测天仪器：赤道式装置浑仪

在古代中国称为“浑天说”：“浑天如鸡子，地如蛋中黄”， 它是将天地看作一个整体，将这个整体比做一枚鸡卵，将地球比做卵中黄，将环绕地球的天穹比做卵白和卵壳。

“浑天说”是以地体为天地的球心，以南、北两天极为轴心，亦即天地的中心；以缘地球表面向四周延伸的太空为上下四方。以北天极为上，以南天极为下，以与地球赤道相平行的二十八宿为圆形天道，以将二十八宿所标示365又四分之一度等分的十二辰为划分时间的坐标，并在这一立体的“卵壳”上标示日月星辰的运行度数。

也就是说，古人在观测天象方面是以地球为观测点，以日月星辰的视运动为观测对象。当日月星辰东起西落时，在天穹上画了一个半圆，北半球的人们只能看到天空上面的星球运行状态，如果加上观察不到地平线以下的“北方”，就形成了一个环形的圆周运动，这个圆周运动的轨迹，就是我们所说的“黄道”。

所以，在古人的时空观里，是以上南下北、左东右西的，天体的复合运动都是以此为观测基点。

因而由十二地支标示的“天空十二辰”对观测者而言，是随整个天球参与周日和周年运动。随整个天球，即是随整个地球参与周日和周年运动。因为整个天球是整个地球全方位向天穹的延伸。

正如古代中国天文学典籍《开元占经》所说：南极与北极是天轴所在的处所，天旋地转由此而起，就象车轮有车轴，所以能自行旋转。众星全都移动，惟独北极固守中央不变换位置（古人所讲的用于标识北天极位置的北极星只是相对不移动位置，其实自古至今作为天轴轴心的北极星也是换了好几个的，相当于称号）。

即《开元占经》所说的：“南极北极天轴所在，转运所由，譬车之有轮，所以自行也。众星皆无常，惟北极守中不易，是以知其为天中也，天倾，故极在中北。……天圆地方，极枢中央，动以历静，时乘十二。”

因此可知北极星的位置居于天地的中心，天地是倾斜的，所以（在人的视觉中）极在正北。极就象转轴的轴心，以（相对的）静经历（不停歇的）动，计量出十二时。

这一体系所认知的时空背景是以“极”为枢纽（中心），“时乘十二”。一年的十二月、一日的十二时，都是以极为中心对二十八宿的十二等分。用现代天文学的语言讲就是以“极”为中心对地球赤道和天球赤道365又四分之一度的十二等分。

二十八宿圆盘（测天仪器）

以前人们所知的我国古代最早的天文仪器，是汉武帝时期的浑仪。汉武帝之前使用天文观测仪器，一直以来并不清楚。

中国科学技术大学教授石云里通过对西汉夏侯灶（？-前165年）墓出土的漆器进行研究，填补了这一历史空缺，发现了浑仪之前的天文观测仪器——圆仪，同时发现了用于指示节气的圭表。

二十八宿圆盘的使用方法

二十八宿圆盘和圭表发现于阜阳双古堆西汉汝阴侯夏侯灶的墓中。汝阴侯墓是1977年当地农民平整土地时发现的，考古工作者在清理后发现两座墓。通过墓中发现的封泥以及漆器铭文判断，墓葬的主人为汝阴侯夏侯灶及其夫人，距今以及2000余年。墓室中发现了大量的漆器、铜器、铁器、陶器和杂器，太乙九宫占盘、六壬栻盘和二十八宿圆盘、圭表等与天文学有关的文物来自夏侯灶墓。

二十八宿圆盘由两个圆盘构成。上盘直径23.6厘米、边厚0.4厘米，下盘直径25.6厘米、边厚0.5厘米，两盘中心有圆孔相通。上盘面刻六颗圆点，与盘心孔正好连成北斗七星的图像。边缘密排一周小圆孔，总数为三百六十五个，对应古代周天度数。度数大多接近唐代《开元占经》中所记录的二十八宿距度的“古度”。各宿分布并不均匀，明显是按照实际距度分布的。

图 二十八宿盘图纸（左：下盘；右：上盘）

图 栻盘架复原件

将二十八宿圆盘的上下盘同心地叠在一起，在中心小洞中垂直插入一根指针作为定标。利用这件支架正好可以把圆盘支撑到与当地赤道面平行的位置上，形成一个赤道式装置，用于天体赤道经度的观测。这件装置只能在阜阳这个纬度的地方用，换到任何一个其他的纬度上，都不能使用了，所以，所谓的“栻盘架”更准确地讲应该被称作“二十八宿盘架”。

图 西汉汝阴侯夏侯灶墓出土二十八宿圆盘使用示意图

赤道观测系统

中国天文学起源很早，在距今四五千年前的陶寺遗址就发现了观象台。早期天文研究处于观象授时阶段，就是通过观察太阳升起的方位和月亮的圆缺这样的一些天象来确定年、季节和月份等。商周时期还没有完全摆脱观象授时方法，因为当时的观测手段以及相应的数学处理手段都还十分有限。

到了战国及秦汉时期，人们对天体运动规律的研究兴趣以及从太阳、月亮扩展到了五大行星，对天文历法数据经度的要求也进一步提高。石申、甘德《星经》源于战国时代，其中列出了一千四百多颗恒星的坐标数值，是世界上现存最早的恒星表。

长沙马王堆西汉墓出土了帛书《五星占》，其中不仅列出了从秦元年（前246年）到汉文帝三年（前133年）五大行星的运动状况，还列出了它们的恒星周期、会和周期，另外还有每年和每天运动多少度多少分等数值。这些都是上述新趋势的直接体现。

精密的天文学研究离不开精密的天体测验以及相应的天文仪器。汉武帝时期出现了浑仪，元代又有了更加先进的简仪。在汉武帝之前，人们取得的观测成果是依靠什么工具取得的，这一只是一个谜。“直到二十八宿圆盘的秘密破解，人们应该就是使用这样的‘圆仪’来对天体位置进行测量的。二十八宿圆盘的发现填补了中国天文仪器史上的一个空白”。

此外，这件“圆仪”也是一个赤道观测系统，这种系统直到今天仍旧有重要影响。

从西汉时期的圆仪、浑仪到后来的简仪，中国古代天文观测仪器用的都是赤道系统。赤道系统是中国古代天文学的一个重要发明。

观测仪器

我国“赤道式装置浑仪”的出现早于世界各国。《史记五帝本纪第一》记载：“帝尧老，命舜摄行天子之政，以观天命。舜乃在璇玑玉衡，以齐七政。”璇玑玉衡就是观测天象的古老仪器。浑仪则是璇玑玉衡之后用来对天体进行观测的仪器，七政指日、月、五星这七个天体。

最原始的浑仪是一个简单的单环，附有某种照准线或照准器，装在子午面或赤道面上。测量的结果，或是某星的北极距即纬度，或是入宿度即赤经。无疑，石申、甘德当时能用的也就是这样的仪器。一些证据表明，到落下闳、鲜于妄人的时代（约西元元前一世纪）情况就是如此。

自西汉制造出铜浑天仪以后，历代都有人改进、完善它。例如东汉中期，天文学家傅安、贾逵提出在浑仪上添加黄道环的建议，获得批准，于永元十五年（103年）制出名为“太史黄道铜仪”的浑仪。

太史黄道铜仪诞生以后，继续设计、改善浑仪的还有东汉张衡，三国时期的王蕃、葛衡，南朝的钱乐之、陶宏景，隋唐的耿询、僧一行、梁令瓒等。到宋代，天文学家苏颂集众家之长，于元祐七年（1092）制成最宏伟、最复杂、最精密的“水运浑天”──“水运仪象台”。它包括浑仪、浑象、报时三部分，可以说是近代天文台的雏形。浑仪设置在水运仪象台的最上层。

为编制大衍历的需要，一行和梁令瓒等人共同制作了用于天体位置（赤道、黄道、白道和地平四种坐标）测量的新仪器——黄道游仪。

该仪器是在唐初天文学家“李淳风”所制的浑天黄道仪的基础上演变、发展而成的。黄道游仪有三重环组构成：外面一重是固定不动的，包括有地平、子午（南北方向）和卯酉（东西方向）三个环；中间一重是黄道环、赤道环和白道环三个环，它们均可绕极轴转动；里面一重是夹有窥管的四游环，可以灵活地照准任一天体。

另外，李淳风曾在黄道环上打了249对孔，令白道环每经约27日移动一对孔，以适应黄白交点沿黄道不断西移的天文现象。

对此，一行等人稍作改进，他们分别在黄道环和赤道环上每隔一度打一个孔，计365个小孔，前者与李淳风的用意相当，后者则是为适应“岁差”现象而设计的。

一行和梁令瓒还共同制作了用于演示天象和报时的水运浑天仪，这是对张衡水运浑象的发展，既能自动地表演天球和日月的运动，还能令立于地平环上的两个木人按刻自然击鼓，依辰自然打钟，是为自动报时器的始祖。

图 浑天仪图

宋代制造的浑仪特别多，北宋从995年到1092年不到百年之中，先后铸成了五架巨型浑仪，每架用铜均达2万斤左右。南宋时期又有多架浑仪问世。这种情况为前代所未见。

这些浑仪基本保持了传统的多环圈结构，有的在仪器校正和环圈设置方面进行了某些改革。如从皇祐浑仪（1050年）起，不但沿用北魏孔挺浑仪（412年）在仪器底座开凿水平沟，令底座处于水平位置的旧法，而且还在地平环上开了一圈水平槽，以调节仪器工作部分保持水平状态。

又如沈括浑仪（1074年），可通过浑仪南北极轴孔观测北极星的位置，把极轴孔中心调整到北极星轨道的中心点上，使浑仪的极轴得到校正。沈括还取消了白道环，意在减少不十分必要的环圈对天区的遮掩。

此外他还曾提出了改变某些环圈安置位置的建议。沈括关于浑仪的改革和设计思想，到元代经郭守敬的努力，得到了充分的发展，遂有简仪的出现。

徐振涛先生指出：“浑仪的基本结构是一个与天球赤道相一致的圆环，——赤道环和一个通过天极、与赤道环垂直而可以转动的圆环——时圈环，再加上一根可以在时圈内徊转的窥管（当然实际的浑仪装置还要复杂些）。

这种装置使得观测者只要转动时圈环和其中的窥管，便可以通过窥管内观测任何一部分天空上的天体，并且可以在时圈环上读出这天体的‘去极度’，在赤道环上读出这天体与另一天体的‘距度’。”

‘去极度’就是赤道的余弧，距度就是两天体的‘赤经差’。如果天体之一换为春分点，距度也就是赤经了。因此，浑仪结构的基本原理，就是使它对应于天体绕天极的圆周运动。

图 简仪示意图

元代简仪，仅保留了传统浑仪的四种最基本的环圈，并且把它们分成彼此独立的两组分别安装：

第一组由赤道环、百刻环和四游环组成，赤道环和百刻环与极轴相垂直，两者重叠安装，其间平放四个圆筒形的短铜棍，使转动灵便，这是世界上滚筒轴承的最早应用。

四游环垂直安置于赤道环心之上，在四游环转轴顶端还安有定极环，用来观测北极星，以校正仪器的极轴方向。这是一组赤道坐标装置，是世界上最早的大赤道仪。

第二组由阴纬环（即地平环）和立运环（相当于四游环）组成，立运环垂直安置在阴纬环心之上，底座刻有水槽，用来校正阴纬环，使之处于水平面上。它们构成了一组地平坐标装置，与近现代的地平经纬仪相当。

简仪所取环圈的减少，以及分组安装法和环心垂直安置法的采用，克服了传统浑仪环圈众多、遮蔽天区的弊端，及多环同心交叉安置法的技术困难和较大误差，显示了适用性、灵活性和准确性的优点。

此外，简仪又以窥衡代替传统的窥管，即以两线取齐的照准法取代两圆孔面之间的照准法，起到了提高照准精度的作用。

这种赤道式装置十分便于跟踪观测天体的周日视运动，因而一直到今天还在现代化的天文望远镜中采用着。

没有浑天说的宇宙结构理论，没有赤道坐标系统以及按照这个系统装置的浑仪，是不可能有甘氏、石氏星表的诞生的，也不可能有马王堆汉墓帛书的比较精确的五星行度表的诞生的。

由于中国看重天极-赤道系统，也导致了至少在仪器方面的有两项重要成果：一是发明窥管和望远镜的赤道式装置，二是发明转仪钟和机械钟。

简单的解释是，基本上它是以天球为模型的大圆体系，窥管装于其中，因而它尽可能精确地指向视天穹上的任何一点。

其次是支撑装置，一直流传到今天，仍为所有望远镜装置的零部件形式，它的进一步发展导致了为中央天象仪的支撑装置。

也就是说，现代天文望远镜的支撑装置，是在中国人所创造的“赤道式浑天仪”的基础上传承演变而来的！