文/陳久金

? ? ? 天文儀器是人們研究天體運動規(guī)律的得力工具，它的改良與創(chuàng)新直接影響觀測水平的提高。

? ? ? ?中國古代天文儀器綜合起來可分為三種類型：第一類為表，第二類為觀測儀器，第三類則為計時儀器。由于表兼有多種功能，所以有必要單獨予以介紹。

一、表

? ? ? ?每個物體在陽光的照耀下會投射出影子，并且隨著太陽在天空中的移動，影子的方向和長短都在不斷地變化。

? ? ? ?古人通過長期的觀察與積累，發(fā)現(xiàn)這種變化包含了兩個周期：一個是以一晝夜為單位的短周期；一個是以春夏秋冬為單位，與開花結(jié)果等物候現(xiàn)象合拍的長周期。大約在4000多年前，出現(xiàn)了迄今為止所知道的最古老的天文儀器——表。表的產(chǎn)生，便于更準確地判斷影子的方向和長短。顯然這個表不是指鐘表、儀表的表，但是前者和后者之間確實存在著必然的聯(lián)系。

? ? ? ?表，就是直立于地面的竿子。太陽下，有竿便有影，這大概就是“立竿見影”這個成語的原始含義。古書中的竿、槷（niè）、臬、髀、碑、椑（bēi）等詞，都是表的其他名稱。

圖3-1　利用表來判斷方向

? ? ? ?表的結(jié)構(gòu)雖然簡單，功能卻不少。表的最初用途是確定方向。太陽并不是每天都從正東方升起正西方落下。以北京地區(qū)（地理緯度40°00′）為例，冬至日的時候，太陽于東偏南31°左右升起，于西偏南31°左右落下，遠離東點西點。每年只有在3月21日（春分日）和9月23日（秋分日）前后，才可以說太陽真正是“東升西落”。那么憑表影怎樣來確定方向呢？古代以表立處為圓心作一個任意圓，然后連接日出日沒時表影與圓周相交的兩點，便得到正東正西方向，并由東西而知南北（見圖3-1）。為了提高測量精度，也可多劃幾個任意圓，取多次平均值。不過，日出日沒時的表影常常比較模糊，即使多次測量，也難免會有較大誤差。如果采用上午或下午兩次等長的表影，取其端點的連線，一樣可獲知東西方向。元代天文學家郭守敬的定向儀器“正方案”正是利用這一原理設計的。

? ? ? ?除了確定方位外，表還有兩個重要功能：其一是利用一天中表影方向的變化來判斷時刻；其二是利用一年中正午表影長短的變化來判斷冬至日和夏至日。第一個功能的再延伸，表再加上一個刻有放射狀時刻線的圓形石盤，就演變成了日晷。而第二個功能發(fā)展的結(jié)果，又導致了圭表的產(chǎn)生，圭表是中國古代必不可少的天文儀器之一。本章重點介紹圭表，日晷留待計時儀器部分講述。

? ? ? ?在冬天，太陽光比夏天時更傾斜，因而表影相對夏天更長，換句話說，正午時的表影最長或最短的那一天，太陽恰好處于最南或最北的極限位置。這兩天分別叫做冬至日和夏至日（見圖3-2）。經(jīng)驗告訴人們，當太陽離開最南端，夏至日開始向北方移動時，天氣逐漸變暖，萬物陸續(xù)復蘇，意味著饑荒將要過去。同樣地，當太陽離開最北端，開始向南方移動時，天氣逐漸變冷，萬物陸續(xù)凋零，意味著要趕緊貯存過冬食品，所以冬至日和夏至日在古人心目中顯得尤為重要，通過表影來測算冬至日和夏至日就成為中國古代天文中最基本的內(nèi)容之一。

圖3-2　利用表來判斷冬至和夏至

? ? ? ?中國絕大部分地區(qū)的緯度高于北回歸線（即23.5°），正午時的表影總是在表的正北方向。把一塊有刻度的平板，緊接表基處朝北水平放置，便可直接讀出正午時表影的長度。本來“圭”字，僅指片狀玉器，由于圭曾作為測量土地的標準尺子廣泛使用過，后來轉(zhuǎn)而把測量影長的工具也叫做圭，圭和表的結(jié)合就稱為圭表（見圖3-3）。

? ? ? ?表身是否垂直，圭面是否水平，都會影響表影的長度，所以漢代時人們就知道，借助懸物來校正表的垂直，借助水槽來校正圭的水平。另外，為了克服光線漫射引起的表影端線模糊不清給測量造成的困難，沈括于北宋熙寧七年（公元1074年）提出了兩項改進：一是將圭表置于一個僅頂部有一條縫隙的密室，由于密室內(nèi)塵埃較少，射入的日光又較細窄，可削弱漫射的影響。明、清兩代都采納了沈括的建議，據(jù)說，現(xiàn)存北京古觀象臺的叫作“晷影堂”的房舍，就是當年的密室。二是在表影中再立一個副表，副表較短，觀測時，使兩表影端重合，增加其濃度，便于更準確地測量影長。

圖3-3　圭表

? ? ? ?元代郭守敬對圭表做出了重大的改進。首先他創(chuàng)立了高表，傳統(tǒng)表長為八尺，而郭守敬的高表高到40尺，顯示了他對誤差的正確理解。因為現(xiàn)代誤差理論認為：相同的測量誤差對較長的表影來說，所占比例較小，影響因而較小。后人追循郭守敬，爭先設立高表。明代邢云路曾豎立起60尺高的木表，即使不是世界之最，也可算作中國之最了。邢云路的這一措施確實有效，他所測定回歸年長度為365.242 19日，是當時世界上最精密的數(shù)據(jù)，每年的誤差僅為2.3秒。郭守敬發(fā)明的景符，利用光學中小孔成像的原理，使影長測量準確到兩毫米之內(nèi)。

摘自《中國古代天文歷法》

青海人民出版社