天文仪器的研制和管理

天文仪器的出现是天文学走向定量化的必然结果。只有借助于各种天文仪器才能精确测定各种天文数据。中国古代的天文仪器主要有圭表、漏刻、仪象三大类。

圭表是一种既简单又重要的测天仪器，它起源于远古，直至清末，在中国古代天文学的发展史上扮演了重要角色。圭表由表和圭两部分组成，表是一种竖立于地面的柱体，最简单的表可以是一根木棍；圭比表稍晚才出现，它是一把标有刻度的长尺，正南北方向水平放置，一端与表在地面的一头连接。表用来投射日影，圭用来测量日影的长度。

图3.5　明代圭表
公元1439年制造，现陈列于南京紫金山天文台。

图3.6　河南登封观星台的郭守敬高表

根据《周礼·考工记》和《周髀算经》等早期文献记载，圭表一开始便被用于定方向、定节气等天文上的用途。《周髀算经》卷上载：“周髀长八尺，夏至之日晷一尺六寸。……髀者，表也”；又卷下也记载有“以日始出立表而识其晷，晷之两端相直者，正东西也，中折之指表者，正南北也”的说法。《周髀算经》规定表高为八尺，表影长一尺六寸时为夏至，这里测影时间在正午，地点在周代所认定的地中阳城。值得注意的是，自从周代定下表高为八尺之后，以后历代沿用，所造表高大都为八尺。

由于用圭表测影可以定出编历所需要的重要参数，所以历代对圭表的制作力求精善，以期提高测影精度。元朝郭守敬为修《授时历》，首次打破了表高八尺的定制，建造了四丈高表，并创造景符、窥几等专用测影附件，使测影精度大大提高。

日晷也属于圭表类的天文仪器，它是圭表的一种改进形式。日晷利用表的投影在平面上的方向变化来测定时间。所以日晷的基本组成有两个部分：一根作为表的柱子和与表垂直的平面——称为晷面，一般为一块圆石板，考究者也用其他材料。在晷面上刻有刻度，以计量时间。根据晷面放置方式的不同，日晷主要有两种类型，一种晷面水平放置，叫做水平式日晷；另一种晷面与赤道^[3]面平行放置，叫做赤道式日晷。由于日晷的制作需要用到几何学知识，所以日晷在中国上古和中古时期发展得不是很成熟。

漏刻是古代最重要的计时仪器。在历代天文文献中漏刻又都被当做天文仪器。漏刻由漏和刻两部分组成，漏指漏壶，刻是标有时间刻度的标尺，一般是一支竹箭。漏刻根据漏壶中的水量变化来确定时间。日晷根据太阳投影的方向变化来计时，但是到了晚上和遇到阴雨天日晷就无能为力了，漏刻计时则不受这些因素的影响。漏刻计时的方法主要有两种，一种是根据容器内水漏出而减少的情况来计时，这叫泄水型漏刻；一种是根据容器接受另外容器漏出的水而水量增加的情况来计时，这叫做受水型漏刻。为了提高用漏刻计量时间的精度，古人想了许多办法来获得均匀的水流，以保证漏刻计时的稳定性。计量时间的装置也越来越复杂，从简单的泄水型发展到受水型，乃至多级受水型装置。在这一点上中国古人再次展现了他们的聪明才智。

图3.7　泄水型漏壶（上左）和受水型漏刻（上右）

仪象分为浑仪和浑象两类，是中国古代浑天家测候和演示天象的基本仪器。从各种文献的记载来看，浑仪最早创制于汉代，与浑天说的产生密切相关。东汉张衡著有《浑天仪注》。但对古代浑仪的机械结构所作的详细记载，首推《隋书·天文志》对东晋时期前赵史官孔挺于光初元年（公元323年）所造的浑天铜仪结构的介绍。以后北魏、唐、北宋、元、明历代各有所制。唐初李淳风制造的浑仪叫浑天黄道仪，比前代浑仪有很大改进。唐开元十一年（公元723年）一行、梁令瓒制成黄道游仪，比李淳风的浑天黄道仪又有所改进。北宋浑仪先后制造了五架之多，在结构上继续有所改进，在铸造技术和质量上也达到了浑仪制造的高峰。元代郭守敬针对浑仪结构的缺陷作了一次革命性的改进，他把浑仪分解成两个独立的仪器，安装在同一个底座上，合称间仪。间仪的结构比浑仪更为先进合理，铸造更简单，用于测天也更方便易行。

图3.8　明代浑仪
1437年仿制，现存南京紫金山天文台

图3.9　明代仿制的郭守敬简仪
1437年仿制，现存南京紫金山天文台

历代之所以不惜工本地铸造浑仪，是因为浑仪在天文历法中具有重要作用。实测是天文学得以发展的基础，历史上每一次测天仪器的改进，几乎都伴随着天文历法理论的一次进步。

浑象是古代浑天家用来演示天球周日运动的仪器，类似于现代的天球仪，其基本结构是一个圆球，在球面上标有星辰和黄道、赤道等圈线。有明确记载的浑象首次出现在张衡的作品中（公元132年），张衡在浑象上装置了一套齿轮机械转动系统，利用漏壶流水的稳定性，推动浑象均匀绕轴转动。调节浑象的转动速度，可以使浑象显示的天象与真正的天象完全符合。张衡还用这套装置带动一个机械日历，能随着月亮的盈亏演示一个阴历月中日期的推移。因此张衡发明的这种水运浑象同时还是天文机械钟的祖先。后人沿着张衡这条技术路线，不断改进设计，到北宋苏颂领导建造的水运仪象台，达到了空前宏伟、复杂的程度。

水运仪象台由苏颂和韩公廉于宋元祐元年（公元1086年）开始设计，到元祐七年完工。台高约12米，宽约7米，共分三层，最上层设置浑仪且有可以开闭的屋顶。中层安置浑象。下层是报时系统。这三部分用一套传动装置和一组机轮联接起来，用漏壶水冲动机轮，带动浑象和报时装置一起转动。可通过控制水流速度来调节枢轮向某一方向等时转动，使浑象的转动与天体运动保持同步。在中层密室中的观测者看到浑象上演示某一恒星上中天，另一观测者在上层可用浑仪观测加以验证。在下层报时装置中巧妙地利用了160多个小木人和钟、鼓、铃、钲四种乐器，可以显示时、刻，还能报昏、旦时刻和夜晚的更点。水运仪象台的机械传动装置，类似现代钟表的擒纵器，被英国的李约瑟认为“很可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。^[4]但也有学者对李约瑟的这种说法表示怀疑。^[5]水运仪象台在公元1127年金兵攻陷汴梁时遭到破坏。南宋朝廷曾经试图想把水运仪象台恢复起来，但始终没有成功。

在中国古代，天文仪器的研制和铸造需要奏请天子批准，仪器的日常操作和管理之权也在皇家及其代理人。每当天文仪器有所损坏，对之进行修复显然是必要的，但也不能擅自进行，也必须上奏天子，获得批准后方可进行修理。如明宪宗成化十四年（1478年）二月十四日钦天监奏：“观象台内原设测验晷影堂俱已损坏，乞工修理。”皇帝于是命“取简仪于内官监修理，其余工部主之。”（《明宪宗实录》卷一七五）这里皇帝命令把观天仪器搬入内官监修理，以免无关人等轻易窥视，工部只是主修观象台的台基等辅助设施。

天文仪器在中国古代是严令禁止私人拥有的。《唐律疏议》中就有明确记载：“诸玄象器物、天文图书、谶书、兵书、七曜历、太一、雷公式，私家不得有，违者徒二年。私习天文者亦同。”《续资治通鉴长编》卷五六中也记载：“景德元年（1004AD）春，诏：图纬推步之书，旧章所禁，私习尚多，其申严之。自今民间应有天象器物、谶候禁书，并令首纳，所在焚毁。匿而不言者论以死，募告者赏钱十万。”从这些禁令中可以知道，从天文仪器到天文典籍在各朝都禁止私人拥有。自学天文也是违法行为。