浑仪和简仪——中国古代测天仪器的成就

浑仪和简仪——中国古代测天仪器的成就 　　自然科学史研究所 席泽宗　　 　　在十七世纪发明望远镜以前，浑仪是所有天文学家测定天体方位的时候都缺少不了的仪器。

不过中国的浑仪和古希腊的不同。

我国最原始的浑仪可能是由两个圆环组成。

如下图，一个是固定的赤道环（ErRE′R′），它的平面和赤道面平行，环面上刻有周天度数。

一个是四游环（PMRP′M′R′），也叫赤经环，能够绕着极轴（POP′）旋转，赤经环上也刻有周天度数。

在赤经环上附有窥管（M′OM），窥管可以绕着赤经环的中心旋转。

观测某一天体M的时候，先按东西方向旋转四游环使它对准M，再把窥管上下旋转使人目从窥管中看见M。

这时候大圆弧便是天体寓北极的距离p，古时叫“去极度”；

便是天体离赤道的距离，天文学上叫赤纬，用希腊字母δ表示。

显然P＋δ＝90°。

图上的r表示春分点，从春分点起沿赤道量度的大圆弧叫天体M的赤经，用希腊字母a表示。

两个天体的赤经差a2—a1叫距度，如果M1（a1，δ1）是二十八宿的距星，那么a2—al就是浑仪示意图。

　　 　　浑仪示意较。

　　M2（a2，δ2）的入宿度。

我国古时就用入宿度和去极度来表示天体的位置，战国时期公元前四世纪中叶成书的《石氏星经》中就有这些数据了，这证明那时就已经有浑仪了。

在欧洲，首先系统地观测恒星方位的人是约公元前三世纪上半叶的古希腊天文学家阿里斯提鲁斯和铁木恰里斯，他们比石申约晚六十年，而所用的仪器，现在已经是一无所知了；

据托勒玫（约90—168）《天文学大成》中的叙述，他们用的可能是以黄道坐标为主的浑仪。

　　利用沿赤道量度的大圆弧来表示恒星的位置是很方便的，因为所有恒星的周日运动（就是每天的东升西落）都是平行于赤道进行的；

但是对于太阳来说就不合适了，因为太阳在恒星背景上的视运动轨道一黄道——和赤道有个二十三度多的交角。

为了更方便地测量太阳的位置，东汉中期的傅安和贾逵（30—101）就又在浑仪上安装了黄道环。

可能是张衡又加上地平环（NFSF′）和子午环（NPE′SP′E），于是便成了完整的浑仪。

《隋书·天文志》中介绍的东晋时候的前赵的孔挺于光初六年（公元323年）所作的浑仪是这种仪器结构方面的最早记载。

北魏的斜兰于永兴四年（公元412年）用铁铸浑仪，在底座上添置了十字水跌，用来校正仪器的水准，这又是一个进步。

　　到唐代初年，由于工艺水平和科学技术的发展，李淳风进一步把浑仪由两重改变成三重，就是在六合仪和四游仪之间再安装一重三辰仪。

李淳风把张衡浑仪的外面一层——地平圈、子午圈和赤道圈固定在一起的一层叫做六合仪，因为中国古时把东、西、南、北、上、下这六个方向叫做六合；

把里面能够旋转用来观测的四游环连同窥管叫做四游仪。

在这两层之间薪加的三辰仪是由三个相交的圆环构成的，这三个圆环是黄道环、自道环和赤道环。

黄道环用来表示太阳的位置，白道环用来表示月亮的位置，赤道环用来表示恒星的位置。

中国古时把日、月、星叫做三辰，所以新增的这一重叫做三辰仪。

三辰仪可以绕着极轴在六合仪里旋转，而观测用的四游仪又可以在三辰仪里旋转。

现在保存在南京紫金山天文台的明代正统二年到七年（公元1437年到1442年）间复制的浑仪，基本上就是按熙李淳风的办法做的，所不同的是把三辰仪中的白道环取消了，另外加了二分圈和二至圈（过春分、秋分点和冬至、夏至点的赤经圈）。

二分圈和二至圈是宋代的苏颂加上去的，自道环是同时代的沈括取消的。

　　 　　保存在南京紫金山天文台的浑仪。

　　沈括取消白道环，是浑仪发展史上的一个转折点，具有重要意义。

在沈括以前，往往是增加一个新的重要天文概念，就要在浑仪上增加一个环圈来表现这个概念，仪器发展的方向是不断地复杂化，仪器上的环越来越多。

这样就产主了一个缺点：环圈相互交措，遮掩了很大天区，缩小了观测范围，使用起来很不方便。

为了克服这个缺点，沈括一方面取消白道环，把仪器简化、分工，再借用数学工具把它们之间的关系联系起来（“当省去月环，其候月之出入，专以历法步之”）；

另一方面又提出改变一些环的位置，使它们不挡住视线，他说：“旧法黄赤道平设，正当天度，掩蔽人目，不可占察，其后乃别加钻孔，尤为拙谬。

今当侧置少偏，使天度出北极之外，自不凌蔽。

”（《浑仪议》，见《宋史·天文志》） 　　沈括把浑仪发展的方向由综合和复杂化改变为分工和简化，为仪器的发展开辟了新的途径。

元代郭守敬于元世祖至元十三气（公元1276年）创制的简仪就是在这基础上产生的。

简仪不但取消了白道环，而且又取消了黄道环，并且把地平坐标（由地平圈和地平经圈组成）和赤道坐标（由赤道圈和赤经圈组成）分别安装，使除了北天极附近以外，全部天空一望无余，不再有妨碍视线的圆环。

　　简仪的赤道装置是：北高南低的两个支架托着正南北方向的极轴，围绕着极轴旋转的是赤经双环，就是浑仪中的四游仪。

赤经双环的两面刻着周天度数，中间夹着窥管，窥管可以绕着赤经双环的中心旋转。

窥管两端架有十字线，这便是后世望远镜中十字丝的祖先。

这样，只要转动赤经双环和窥管，就可以观测空中任何方位的一个天体，并且从环面的刻度上读出天体的去极度数。

把去极度数乘以360/365.25，再从90°减去这个乘积，就得到现代用的赤纬值。

　　至于赤经数值，可以由安放在旋转轴南端的赤道环求出。

这种把赤道环不放在旋转轴的正中腰而搁在南端的方法，在今天各国的天文台上安装望远镜的时候，还广泛地使用着。

当然，今天的赤道环很小，而不是像简仪中那样，赤道环的尺寸和四游环的完全一样。

赤道环的环面上刻有二十八宿的度数，另有两根“界衡”，每条界衡的心就是赤道环的中心，可以绕中心沿环面移动。

每条界衡的两端都用细线和极轴北端连接起来，构成两个三角形，两个三角形平面的夹角就是赤经差。

观测的时候把一个界衡形成的平面对准某宿的距星，把另一个界衡平面对准所要观测的天体，就得致这个天体的入宿度。

把入宿度加上从这个天体西侧宿起到春分点所在宿止相应各宿的距度，并且减去春分点位置的宿度，然后乘以360/360.25，就是现代用的赤经值。

　　 　　保存在南京紫金山天文台的简仪。

　　在赤道坏的内部，还固定着一个百刻坏，用来承托赤道环，使它旋转方便。

百刻环等分成一百刻，又分成十二个时辰，每刻又分作三十六分，这是古代任何仪器上都没有过的。

用界衡来观测太阳，从百刻环上得到的读数就是真太阳时时刻。

（由于太阳的视运动沿黄道，而百刻环和赤道面是一致的，因此，从简仪上读到的时亥1和用漏壶测得的时刻实际上会有一些差别。

） 　　至于地平装置，简仪把它安放在赤道装置北面支柱的横梁底下。

它由一对圆环组成。

一个是平铺的“阴纬环”，代表地平圈，环而上刻着方位。

一个是“立运双环”，代表地平经圈，垂直立于阴纬环上，并且可以绕轴旋转。

双环中间夹有窥管，窥管可以绕立运环砌中心旋转。

这样，只要转动立运坏和窥管，就可以测出任一天体伪地平经度和地平纬度。

　　简仪的设计和制造水平，在世界上遥遥领先三百多年，直到公元1598年丹麦天文学家第谷所发明的仪器才能和它相比。

著名的《星云星团新总星表》（NGC）的作者丹麦德雷那尔（1852—1926）在评价简仪的历史重要性的时候指出，不少伟大的发明，常常在西方国家享有它们以前的许多世纪，中国人民就已经作出了。

我们看现代化天文台里大望远镜的赤道装置，尤其是英国式的类型，简直就是从简仪脱胎而来，不过和四游环、赤道环、百刻环相当的刻度盘不太注目而已。

近代工程测量、地形测量和实用天文测量所用的经纬仪，从它的型式来看，方位角和仰角的地平装置，也是简仪阴纬环和立运环的结构。

而航空导航用的天文罗盘，构造也和简仪属于同一类型。

因此可以说，简仪是所有这些近代仪器的原始形态。

　　郭守敬等创制的简仪，于清康熙五十四年（公元1715年）被传教士纪理安（1655—1720）当作废铜给熔化了。

现今保存在南京紫金山天文台上的简仪，和浑仪一样，也是明代正统年间的复制品。

就是这两件复制品也是饱历风霜。

清光绪二十六年（公元1900年）八国联军侵入北京，法军把简仪抢去，运进法国大使馆，过了几年才归还，德军把浑仪运到德国波茨但，第一次世界大战战败后才归还我国。

　　公元1921年浑仪才由欧洲运回北京，1931年又发生了“九·一八”事变，国民党政府又把浑仪和简仪南迁南京。

1937年12月南京沦陷，日本侵略军到了紫金山，又把仪身损坏，龙爪砍断，把许多附属仪表和零件弄得荡然无存。

　　“萧瑟秋风今又是，换了人间。

”解放以后，党和政府在积极发展现代科学的同时，也高度重视保护古代文物。

天文台、系、站、馆不断新建和扩充，保存在南京紫金山天文台的浑仪和简仪以及其他天文文物也受到着意的保护和整修，作为祖国在天文学上伟大成就的象征，激励着我们攀登新的科学高峰。

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