中國古代天文儀器簡介(轉貼)

我愛山

中國古代天文儀器簡介

—參加「第二屆海峽兩岸天文推廣教育研討會」心得篇

蔡元生

　　大陸的山水風景、研討會的內容、各地的美食、以及蘇州”蟹角”(蘇州話”小姐”的發音)的親切服務，相信都令參加此次海峽兩岸天文教育推廣研討會的學者及代表畢生難忘，此行本會也與上海市天文學會結為姐妹會，可說是滿載而歸。本次活動參觀景點很多，無法一一介紹給同好分享，在此僅以南京紫金山天文臺所陳列之中國古代天文儀器做簡單的報告，這些古天文儀器都象徵著中國天文學的悠久歷史及光輝成就。

□圭表

　　它是中國最古老，也是最基本的天文儀器，由兩個部份組成；一是正南北方向水平放置的尺，稱為圭；另一為垂直站立於尺南端的標竿，稱為表。真正始於何時，已不可考，但可想像它是由立竿見影演變而來，史書中有記載圭表的使用最早大約在公元前七世紀的周魯文公時代。

圭表的用處：一、可利用每天表影投射在圭面上的時刻定出正午。二、觀測表影的長度可定出每年的夏至日及冬至日，表影最長一日為冬至日，最短一日為夏至日，進而可推算出一個回歸年的長度，通常以當時測定出的冬至日和數百年前的冬至日相比較，其間相隔的日數除以相隔的年數，即可得到精確度相當高的回歸年日數(太陽年)，明代天文學家邢云即以精密的圭表，測得空前精度的回歸年為365.24219日。三、觀測不同地點夏至日的影長來測量兩地的距離，但實測証明不太可靠。四、可於夜晚確定某些恆星過中天的時刻，而算出恆星的去極度(恆星與北天極的角距)。

　　圭表的校正方法：因為表是垂直的，可以懸掛重物的線來檢驗，並在圭面上刻一些溝槽，注入水即可調整水平；至於南北的定位，可記錄當天的日出及日落時的表影方向，以表為圓心劃一大圓，在兩影的交點連成一線，即為東西向，再取其中點與表連接，則可定出南北向，之後的天文儀器大多以此法定位。

□渾儀

　　它起緣於何時，很難斷定，史書有記載最早大約在公元前一世紀的西漢時期，而後它的構造越來越複雜，唐代以後所制之渾儀基本架構才大致定型，但大多未保存下來，而此次參觀存放於紫金山天文臺之渾儀，為明代正統年間按古代渾儀仿造的一架。

　　渾儀的主要用途是古代測量天體位置的重要儀器，亦是最具代表性的天文儀器，它的結構大致可分為外、中、內三層，外層由子午、地平及百刻三環固定構成框架，中層由赤道、黃道及白道三環構成，此三環相對位置是固定的，但整體是可繞極軸旋轉的，內層由極軸、窺管及赤經雙環構成，整體由四條青龍舉起，底座為田字型水槽，校正水平用，遠看玲瓏，近看雄偉，這也難怪那些野蠻的外國人嫉妒，趁入侵中國時毀的毀、竊的竊，倖存者寥寥無幾。

□簡儀

元代著名天文學家郭守敬，將渾儀做了一些基本的變革創造了簡儀，他改變了把很多不同座標的圓環集中在一起的做法，除去了黃道環組，再將其餘的環組分解為赤道裝置及地平裝置；事實上現代天文望遠鏡中的赤道儀及經緯儀原理和簡儀中的赤道裝置及地平裝置完全相同，所以郭守敬的創造可說是現代赤道儀的先驅。

□仰儀

它也是出自郭守敬的傑作，形狀像一口平放的圓鍋，鍋面內部劃有座標網，東西南北正好相反，而在北邊向南延伸至球心放置一桿子，其前端有一鑽有小孔的板子，孔正對圓心，東西向也放一支用以支撐的桿子，當太陽光通過小孔即可在球面上成像，如此可讀出太陽的座標，利用座標可了解季節的變化，也可用來觀測日蝕，定出日蝕發生的時刻、蝕分及全部過程，用途相當廣。而後在日本、朝鮮頗為流行的球面日晷，就是將投影用的小板拿掉而來的。

[ Last edited by 我愛山 on 2005-11-2 at 11:02 AM ]

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渾儀是中國古代最主要的天文測量工具之一，是一種與渾天說密切相關的天文儀器，由於渾儀的結構是以多個同心圓來模擬天球，所以它的出現不早於落下閎時代(104BC)，所以渾儀的出現也不會早於此。《益部耆舊傳》中說落下閎「於地中轉渾天」，這裡的「渾天」應該所指的就是渾儀，而大司農中丞耿壽昌在甘露二年(52BC)「以圓儀度日月行」時所用的「圓儀」無疑也是渾儀。　　有紀錄傳世的第一架渾儀直到東晉才出現，這具渾儀是由前趙的史官丞孔挺於光初六年(323AD)製作的，據《隋書?天文志》的記載，它有兩層結構。外層由一個地平單環、一個赤道單環及一個子午雙環疊套而成。內層由一個直徑八尺的赤經雙環構成，孔挺的設計一直沿用到唐代，中間只有後魏的斛蘭在永興四年(412)製造同種式樣的太史候部鐵儀時在底座上開了一個十字水溝，用來調整儀器的水平。
  
　　唐初李淳風上書指出孔挺的設計只有赤道而無黃道，建議重造新儀。貞觀七年(667)製成一架渾天黃道儀，他可以說是奠立了中國渾儀三重結構的形制。北宋是中國古代渾儀製造最多的一個朝代，從至道元年(995)至元佑七年(1092)間一共製造了四架大型渾儀，北宋的天文儀器最後都被金朝掠奪到燕京，有許多被保存到明代並運往南京，正統四年(1439)，明政府仿製前代的儀器鑄造，其中本具儀器就是仿自宋代的渾儀，是以用於測定天體的位置，本儀器原藏於北京，民國二十年(1931)運往南京紫金山天文台。

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紀限儀
製造於清康熙十二年(1673)，可用以測定六十度以內任一兩顆天體的角距離和日月的角直徑。

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簡儀

中國渾儀的結構經歷了一個由簡而繁的發展過程，從二重發展成三重，從只有赤道還發展到黃道、白道諸環的添置，每一項改進都標示著人們在天體運動規律認識方面的進步。但在出現這些進步的同時也產生了一些弊端。其一是多環迭套的結構給精密製造帶來了困難，很容易造成各重環中心不重合，因而嚴重影響觀測精度，二是環越多，被遮蔽的天區也就越大，影響對某些天體的觀測，三是儀器結構複雜，難於操作。  
  
　　北宋的沈括就因唐代僧一行等人的渾儀操作複雜而創製了新型的渾儀，新製渾儀的主要特點是簡化了結構，如取消白道環，縮小某些部件的橫截面積，使之輕便易用，二是透過調整黃道、赤道及地平諸圓的位置，並把它做成扁平圓環，以減少他們對視線的遮檔，元代郭守敬設計製造的簡儀可以說是與沈括簡化渾儀結構的工作相呼應，只是他的簡化更為徹底。  
  
　　簡儀主要由一架赤道經緯儀和一架地平經緯儀組成，另外底座上還開有水平溝，並裝有一只正方案，用以校準儀器的水平和朝向，除此之外，赤道經緯儀的北極端還設有一個候極環，用以校正儀器的極軸指向。  
  
　　簡儀原製造于元至正十三至十六年(1276-1279)，與仰儀一起安裝在元太史院的靈台之上。明正統四年(1439AD)又曾仿製原來的簡儀與仰儀，直到清初仍保存於北京的觀象台，但康熙四十五年(1715)傳教士紀里安(Bernard Kilain Stumpf, 1655-1720)在製造地平經緯儀時將它們當作廢銅而熔融，所幸正統四年的複製品仍存於南京的紫金山上。

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地平經儀
由於明末曆局籌設之時正逢與後金交戰時期，因此在經費上受到很大的限制，在明末所製造的天文儀器多半是木質結構，再包上銅，至清康熙年間，南懷仁主持欽天監，在康熙八至十二年(1669-1673)間，以銅為材料鑄成六件新的天文儀器，此地平經儀即其中一架，它製造於清康熙十二年(1673)，係按照歐洲古典儀器的風格設計的，可用以測定天體的方位角。

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圭表
明正統二至七年(1437-1442AD)間製造，可以用來測定回歸年長度和二十四節氣。

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象限儀
製造於清康熙十二年(1673)，可用以測定天體的地平高度或天頂距。

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經緯儀
由南懷仁製造於清康熙十二年(1673)主要用於測定太陽時、天體的赤經差和赤緯。由於南懷仁將許多儀器的功能簡化，因之他的天文儀器彼此可以相互參校，在南懷仁所著的《靈台儀象志》一書當中就編有黃道、赤道及地平三種座標間的互換表。

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地平經緯儀
繼南懷仁之後，清政府又相繼製成兩架大型儀器，此為其一，製造於清康熙五十四年 (1715)  ，主要用以測定天體的方位角和地平高度。由於地平經儀和象限儀不適合在同一時刻內觀測同一天體，所以才在康熙五十四年 (1715)  製造了將兩者合一的地平經緯儀，用這個儀器可以同時觀測天體的一對地平座標。本儀器由紀里安所設計製造，基本上是南懷仁地平經儀和地平緯儀的組合。

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璣衡輔辰儀
繼南懷仁(Ferdnand Verbiest, 1623-1688)之後，清政府又鑄造了兩架大型儀器，一架是由紀里安(Bernard Kilain Stumpf, 1655-1720)於康熙五十四年(1715)所製造的地平經緯儀，這基本上是南懷仁的地平經儀和地平緯儀的組合，另一架就是這個璣衡撫辰儀，它的建造是由於乾隆眼見觀象台上的儀器都為歐式，故而下令製造，它基本上是仿照傳統的渾儀所設計，由戴進賢(Ignace Kogler)等人於清乾隆九年(1744)監製，主要用以測定真太陽時、天體的赤經差和赤緯，此儀營造共耗時十年之久(1744-1754)，是清代最後鑄造的一架天文儀器。

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天體儀
即天球儀，是南懷仁所設計製造的天文儀器，它製造於清康熙十二年(1673)，主要用於測定天體出沒的時間與方位，以及求任何時間天體的地平高度和方位角。當時南懷仁所一起鑄造的六個天文儀器分別為赤道經緯儀、黃道經緯儀、地平經儀、地平緯儀、紀限儀及本儀器。這些儀器係依歐洲古典風格設計，打破傳統渾儀環圈疊套，集中各種座標於一身的繁瑣結構，每架儀器只用於一種座標的觀測，因而簡化了結構，既便於操作也不致於遮擋太多的天區。