文/陳久金

? ? ? ?觀測儀器

? ? ? ?圭表是研究太陽方位的裝置。另有一類儀器可用于研究恒星、行星包括太陽、月亮在內(nèi)的幾乎所有天體的運動規(guī)律，這就是“儀”和“象”。“儀”是指測量天體位置的儀器，“象”是指演示天體視運動的儀器，合稱為儀象。渾天學(xué)說是中國古代占統(tǒng)治地位的宇宙觀，渾儀和渾象是解釋渾天學(xué)說的觀測儀器。

? ? ?（一）渾儀

? ? ? ?據(jù)推測，渾儀的起源早于西漢。不過，就我們現(xiàn)在所知，直到《隋書·天文志》才第一次記載了渾儀的詳細結(jié)構(gòu)，原物早已不存，設(shè)計者為前趙人孔挺?？淄唭x由四環(huán)一管組成：赤道環(huán)平行于天赤道，地平環(huán)平行于地平面，子午環(huán)連接南北天極，這三個環(huán)都是固定的。四游環(huán)，相當(dāng)于赤經(jīng)環(huán)，是活動的，可繞貫通南北天極的極軸旋轉(zhuǎn)。與四游環(huán)共面的是一個供觀測用的方柱形管子，叫“衡”，又叫“窺管”，窺管也是活動的，可繞四游環(huán)圓心旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)原理十分清楚，窺管可以同時參與兩種互相垂直的運動，赤經(jīng)方向和赤緯方向，說明窺管能夠?qū)?zhǔn)天球上任何一個位置的天體。因此，天體的去極度能從四游環(huán)上直接讀出，天體的入宿度等于天體和它西邊第一顆距星的赤經(jīng)差。除了赤道坐標(biāo)，孔挺渾儀還備有地平坐標(biāo)系統(tǒng)。需要說明的是，赤道環(huán)上的刻度不是現(xiàn)代的360等分，而是365.25，即365格再加上1/4格。這種不整分的傳統(tǒng)，曾令很多人奇怪和不解，其實這是有來歷的。古代天文學(xué)家用圭表測量冬至?xí)r刻到下一個冬至?xí)r刻的間隔，連續(xù)記錄幾年，取其平均，就得到回歸年長度（古稱歲實）。春秋戰(zhàn)國時期確定的回歸年長度正是365.25日，如果按此數(shù)劃分圓周，太陽便一天移動一格，一年正好轉(zhuǎn)一整圈，可見其用意在此。秦以后，直到西方天文學(xué)傳入以前，赤道環(huán)周等于365.25度就作為傳統(tǒng)保留了下來，盡管后來回歸年的長度不斷改進，不斷精確。本書為了區(qū)別于中國傳統(tǒng)的“度”，凡遇西制角度單位“ °”時，一律不用“度”表示。

? ? ? ?唐代天文學(xué)家李淳風(fēng)于貞觀初年設(shè)計制作了一架更復(fù)雜的渾儀，名曰渾天黃道儀。渾天黃道儀的外層有地平環(huán)、子午環(huán)和赤道環(huán)，均固連在儀器的基座上，叫六合儀。內(nèi)層是四游環(huán)和窺管，叫四游儀。中間一層還有三個環(huán)——黃道環(huán)、赤道環(huán)和白道環(huán)，是李淳風(fēng)自己的創(chuàng)造。古代日、月、星統(tǒng)稱三辰，故名三辰儀。四游儀可在三辰儀內(nèi)旋轉(zhuǎn)，三辰儀又可在六合儀內(nèi)旋轉(zhuǎn)，整個儀器多達七個環(huán)，同時具備赤道、黃道、地平三套坐標(biāo)系統(tǒng)。渾天黃道儀的主要優(yōu)點在于：（1）可直接讀出天體的入宿度，而不必再減去距星的赤道讀數(shù)；（2）首次將月亮軌道（白道）和太陽軌道（黃道）區(qū)分開來，可直接測量月亮在白道上的位置。雖然渾天黃道儀一直閑置宮中未投入使用，卻以其功能齊備而成為后世的典范。

? ? ? ?北宋時期的渾儀數(shù)量多、工藝精，并刻意提高觀測精度。比如改進窺管、校正極軸及注意儀器的安裝等，帶動宋代的天文研究達到一個空前的高水平。因為環(huán)與環(huán)重疊交錯，給窺管造成許多盲點，又因為月亮的位置可通過赤道坐標(biāo)或黃道坐標(biāo)讀出，故宋代渾儀大多取消了白道環(huán)，精簡了結(jié)構(gòu)。宋室南遷后，北宋的精良儀器都被金人移往燕京（今北京）。明初時幸存的幾件連同其他元代天文儀器又移往應(yīng)天府（今南京）。后來，明成祖遷都時，按1∶1比例復(fù)制了全套?，F(xiàn)在，南京紫金山天文臺上還完好地保存著一件于明正統(tǒng)四年（公元1439年）仿制的宋代渾儀（見圖3-4），原宋代渾儀已毀。

圖3-4　明代渾儀圖解

? ? ? ?若想增加渾儀的觀測功能，就需要適當(dāng)?shù)靥憝h(huán)，然而環(huán)數(shù)太多，又給觀測帶來許多不便，顧此失彼，這是一對不好解決的矛盾。李淳風(fēng)以后，歷代渾儀制造家做了很多嘗試，或減環(huán)，或移位，或替代，卻始終沒有得到最滿意的構(gòu)思。

? ? ? ?直到元代至元十三年（公元1276年），郭守敬設(shè)計出了簡儀，才把渾儀從繁復(fù)的環(huán)套環(huán)結(jié)構(gòu)中解放出來。簡儀，實際上是由兩套獨立儀器組成，即赤道經(jīng)緯儀和地平經(jīng)緯儀。赤道經(jīng)緯儀不但放棄了白道環(huán)，也放棄了黃道環(huán)，只保留了原渾儀中的赤道環(huán)、地平環(huán)和四游環(huán)，并且赤道環(huán)和地平環(huán)不再充當(dāng)支撐四游環(huán)的外層結(jié)構(gòu)，而被移至四游環(huán)的南端，這樣在四游環(huán)的上方，除了北天極附近有個用于校正極軸的候極環(huán)外，沒有其他的遮蔽物。地平經(jīng)緯儀，當(dāng)時又叫立運儀，包括陰緯環(huán)和立運環(huán)。陰緯環(huán)相當(dāng)于地平環(huán)，固定不動。立運環(huán)相當(dāng)于四游環(huán)，可繞垂直于陰緯環(huán)并通過其中心的軸旋轉(zhuǎn)。立運儀是中國第一架能同時測量方位和地平高度的天文儀器。過去的渾儀，雖然附設(shè)地平環(huán)，但都缺少能以天頂為軸旋轉(zhuǎn)的環(huán)，而沒有這種環(huán)，就無法指示地平坐標(biāo)。簡儀的另一個成就是提高了刻度劃分的精度。元以前，儀器的最小刻度為1/4度，簡儀卻是1/10度，估讀可達1/20度。

? ? ? ?原制簡儀被毀于清初，現(xiàn)存只有明正統(tǒng)四年（公元1439年）的仿制品，也在南京紫金山天文臺（見圖3-5）。在簡儀的下方，本來應(yīng)該安裝郭守敬設(shè)計的用于校正方向的正方案，仿制品把它改裝成了日晷。

圖3-5　簡儀

? ? ? ?郭守敬在儀器上的又一項創(chuàng)造是仰儀。仰儀專門用來測量太陽的赤經(jīng)赤緯。渾儀不能直接測量太陽的位置，因為刺眼的陽光使窺管很難對準(zhǔn)日面中心。仰儀的結(jié)構(gòu)比較簡單，一個開口向上的銅制中空半球，內(nèi)側(cè)刻有赤道坐標(biāo)網(wǎng)，通過小孔使太陽成像于內(nèi)側(cè)，太陽的赤經(jīng)赤緯便一目了然。仰儀的外貌有別于中國傳統(tǒng)的天文儀器，顯得獨具一格。

? ? ? ?總的來說，渾儀的設(shè)計水平在郭守敬時代已經(jīng)到達巔峰，無論是布局的合理性還是細節(jié)的完善化均是如此，郭守敬之后，再無超越。

? ? ?（二）渾象

? ? ? ?渾象的基本結(jié)構(gòu)是一個球體，球面上標(biāo)出全天可見的恒星、地平圈、黃道圈和赤道圈等。作為演示儀器，球體可繞連接南極北極的極軸旋轉(zhuǎn)，還有太陽、月亮和金、木、水、火、土五行星的活動標(biāo)志，可方便地移動位置以模擬實際天象。渾象相當(dāng)于現(xiàn)在的天球儀。

? ? ? ?對于天文學(xué)家來說，渾象主要還用于黃道度數(shù)與赤道度數(shù)的換算。在現(xiàn)代天文學(xué)中，球面三角學(xué)可輕易地解決不同坐標(biāo)系的換算問題。但在數(shù)學(xué)并不發(fā)達的古代，只好采取比較笨拙的方式：用赤經(jīng)圖把赤道圈和黃道圈劃分成若干個弧段，然后相同赤經(jīng)的黃、赤弧段對照比量，兩兩相減，可列出一個差值表，再利用內(nèi)插法求出連續(xù)差值表。也就是說，不管是黃道度數(shù)化成赤道度數(shù)，還是赤道度數(shù)化成黃道度數(shù)，查連續(xù)黃赤差值表，或加或減，即為所求。

? ? ? ?東漢天文學(xué)家張衡，為了證明他的宇宙觀（即渾天說）的正確性，曾經(jīng)設(shè)計制造了一架渾象，叫作漏水轉(zhuǎn)渾天儀。該儀器以漏壺流水為動力，通過齒輪系統(tǒng)，帶動渾象均勻地旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過調(diào)整校對，可使其正好一天轉(zhuǎn)一周，自動地吻合天象。

? ? ? ?漏水轉(zhuǎn)渾天儀對后世的儀象設(shè)計影響很大，唐、宋很多的天文學(xué)家都為完善張衡的工作做出了貢獻。其中，最值得一提的是北宋蘇頌、韓公廉制造的元祐渾天儀象，又稱水運儀象臺。儀象臺包括渾儀、渾象和報時系統(tǒng)三部分，分別置于三層木結(jié)構(gòu)建筑的頂部、中部和底部，像一座小型天文臺。三個部分共用一套傳動裝置和漏壺組，運轉(zhuǎn)時能夠保持與天體周日視運動同步。令人叫絕的報時系統(tǒng)，不但逢辰打鐘，遇刻擊鼓，還有一個木人在夜間按更擊鉦，毫無疑問，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，報時系統(tǒng)中有類似擒縱器的機構(gòu)，擒縱器是近代機械鐘表的重要部件。水運儀象臺建成之后，蘇頌寫了一部儀器說明書《新儀象法要》，詳盡記述了各部件的形制、尺寸、材料及其整體構(gòu)聯(lián)方式，特別是書中附有大量的機械圖，使后代讀者能夠窺探其中的細節(jié)奧秘。

? ? ? ?蘇頌和韓公廉還制造過一架可在內(nèi)部觀看的渾象。據(jù)宋代王應(yīng)麟的《玉?！酚涊d：渾象為中空球殼，直徑超出人的身長，球面上以洞穿的小孔代表恒星，觀看人就坐在其中的懸吊椅上。隨著球殼自左向右旋轉(zhuǎn)，透過小孔的點點亮光，宛若夜間真實的星空，景象尤為逼真，與現(xiàn)代天文館里的天象儀有異曲同工之妙（見圖3-6）。

圖3-6　自內(nèi)向外觀的渾象

? ? ? ?自張衡以后，需要轉(zhuǎn)動的儀器，大都靠漏壺帶動，這一點比較好理解，因為在當(dāng)時的條件下不可能找到比漏壺流水更穩(wěn)定的動力。只是很自然地產(chǎn)生了一個疑問：儀器的轉(zhuǎn)動是否僅僅依賴于漏壺？我們知道，漏壺的水量很小，所產(chǎn)生的壓力也是極有限的，很難想象它能帶動鋼制的渾象，上述所介紹的蘇頌水運儀象臺的儀器就更難帶動了?！端鍟す⒃儌鳌穼懙溃骸霸儎?chuàng)意造渾天，不假人力，以水轉(zhuǎn)之，施于闇（àn）室中?！北砻鞴⒃兊臏喬靸x不借助人力而用水推動，這似乎意味著耿詢以前的水運渾象不只靠水力，且需人力。然而既有人力，又何需水力，何曰“水運”？古人關(guān)于這方面的詳情鮮有記敘，我們無從知道真實情況，也許有興趣的讀者愿意去尋找它的答案。

摘自《中國古代天文歷法》