趣读华夏科技故事 第23期：通往星空的桥梁——简仪（香港志愿者特辑）

大家好，我是中国科技馆“华夏之光”展厅的香港大学生志愿者周杏芝，今天我为大家讲述的是《通往星空的桥梁——简仪》。

周杏芝 （中国科技馆“华夏之光”展厅2022级香港大学生志愿者）

政治因素决定天文学发展，历法的修订离不开天文观测仪器的革新。

公元1276年，元世祖忽必烈想起刘秉忠提过，现行的辽历并不准确，又未实行司天台改制的新历。此时适逢新君即位，可借机改元颁历，让各地百姓知晓精准的时历。于是元世祖组织太史局（后改名太史院）修订新历法，即后来的《授时历》，并由王恂、郭守敬等人主持相关工作。

《元史》卷一百五十八，图片来源于网络

“历之本在于测验，而测验之器莫先于仪表。”修订新历法前，需要对天象进行大规模观测，从而获取最新数据。然而旧浑仪因运输及存放不当，早已无法进行精准的天文观测，而且受限于浑仪多环圈的结构缺点，使用者容易被环道遮挡视野，于是郭守敬通过简化沈括改良过的浑仪，创制出了新的天文观测仪器——“简仪”。

简仪主要由两组互相垂直的大圆环组成，直指北天极的是四游环，与之垂直的是平行于天体赤道的赤道环，以及平铺在地的阴纬环和垂直于此的立运环。简仪的底座是个长方形框架，由龙柱和云柱支撑四游环、赤道环和百刻环。百刻环被固定在外，赤道环在百刻环内游动，四游环则架设在南北极轴间旋转。同时，百刻环与赤道环的咬合面上有4个小圆柱体，用以减少两环间的摩擦，是世界上最早使用的柱式滚动轴承。

简仪，图片拍摄于中国科学院紫金山天文台

此外，与浑仪的多重圆环结构相比，简仪取消了黄道环及非必要的支架环圈，只保留赤道经纬度和地平经纬度的测量环件，即赤道装置（赤道经纬仪）和地平装置（立运仪）。赤道装置中的四游环和赤道环装在上部，地平装置中的立运环和阴纬环则另设于北端，以此解决多环掩映问题。

简仪，图片来源于中国科学技术馆

另一方面，简仪的百刻环提高了刻度分划的精细程度。百刻环上每刻被等分为36份，提高了时间观测的精度。

百刻环刻度，图片拍摄于中国科学院紫金山天文台

一般而言，古代天文观测仪器的作用是测量天体坐标，简仪也不例外。它的作用有三种：测量天体的地平坐标、赤道坐标以及真太阳时。

简仪测量地平坐标，图片来源于中国科学技术馆

第一，用地平装置，测量天体的地平坐标。在地平系统中，立运环被设置于云柱下垂直转动，阴纬环则垂直于立运环平放在基座上。两环均有刻度，以窥衡对准目标天体，即可读出天体的地平方位角与天体高度。

第二，用赤道装置，测量天体的赤道坐标。赤道环和四游环上都有周天度数，且四游环还安装了内藏十字丝的窥衡，类似单镜筒望远镜。转动四游环并移动窥衡观测天体，以此获取被测天体与北天极之间的角距离——去极度；转动赤道环与界衡，以此获取被测天体与它所在宿的距星在赤道上的角距离——入宿度，最后得知赤道坐标。

简仪测量去极度，图片来源于中国科学技术馆

简仪测量入宿度，图片来源于中国科学技术馆

第三，用界衡、赤道环和百刻环，测真太阳时。真太阳时又名视太阳时，顾名思义，是以太阳位置作为实时标准的时间系统。当太阳视圆面中心连续两次升至正空走过的时间，即为1真太阳日（分为12时辰）。

简仪测量真太阳时，图片来源于中国科学技术馆

简仪的设计独特、工艺精美、实用性强，是中国天文仪器发展史上的一次重要革新。但遗憾的是郭守敬当年制作的简仪未能留存下来。它原本置于大都司天台，曾被搬迁至鸡鸣山观测台，后于1668年迁回北京，却在1715年被供职钦天监的法国传教士纪理安以铸造地平经纬仪为借口，当作废铜熔掉。郭守敬版本的简仪自此失传。现存最古老的简仪则是1437年制作的仿制品，为明清两代钦天监所用。