弦（阴历初七、八）和下弦（阴历廿二、廿三日）时，太阳和月亮的引力方向相反，月亮的一部分引力被抵消，便是小潮。但是朱熹与沈括他们一样，限于当时的科学技术水平，没有认识到太阳的引力对潮汐涨落的作用。
  朱熹之所以处处赞扬沈括，重视自然科学，并孜孜不倦地进行探索研究，这是与他的整个哲学体系以及为学之方的“道问学”分不开的。其一，讲求实理实学，才能反对虚理虚学；其二，讲求实际调查观测，反对因袭臆想；其三，讲求认识客观事物本来面貌，反对神秘主义。