中國古代天文儀器

"璇璣玉衡"一詞出自中國古籍《尚書.舜典》﹐原文是"在璇璣玉衡﹐以齊七政".由于記載簡(jiǎn)略﹐含意難以理解﹐從漢代起就產(chǎn)生兩種不同看法﹕一主星象說<璇璣玉衡

"璇璣玉衡"一詞出自中國古籍《尚書.舜典》﹐原文是"在璇璣玉衡﹐以齊七政".由于記載簡(jiǎn)略﹐含意難以理解﹐從漢代起就產(chǎn)生兩種不同看法﹕一主星象說﹐一主儀器說.司馬遷主張璇璣玉衡就是北斗七星﹐《史記.天官書》上說:"北斗七星﹐所謂l璇璣玉衡以齊七政r."緯書《春秋運(yùn)斗樞》更把北斗七星的名稱與璇璣玉衡聯(lián)系起來:"北斗七星第一天樞﹐第二璇﹐第三璣﹐第四權(quán)﹐第五玉衡﹐第六開陽﹐第七搖光.一至四為魁﹐五至七為杓(柄)﹐合為斗.居陰布陽﹐故稱北斗."《晉書.天文志》則三星為玉衡."與司馬遷的主張略有不同.此外﹐又有北極(北辰)說﹐例如伏勝在《尚書大傳》中寫道:"璇者﹐還也﹐璣者幾也﹐微也﹐其變幾微而行動(dòng)者大﹐謂之璇璣﹐是故璇璣謂之北極."《說苑》則說:"璇璣謂北辰﹐勺陳樞星也."《周髀算經(jīng)》稱北辰皆曰璇璣﹐而《星經(jīng)》又有不同的說法:"璇璣者謂北極星也﹐玉衡者謂北斗九星也."以上均主星象說.從漢代起﹐認(rèn)為璇璣玉衡是儀器的也大有人在﹐孔安國說﹕璇璣玉衡為"正天之器﹐可運(yùn)轉(zhuǎn)"﹐肯定璇璣玉衡為儀器.鄭玄說:"運(yùn)動(dòng)為璣﹐持正為衡﹐以玉為之﹐視其行度."這也是指的儀器.更有人主張璇璣玉衡就是渾儀(見渾儀和渾象)﹐馬融說:"上天之體不可得知﹐測(cè)天之事見于經(jīng)者﹐惟璣衡一事.璣衡者﹐即今之渾儀也."三國時(shí)王蕃說:"渾儀羲和氏舊器﹐歷代相傳謂之璣衡."而北宋的蘇頌認(rèn)為璇璣玉衡是渾儀中的四游儀.

圭表

中國最古老﹑最簡(jiǎn)單的一種天文儀器﹐創(chuàng)制年代已不可考.它包括兩個(gè)組成部分﹕一為直立在平地上的標(biāo)竿或石柱﹐漢以后改用銅制﹐叫做表﹔一為正南北方向平放的尺﹐叫做圭.《周禮.大司徒》等篇所稱"土圭"﹐即度圭(量度用圭)之意﹐是用玉或石制成的.漢以后改用石或銅制.圭和表互相垂直﹐組成圭表.根據(jù)正午時(shí)度量表影的長(zhǎng)度可以推定二十四節(jié)氣﹐從表影長(zhǎng)短的周期性變化可以確定一回歸年(見年)的日數(shù).表影在正北的瞬間就是當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)(見日)的正午﹐可用以校正漏壺.從《周禮.考工記》可知﹐戰(zhàn)國以前人們已懂得使用鉛垂線來校正表的垂直﹐用水平面來校正圭的水平.

秦以前的表的高度﹐文獻(xiàn)中沒有明文記載.漢代以后一致稱古代表高8尺﹐西漢《淮南子.天文訓(xùn)》提出10尺的表﹐以符合十進(jìn)制的要求.但后世大都仍用8尺高表.只有南北朝梁大同十年(公元544年)太史令虞鄺曾在今南京用過9尺高表測(cè)影﹐這是少見的例外.元代郭守敬把表高增加到36尺﹐又在表頂上加一根架空的橫梁﹐從梁心到圭面共40尺﹐這樣來提高測(cè)影精度﹔又創(chuàng)制景符﹐以解決表高影淡的缺點(diǎn)﹐并可以測(cè)出日面中心的影長(zhǎng)(見登封觀星臺(tái)).明代邢云路曾在萬歷年間制60尺高表﹐是中國歷史上最高的高表.到清代又采用10尺高表.

《周禮》記載﹐圭長(zhǎng)為1尺5寸﹐這是指便于移動(dòng)的土圭.漢代記載﹐太初四年(公元前101年)造的銅表高8尺﹐長(zhǎng)1丈3尺﹐后者實(shí)指的是圭長(zhǎng).后世的圭長(zhǎng)大抵差不多﹐郭守敬增加表高時(shí)才把圭長(zhǎng)也相應(yīng)地增加到128尺.這條長(zhǎng)圭被稱為量天尺.明代又恢復(fù)8尺高表和1丈多的長(zhǎng)圭.清欽天監(jiān)在明制表的頂上加了一截﹐使表高達(dá)到10尺.這時(shí)﹐表影在冬季會(huì)落到圭外.為此﹐清人在圭的另一端立了一個(gè)高3尺5寸的"小表"﹐相當(dāng)于圭的延伸﹐叫立圭﹐使表影落在立圭上.量度這段影的高度可以推算得10尺表的表影長(zhǎng)度.

影表尺

中國古代用來測(cè)定投在圭表上日影長(zhǎng)短的一種專用尺.其前身則為《周禮》提及的土圭,摩托車低音炮,即一種石或玉制短尺.1975年10月,在明初所制銅圭而上發(fā)現(xiàn)了用于計(jì)量影長(zhǎng)的殘存刻度十余處,經(jīng)考證測(cè)量,判明明代影表尺尺值為24.525厘米,與隋唐小尺同.

日晷

利用一根表投出的日影方向和長(zhǎng)度以測(cè)定真太陽時(shí)的儀器."晷"字的古義是太陽的影子.漢代以及后來很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)把圭表測(cè)得的太陽影長(zhǎng)也稱為"日晷".大約元﹑明以后才把測(cè)天體的方位以定時(shí)刻的儀器稱為"晷".明末以后﹐作為測(cè)時(shí)器名稱的"日晷"才流行于世.中國日晷起源于圭表.日中時(shí)﹐表影指向正北的瞬時(shí)為正午﹐即當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)十二時(shí)正.《史記.司馬穰苴列傳》中有"立表下漏"的記載﹐可見遠(yuǎn)在春秋時(shí)代就用表來測(cè)定時(shí)刻了.但用這種方法一天里只有一次機(jī)會(huì)得到讀數(shù),因此它只能用于校正漏刻的快慢.后來發(fā)明了把時(shí)角坐標(biāo)網(wǎng)通過表頂投影到一個(gè)平面上﹐這樣白天無論何時(shí)都能從太陽的影子來得到時(shí)刻讀數(shù).這種儀器就是日晷.日晷的部件包括一根表(稱為晷針)和刻有時(shí)刻線的晷面.

日晷按晷面安置的方向可以分為地平日晷﹑赤道日晷﹑立晷(晷面平行卯酉面)﹑斜晷(晷面置于任何其他方向)等.晷面也可以制成半球面形﹐晷針頂點(diǎn)處于球心﹐就是球面日晷.如果在晷面上按當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥群凸?jié)氣刻制13條節(jié)氣晷線(冬至夏至各一條﹐其余每?jī)蓚€(gè)節(jié)氣用一條)﹐則從表影的方向和尖端的位置可以測(cè)定節(jié)氣和時(shí)刻﹐這種日晷叫節(jié)氣日晷.

中國日晷的早期歷史尚不清楚.十九世紀(jì)末和二十世紀(jì)初先后在內(nèi)蒙﹑洛陽等地發(fā)現(xiàn)了幾塊秦漢時(shí)代的石板.在正方形的平面上刻有大小兩個(gè)同心圓.大圓上每隔1/100圓弧的地方刻有一個(gè)淺孔﹐共69孔.每孔向內(nèi)刻有一條輻射線﹐到小圓周為止.圓心刻有一略大的深孔.這種石刻合于中國古代把一天分為100刻的時(shí)刻制度﹐所以有些人認(rèn)為它是一種日晷.但是﹐它們是地平日晷還是赤道日晷﹐一直有不同意見.也有人認(rèn)為它們可能不是日晷﹐而是一種置于地平面上﹐用來測(cè)定方向或方位角的儀器﹐不過可以用作正午的漏刻校正器罷了.

第一個(gè)明確可靠的日晷記載是《隋書.天文志》所載隋開皇十四年(公元594年)州司馬袁充發(fā)明的短影平儀.這是一種地平日晷﹐晷面圓周均分為12辰.圓心立表.袁充測(cè)定了不同節(jié)氣里太陽走過一辰所需的時(shí)間﹐載列為表.但因每個(gè)時(shí)辰的時(shí)間長(zhǎng)度相差懸殊﹐未被后人采納.

關(guān)于赤道日晷﹐據(jù)清代梅文鼎說﹐他家鄉(xiāng)安徽宣城有一具唐制日晷﹐但并無其他文獻(xiàn)佐證.明確的記載初見于南宋曾敏行《獨(dú)醒雜志》卷二﹐其中說到他的族人曾瞻民(字南仲)發(fā)明了"晷影圖".所述結(jié)構(gòu)和后世赤道日晷基本相同﹐不過晷面是木制的.后世改用石質(zhì)晷面﹐金屬晷針﹐以求經(jīng)久﹐稱為員石欹晷.今北京故宮等處還保存有一些清代制造的石質(zhì)赤道日晷.

元代郭守敬創(chuàng)制的仰儀﹐兼有球面日晷的作用.后來朝鮮﹑日本制作的仰釜日晷則把仰儀中心的璇璣板等取消﹐改成尖頂?shù)年嗅槱o成為純粹的球面日晷.

節(jié)氣日晷以及其他各種形式的立晷﹑斜晷等大概都是明末來華的歐洲耶酥會(huì)士傳入中國的﹐或由中國學(xué)者學(xué)習(xí)剛傳入的歐幾里得幾何學(xué)之后自己再創(chuàng)作的.明末天啟年間(公元1621~1627年)陸仲玉著有《日月星晷式》一書﹐介紹了各種類型日晷的制作法﹐并涉及測(cè)星﹑月用的星晷和月晷.

渾儀和渾象

"渾"字在古代有圓球的意思.漢代張衡說過:"立圓為渾".渾儀是由許多同心圓環(huán)組成的一種儀器,總起來看好象包在一個(gè)圓球里.渾象則是一個(gè)真正的圓球.渾儀和渾象又是反映渾天說的儀器,因而在早期常常統(tǒng)稱為渾天儀.

渾儀

渾儀中有窺管,是一種觀測(cè)儀器,其主要用途是測(cè)定昏、旦和夜半中星以及天體的赤道坐標(biāo),有時(shí)也能測(cè)黃道經(jīng)度和地平坐標(biāo).唐代天文學(xué)家李淳風(fēng)設(shè)計(jì)制造的渾儀,其結(jié)構(gòu)分為外、中、內(nèi)三層(重).外層稱為六合儀,由子午環(huán)(天經(jīng)雙規(guī))、地平環(huán)(金渾緯規(guī))和赤道環(huán)(天常環(huán))交結(jié)成固定的框架.中層稱為三辰儀,由璇璣環(huán)、赤道環(huán)、黃道環(huán)和白道環(huán)等構(gòu)成.各環(huán)間的相對(duì)位置是固定的,但其整體可繞儀器的極軸東西旋轉(zhuǎn).內(nèi)層叫四游儀,由極軸、赤經(jīng)雙環(huán)和窺管(也稱望管)等構(gòu)成.平行的赤經(jīng)雙環(huán)夾著窺管也繞極軸旋轉(zhuǎn).窺管還可以自由地在雙環(huán)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),因此能指向天空的任何一點(diǎn).唐以后所制造的渾儀,原理和基本結(jié)構(gòu)都與李淳風(fēng)渾儀相似,只是把規(guī)環(huán)或其他零件、部件增減一些罷了.

渾儀已有悠久的歷史.何時(shí)發(fā)明,目前尚難斷定.西漢天文學(xué)家落下閎曾造過圓儀.耿壽昌用圓儀測(cè)定日、月的視運(yùn)動(dòng).東漢賈逵在圓儀上加黃道環(huán),改稱黃道銅儀,用以測(cè)定二十八宿的黃道經(jīng)度等.一直到南北朝的張子信還在使用圓儀來觀測(cè)日、月、五星的視運(yùn)動(dòng).而后來出版的史書中往往說落下閎造渾儀,張子信用渾儀,可見圓儀和渾儀兩種儀器名稱雖異而功用實(shí)同.早期的渾儀構(gòu)造如何,史無記載.有確切記載的是東晉時(shí)孔挺所造的渾儀.這架渾儀就是六合儀和四游儀合起來的兩重銅渾儀,因?yàn)檫@是測(cè)量天體赤道坐標(biāo)所需的最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),可以推斷早期各家的渾儀相去也不會(huì)太遠(yuǎn).后來因?yàn)橐苯訙y(cè)量太陽在黃道上的運(yùn)動(dòng),必須增加黃道環(huán);要直接測(cè)量月亮在白道上的運(yùn)動(dòng),又必須增加白道環(huán).又因?yàn)樘烨虻闹苋辙D(zhuǎn)動(dòng),二十八宿和黃道、白道等在天穹上的位置不斷變化,為了適應(yīng)這種變化就必須使黃道環(huán)、白道環(huán)和赤道環(huán)都能隨天球轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng),就有三辰儀的產(chǎn)生.這些都在李淳風(fēng)的渾儀中得到實(shí)現(xiàn).可是,隨著渾儀環(huán)數(shù)的增加,所遮蔽的天區(qū)也越來越多.由于唐、宋以來數(shù)學(xué)的發(fā)展,人們已能比較精確地掌握赤道、黃道和白道三種坐標(biāo)系統(tǒng)的互換,因此,北宋沈括首先去掉三辰儀中的白道環(huán),開始了渾儀的簡(jiǎn)化過程.到郭守敬時(shí)發(fā)生了質(zhì)的飛躍,創(chuàng)造出歷史上有名的簡(jiǎn)儀.明清時(shí)代還曾仿制或新制一些渾儀,但已是余波,創(chuàng)新之處不多.

對(duì)于渾儀,中國古代還注意到它的安裝位置的校正問題.北魏明元帝永興四年(公元412年)造的太史侯部鐵儀(或稱靈臺(tái)鐵儀)有個(gè)十字底座.底座上開有水溝,以校正底座平準(zhǔn).北宋皇祐三年(公元1051年)于淵、周琮等造的皇祐新渾儀中,在六合儀的地平環(huán)上也開了水溝.大約在唐代以前人們就知道從渾儀極軸兩端的圓孔觀測(cè)拱極星的周日運(yùn)動(dòng)來校正儀器極軸的方向.北宋沈括把這個(gè)方法發(fā)展到很成熟的地步.因此,后來郭守敬在簡(jiǎn)儀中創(chuàng)造了專門的候極儀裝置.

渾象

屬于表演性的儀器,在一個(gè)大球上刻畫或鑲嵌有星宿、赤道、黃道、恒隱圈、恒顯圈等,和現(xiàn)代的天球儀相似.渾象可能是西漢人耿壽昌發(fā)明的.東漢張衡的渾象是他設(shè)計(jì)的漏水轉(zhuǎn)渾天儀的核心部分.張衡以后,中國天文學(xué)家多次制造過渾象,而且多數(shù)和水力機(jī)械聯(lián)系在一起(古代也稱為水運(yùn)渾天,今通稱水運(yùn)渾象),以取得和天球周日轉(zhuǎn)動(dòng)同步的效果,其中有名的制造者有三國時(shí)陸績(jī)、王蕃,南北朝時(shí)錢樂之等.錢樂之于南朝宋文帝元嘉十七年(公元440年),制造的小渾象周6尺6寸,有二十八宿、中外星官,以白青黃三色珠為星,以區(qū)別甘氏、石氏、巫咸氏星官,黃道上還有日、月、五星.到唐代,一行、梁令瓚把日、月綴于二輪上,可繞渾象運(yùn)行,并且又和自動(dòng)報(bào)時(shí)裝置結(jié)合起來,開創(chuàng)了中國獨(dú)特的天文鐘傳統(tǒng).到郭守敬,才把報(bào)時(shí)裝置和水運(yùn)渾象分離開來.現(xiàn)存最古的渾象為清初南懷仁所作,稱為天體儀,置于北京古觀象臺(tái).

三國時(shí)吳國天文學(xué)家葛衡曾經(jīng)改造渾象.他把圍在渾象天球之外代表地的機(jī)構(gòu)移入天球中,天球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)地仍不動(dòng).為了能看到天球中的地,必須把天球挖去多塊.這種儀器古代稱之為渾天象,后來就發(fā)展成為假天儀.假天儀是人們進(jìn)入天球里面抬頭向上看的,猶如現(xiàn)今天文館的天象廳.中國第一架假天儀是北宋時(shí)蘇頌、韓公廉等人制造的.他們?cè)谥窦芗埡奶烨蛏?因星鑿竅",外面點(diǎn)上燈,人在里面看竅眼如同星星一樣.元代郭守敬所造玲瓏儀,也是一架假天儀.可惜這些儀器都已散失了.

簡(jiǎn)儀

是中國元朝天文學(xué)家郭守敬簡(jiǎn)化渾儀而創(chuàng)造的一種天文測(cè)量?jī)x器,它把唐宋的渾儀結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)并重新組合而成,故稱簡(jiǎn)儀.

一,制造沿革

郭守敬使用傳統(tǒng)渾儀測(cè)量天體時(shí),感到渾儀層層交錯(cuò)環(huán)圈過于繁復(fù),相互遮擋不少天空視野,且妨礙觀測(cè)等,因而萌生簡(jiǎn)化渾儀的想法.他把黃道圈除去,分立其上之地平與赤道測(cè)量裝置,再以云架與龍柱把兩者合并之,能無遮擋的有效測(cè)量南北天極附近以外的其余廣大天區(qū)之目標(biāo)天體赤道坐標(biāo),簡(jiǎn)儀亦成為郭守敬在天文測(cè)量?jī)x器方面的代表作.

二,結(jié)構(gòu)與原理

1.赤道系統(tǒng)

亦稱赤道經(jīng)緯儀,包括赤道儀和四游儀.

赤道儀內(nèi)為帶二十八宿周天刻度之赤道環(huán),外套標(biāo)上時(shí)辰刻度百刻環(huán),有兩個(gè)界衡并過環(huán)心,由南極云架與十字框架支撐與承托;赤道環(huán)與界衡均可繞環(huán)心水平轉(zhuǎn)動(dòng),以此來測(cè)量入宿度(該天體與它西側(cè)相鄰宿內(nèi)距星的赤經(jīng)差).

四游儀主體為四游雙環(huán),安裝南北極軸上,南極立于赤道環(huán)環(huán)心上而北極則接上規(guī),雙環(huán)以南北極成軸繞北天極轉(zhuǎn)動(dòng);兩環(huán)上刻有周天度數(shù),雙環(huán)間有直距支撐(亦可看成兩環(huán)以直距為心斜立著轉(zhuǎn)動(dòng),此直距亦相當(dāng)于極軸),其上有一窺衡繞該環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),窺衡上有橫耳并內(nèi)藏細(xì)絲(類似尋星鏡十字絲定位原理);以此對(duì)好目標(biāo)天體即可在集雙環(huán)讀出天體的去極度(天體與北極的夾角).

國立自然科學(xué)博物館展出之簡(jiǎn)儀,圖中可見最外大圓之北極云架接上最高之候極儀,其中間方型之北極龍柱立著(較黑之銅環(huán))為地平裝置之立運(yùn)環(huán)

2.地平系統(tǒng)

亦稱地平經(jīng)緯儀,即立運(yùn)儀.

立運(yùn)儀在北極云架下方,下接底座;陰緯環(huán)垂直平放于立運(yùn)環(huán)之下,繞環(huán)心轉(zhuǎn)動(dòng);而立運(yùn)環(huán)則垂直轉(zhuǎn)動(dòng)并立于云架之下;兩環(huán)均有刻度,以其上之界衡與窺衡對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)天體則可在環(huán)刻度上讀出天體之地平方位角與天體高度.

(1)候極儀

包括位南極云架頂端的上規(guī)與其內(nèi)之定極環(huán),以此加上赤道系統(tǒng)即可調(diào)整儀器的極軸方向及測(cè)量北極星上中天時(shí)刻.

(2)正方案

此部份部件已散夫,明朝仿制品由原來測(cè)定方向變?yōu)榈仄绞饺贞?同時(shí)也可作為南北定向之用.

(3)底座

包括:北極云架、南極云架與四方底座,兩云架北高南低,云架的龍柱精致刻上栩栩如生的云中游龍,擴(kuò)音器,云架下有鰲承托.底座有水準(zhǔn)糟以測(cè)定整座簡(jiǎn)儀之水平水平.

三,成就

該儀之赤道系統(tǒng)為世界上最早的赤道裝置,原理相當(dāng)于現(xiàn)在的越軸式(即叉式赤道儀).歐洲至1598年才由丹麥天文學(xué)家第谷發(fā)明與之類似的裝置.而赤道環(huán)與百刻環(huán)之間有四個(gè)圓筒形的短銅棍,以減低兩者之摩擦力,為世界上滾筒軸承的最早利用之處.另外以窺衡加上絲線測(cè)量,與及環(huán)上的分刻度亦有所提高之下,大大提高了當(dāng)時(shí)觀測(cè)準(zhǔn)確度和方便性.

四,紀(jì)念郵票

中國郵電部于1962年12月1日發(fā)行編號(hào)"紀(jì)m92"的一組八枚"中國古代科學(xué)家"紀(jì)念郵票中,一枚是郭守敬半身像,另一枚是其代表作m簡(jiǎn)儀.但郵票中簡(jiǎn)儀繪畫時(shí)不甚仔細(xì),看不出赤道裝置立體感與細(xì)致而導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)覺.

五,成品去向

郭守敬當(dāng)年制作的簡(jiǎn)儀原本置于大都司天臺(tái)(即現(xiàn)在北京建國門內(nèi)大街路北中國社會(huì)科學(xué)院),曾被搬遷至雞鳴山觀測(cè)臺(tái)至清康熙七年(1668年)遷回北京,但于清康熙五十四年(公元1715年)被傳教士紀(jì)理安故意當(dāng)作廢銅熔掉.

六,仿制與復(fù)制品

現(xiàn)存最古老的簡(jiǎn)儀是在明正統(tǒng)二年(1437年)按郭守敬所制并安放在南京之原物仿制,明清兩代欽天監(jiān)以此于北京古觀象臺(tái)用于測(cè)量,1900年八國聯(lián)軍侵略,德國于12月12日把簡(jiǎn)儀拆卸運(yùn)往位于東交民巷的法國外交使館收藏,至1902年迫于世界輿論壓力才歸還給清政府.1933年6月,簡(jiǎn)儀因逃避戰(zhàn)火南遷至南京,于1934年2月初安頓在紫金山天文臺(tái)上,但歷經(jīng)風(fēng)吹雨打、受腐蝕剝落以致1980年代初已近乎被毀,南京市當(dāng)局于1988年花了11個(gè)月對(duì)該儀進(jìn)行維修,現(xiàn)于南京紫金山天文臺(tái)露天陳列展覽,其他的簡(jiǎn)儀復(fù)制品皆以此為藍(lán)本復(fù)制.此簡(jiǎn)儀本體以青銅鑄成,高約2.84米,長(zhǎng)4.4米,寬2.98米,重約14噸.結(jié)構(gòu)穩(wěn)固,工藝華美,近看高大,遠(yuǎn)看玲瓏;體現(xiàn)中國古代科學(xué)技術(shù)、冶鑄技巧與機(jī)械制造等方面的結(jié)晶.1993年8月,臺(tái)灣臺(tái)中市國立自然科學(xué)博物館展出按實(shí)際比例制作的復(fù)制品(另外還有渾儀與水運(yùn)儀象臺(tái)復(fù)制品),現(xiàn)于該館"中國的科學(xué)與技術(shù)展區(qū)"展出.

2002年1月11日,北京古觀象臺(tái)(即北京古代天文儀器陳列館)投資100萬元啟動(dòng)簡(jiǎn)儀的復(fù)制工程.把副件安放在北京古觀象臺(tái)上陳列.

另在河北省邢臺(tái)之"郭守敬紀(jì)念館"與在2006年春節(jié)啟用之浙江省溫嶺市石塘鎮(zhèn)之"石塘天文館"亦有簡(jiǎn)儀的復(fù)制品存放.

仰儀

中國元代天文學(xué)家郭守敬創(chuàng)制的一種天文儀器.它的形狀好像一口平放的鍋,直徑一丈二尺(元代天文尺).鍋口上邊刻著時(shí)辰和方位,相當(dāng)于地平圈,上面還有水槽,用以校正水平.在鍋口的南部放置東西向和南北向的桿子各一根.南北向桿子延伸到半球的中心,頂端裝置一小方板,稱為璇璣板.板可以南北向和東西向轉(zhuǎn)動(dòng).板的中央開一小孔,小孔的位置正好在半球的中心.在仰儀的內(nèi)半球面上刻著赤道地平坐標(biāo)網(wǎng).不過,這個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)與天球的坐標(biāo)網(wǎng),東西相反,以南極替代北極.轉(zhuǎn)動(dòng)璇璣板,使它正對(duì)太陽.太陽光通過小孔在球面上成像,從坐標(biāo)網(wǎng)上立刻可以讀出太陽去極度數(shù)和時(shí)角,由此可知當(dāng)?shù)氐恼嫣枙r(shí)和季節(jié).仰儀基本是一種球面日晷.不過,仰儀的功能比球面日晷廣泛,它能測(cè)定日食發(fā)生的時(shí)刻,還可以估計(jì)日食的方位角,食分多少和日食發(fā)生情況的全過程.它甚至還能觀測(cè)月球的位置和月食情況.這架儀器利用針孔成像的原理,避免人眼對(duì)強(qiáng)烈的太陽光作直接觀測(cè).仰儀流傳到朝鮮和日本后,取消了璇璣板,改成尖頂?shù)年嗅?從而成為純粹的日晷,被稱為仰釜日晷.

星盤(planisphericastrolabe)

一種測(cè)量天體高度的儀器,可能是希臘天文學(xué)家喜帕恰斯(公元前二世紀(jì)人)發(fā)明的,也有人說是更早的阿波隆尼(公元前三世紀(jì)人)所創(chuàng)造.現(xiàn)存文獻(xiàn)中最早論述過星盤的是希臘天文學(xué)家塞翁(Theon)的著作(約公元375年).中國在元朝制造過這種儀器(1267年),在明朝譯著過有關(guān)星盤的兩本書,即《渾蓋通憲圖說》(1607年)和《簡(jiǎn)平儀說》(1611年).

儀器的主體是個(gè)圓形銅盤,盤的背面安裝有一可繞中心旋轉(zhuǎn)的窺管.觀測(cè)時(shí),將銅盤垂直懸掛,人目用窺管對(duì)準(zhǔn)太陽或恒星,就可以從盤邊的刻度上得到它們的高度.在盤的正面,有用球極平面射影法繪制的星圖和地平坐標(biāo)網(wǎng).星圖上只有最亮的星和黃道、赤道.地平坐標(biāo)網(wǎng)有以天頂為中心的等高圈和方位角.地平坐標(biāo)網(wǎng)在下,星圖在上,后者是用透明材料繪制的.由觀測(cè)得到太陽的高度后,將當(dāng)日太陽在黃道上的位置轉(zhuǎn)到觀測(cè)到的高度圈上,教學(xué)擴(kuò)音機(jī),二者交于一點(diǎn).這一點(diǎn)和盤面中心的聯(lián)線(用游尺)同刻在邊緣上時(shí)圈的交點(diǎn),就是觀測(cè)時(shí)間.知道太陽當(dāng)天的赤緯和中午時(shí)的高度,也可以求出觀測(cè)地的緯度.這種儀器還可以根據(jù)不同的需要,在盤面上增加其他的東西,如測(cè)影的刻度、羅盤和占星用的符號(hào)等.它可以應(yīng)用于教學(xué)、航海和測(cè)量等,在歐洲和伊斯蘭世界曾經(jīng)長(zhǎng)期使用,直到十八世紀(jì)中葉才為六分儀代替.

漏壺(clepsydra)

古代利用滴水多寡來計(jì)量時(shí)間的一種儀器.漏壺按計(jì)時(shí)方法大體上可分為兩種:一種是觀測(cè)容器內(nèi)的水漏泄減少情況來計(jì)量時(shí)間,叫作泄水型漏壺;另一種是觀測(cè)容器(底部無孔)內(nèi)流入水增加情況來計(jì)量時(shí)間,叫作受水型漏壺.在一些文明古國,如中國、埃及、巴比倫等,都使用過漏壺.巴比倫一般使用泄水型漏壺;埃及人兩種類型都用,不過受水型漏壺使用較晚,也較罕見.中國的漏壺也稱刻漏.最早的漏壺是在漏壺中插入一根標(biāo)竿,稱為箭.箭下用一只箭舟托著,浮在水面上.水流出或流入壺中時(shí),箭下沉或上升,借以指示時(shí)刻.前者為泄水型漏壺,叫作沉箭漏;后者為受水型漏壺,叫作浮箭漏.這兩種類型統(tǒng)稱箭漏.另一種是以滴水的重量來計(jì)量時(shí)間,叫作稱漏.此外,還有一種以沙代水的沙漏.中國歷史上用得最多、流傳最廣的是箭漏.漏壺的發(fā)明時(shí)代目前尚無定論.《周禮.夏官》有"挈壺氏","掌挈壺以令軍井","凡軍事縣(懸)壺以序聚柝","皆以水火守之"."水守"是在壺旁備水,需要時(shí)往壺里添加;"火守"有兩方面的意義,即夜間用火照明以觀察箭上的刻度,在冬天又要以火溫水,防止凍結(jié)由這條記載可知,在周朝已經(jīng)有了漏壺.《史記》上曾記載司馬穰苴在軍中"立表下漏"以待莊賈,日中而賈違令不至,即被處死刑的事件.由此可見,春秋時(shí)期漏壺的使用已很普遍了.早期的漏壺,現(xiàn)已無存.西漢的漏壺現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)三只,是分別在河北滿城、內(nèi)蒙古伊克昭盟和陜西興平發(fā)現(xiàn)的.這三只漏壺屬于同一類型,都是銅制單只泄水型壺,大小稍有不同.壺的形狀是圓筒,下有三足,在接近底部的側(cè)面有小孔,安裝滴水管,壺上有提梁,梁中央有長(zhǎng)方形的孔,用以扶箭直立.單只泄水型或受水型漏壺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便.但是水流速度與壺中水的多少有關(guān),單只漏壺隨著壺中水的減少,流水速度也在變慢.這樣,就直接影響到計(jì)時(shí)的穩(wěn)定性和精確度.后來人們想到在漏水壺上另加一只漏水壺,用上面流出的水來補(bǔ)充下面壺的水量,就可以提高下面壺流水的穩(wěn)定性.但這種辦法只適用于受水型漏壺,因此泄水型漏壺很快便被淘汰了.發(fā)明增加補(bǔ)給壺的辦法之后,人們自然會(huì)想到,可以在補(bǔ)給壺之上再加補(bǔ)給壺,形成多級(jí)漏壺.補(bǔ)給壺的使用大概始于西漢末東漢初.東漢張衡已使用二級(jí)漏壺,即一只漏壺和一只補(bǔ)給壺(不計(jì)最下面的受水壺,下同),晉代出現(xiàn)了三只一套的出水壺,唐初呂才設(shè)計(jì)了四只一套的漏壺.北宋燕肅又發(fā)明了另一種方法.他在中間一級(jí)壺的上方開一孔,使上面來的過量水自動(dòng)從這個(gè)分水孔溢出,讓水位保持恒定.燕肅創(chuàng)制的漏壺叫蓮花漏,北宋時(shí)曾風(fēng)行各地.元延三年(公元1316年)的一套漏壺,現(xiàn)保存在北京中國歷史博物館,是三級(jí)漏壺.北京故宮博物院中有與此類似的一套清代制的大型漏壺.

據(jù)記載,稱漏的最早制造者是公元五世紀(jì)的北魏道士李蘭.稱漏盛行于唐、宋.它的構(gòu)造是一桿吊著的秤,受水壺掛在秤鉤上,以受水壺里受水的重量計(jì)量時(shí)間.按李蘭的規(guī)定,流水一升,重增一斤,時(shí)經(jīng)一刻.也可以把秤桿上的重量刻度改成時(shí)刻刻度,從而直接讀出時(shí)刻數(shù).沙漏的最早記載見于元代,造沙漏的目的是為了避免水因氣溫變化而影響計(jì)時(shí)精度.其原理是通過流沙推動(dòng)齒輪組,使指針在時(shí)刻盤上指示時(shí)刻.明初詹希元?jiǎng)?chuàng)制五輪沙漏,后來周述學(xué)改進(jìn)為六輪沙漏.但是流沙容易阻塞,使用并不普遍.

漏刻

中國古代一種等時(shí)性的計(jì)時(shí)系統(tǒng)."漏"是指計(jì)時(shí)器漏壺﹐"刻"是日以下的時(shí)間單位﹐古代分一晝夜為100刻﹐在漏壺的箭上刻的就是這種時(shí)間劃分."孔壺為漏﹐浮箭為刻"﹐故稱漏刻.

百刻制在東漢時(shí)早已成為定制.許慎《說文解字》中說:"漏以銅壺盛水﹐刻節(jié)﹐晝夜百刻."一般來說﹐漢代經(jīng)學(xué)家常用百刻制來解釋先秦經(jīng)典.到現(xiàn)代﹐有的學(xué)者認(rèn)為﹐百刻制可能起源于殷商時(shí)代.

與晝夜100刻平行的還有一晝夜劃分為12時(shí)辰的制度.100刻被12時(shí)辰除﹐每個(gè)時(shí)辰等于8刻.由于100刻不能被12整除﹐100刻與12時(shí)辰難以配合.西漢建平二年(公元前5年)和居攝三年(公元8年)﹐晝夜100刻改為120刻制﹐但通行未久即廢.南北朝梁武帝天監(jiān)六年(公元507年)曾改一晝夜為96刻﹐大同十年(公元544年)又改為108刻﹐也都只通行了數(shù)十年.到陳文帝時(shí)(約公元563年)朱史造漏﹐又恢復(fù)百刻制﹐唐宋以來﹐仍用