天文仪器的制造
( 周易五行2009-06-09 02:40:08)
  宋代制造过许多大型的天文仪器。如宋太宗太平兴国四年(979)正月,来自四川的民间天文学家张思训设计并于次年制成一台水转浑象,通称“太平浑仪”,起楼高一丈有余。这台浑象改水力推动为水银推动,以解决冬天因水流凝冻迟涩而影响仪器运转速度的问题。与浑象运转联动的报时装置,胜过东汉张衡及后来的一些同类仪器,小木人也增加到十多个。《宋史·天文志》载:“七值神左摇铃、右扣钟、中击鼓,以定刻数。每一昼夜,周而复始。又以木为十二神,各值一时,至其时,则自执辰牌,循环而出,随刻数以定昼夜长短”。七值神即七曜值日,实际上,这是一个带有日历显示的时钟,是采用星期制的报日和报时装置。其中由金、木、水、火、土加日、月表示七值周期,以金曜日为七值周期之首。这种记日制度,早在唐代《符天历》和五代时期的《调元历》中已经使用,宋代建隆四年(963)起行用的《应天历》中,也有七值内容。此外,在一天之内又分十二辰,由十二神轮流出现报出时辰,而时初、时正和刻数则分别由铃、钟、鼓声报出。张思训的仪器继承和发展了唐代一行和梁令瓒的成果,并对后来的仪象设计产生了一定的影响。他也因创制仪器有功而升任司天浑仪丞。
  宋太宗至道元年(995),天文学家韩显符制成一台供观测用的铜浑仪,通称“至道铜候仪”。大中祥符三年(1010)他再造一台相类似的浑仪,专门用于司天台培养观测生的教学。此外,皇祐三年(1051)舒易简、于渊、周琮等人制成黄道浑仪;熙宁三年(1070)沈括、皇甫愈等人制成熙宁浑仪。这些仪器每台用铜量都在两万斤左右,各自有一些新的创造。如皇祐浑仪,它的时间分划一改在地平环上刻度的旧制,而改刻在固定的赤道环上,正确反映了天体位置随时间变化的规律。熙宁浑仪简化结构,从计算上去解决月亮在白道上的位置,将浑仪上的白道环取消,使用方便,而且提高了测量的精度。
  天体周而复始不断地在天穹运动,不同时刻它们的位置不同,因此,在使用浑仪观测天体时,相应地也要有良好的计时仪器,客观需要提出了提高漏刻精度的要求。天圣八年(1030)燕肃发明莲花漏,在多级漏壶(上匮和下匮)的最后一级漏壶(下匮)上部开孔(分水孔),使壶中的水位恒定地保持在孔下,多余的水由孔经注水筒(竹注筒)流入减水盎。由于末级漏壶水位恒定,所以漏水均匀,提高了计时精度。皇祐初期,舒易简、于渊、周琮等人又在莲花漏的基础上,再加一级恒定水位的平水壶,从而使漏刻的精度进一步提高。
  宋代最为精巧的天文仪器,当推苏颂领导研制成功的水运仪象台。元祐元年(1086),苏颂奉旨校验天文院和太史局两处的新旧浑仪,考察中他发现同一台仪器由不同的人去操作,所得测量结果不同,他们“各指得失,终无定论”。于是他想制造一种以水为动力,浑仪和浑象联动并能与天同步运动的仪器。另外,一行、张思训已将这种仪器与报时装置集为一体,所以新的仪器还要同时解决报时问题。苏颂首先遇到的困难是缺乏参考资料,正如他自己所写:“张衡之制,史失其传;开元旧器,唐世已亡”,本朝“太平浑仪,自思训死,机绳断坏,无复知其法制者”,所以制作新仪必须重新设计。经过苏颂与精通数学、天文学并有巧思的吏部守当官韩公廉等人的反复研究和精心设计,新仪从元祐二年(1087)开工制造,三年制成木样,经鉴定和检验后,据此正式铸造铜仪。元祐七年(1092),这座中国古代最宏伟、最复杂的天文仪器建成,宋哲宗赐名“元祐浑天仪象”,后人通称“水运仪象台”。


  苏颂实现了将浑仪、浑象和报时结合于一体的设想,整座仪器使用水力为动力,经变速、传动和控制使三部分仪器联动并能跟踪天体运行。仪器总高约12米,宽约7米,分上、中、下三层,底层是动力与传动装置和报时钟,中层密室中转动着的是浑象,上层为浑仪。浑仪上的望筒可对准并可自动跟踪天体,而随望筒运动的三辰仪时圈则可指示出时间的变化,此外,浑仪所在小室的屋顶可以启闭,这与现代天文台上的望远镜转仪钟与活动圆顶作用相同。
  水运仪象台的报时部分也精巧绝伦。它共分五层,其中三层用于白昼报时,两层用于夜间报时,共有承担报时职能的木人254个,每个时辰分时初与时正,分别由左门小人摇铃和右门小人敲钟报出,每至一刻由中门小人击鼓。第二、三层的木人分别举辰牌与刻牌,当非正点辰刻没有报时声的时候可从牌上看出当时的时辰与刻数;第四、五层的木人敲钲以报更,没有报更声的时候可从木人所举更牌上看出更次。水运仪象台的整台仪器由水提供动力自动运转。它的又一项重要发明是其“天衡”装置,它类似于近代钟表的擒纵器(卡子),控制着仪器,使之均匀运动。
  国际科学史界对水运仪象台的评价极高,认为它是现代钟表的祖先。关于它留下了较详细的记载,特别是其机械结构、装配图等都收于苏颂所著的《新仪象法要》一书中。
  苏颂还制造过另一台大型天文仪器,据《玉海》记载,它是一架假天仪,“大如人体。人居其中,有如笼象。因星凿窍,如星以备。激轮旋转之势,中星、昏、晓,应时皆见于窍中。星官历翁,聚观骇叹,盖古未尝有也。”据研究,这台仪器的主体是用竹条制成的球体,很像一个圆形笼子。表面上再用不透明的纸绢裱糊,并按星宿位置校算开孔①。人坐在密封的球内,球面上小孔透过来的光如同夜空中的繁星。这种便于演示和观察天体运行的仪器,可以说是今日天象仪的鼻祖。
  宋代制造的天文仪器,数量众多,精密复杂,并有不少创新,这是中国古代天文学发展进入高峰的重要标志。

 

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