测量天体的浑仪和简仪

测量天体的仪器已有近2000年的历史。在历史进程中，我们的祖先在不同的时期发明和制造了各种测量天体的仪器，适应了当时社会经济发展和人们生活需求。

我国古代测量天体的仪器最著名的是浑仪和简仪。这两件仪器的制造，是我国天文仪器制造史上的一大飞跃，是当时世界上的一项先进技术。

浑仪是我国古代天文学家用来测量天体坐标和两天体间角距离的主要仪器。简仪是重要的观测用仪器，由浑仪发展而来。

我国古代浑仪的诞生，经历了从简单发展至复杂又回到简单的过程。

大致来说，战国至秦是它的诞生时期；汉唐时期是研制、创新、定型阶段；宋元时期是它的高峰；明代以后的铸造已经带有西学元素。

浑仪由于它的重要性，历代均有研制。保存至今的明制浑仪和清制浑仪结构合理、铸造精良、装饰华丽，成为古代天文仪器的精品，甚至成为我国古代科技文明的象征。

浑仪的构造包括3个基本部件，首先是窥管，通过这根中空管子的上下两孔观测所要测的天体；其次是反映各种坐标系统的读数环，当窥管指向某待测天体时，它在各读数环中的位置就是该天体的坐标。

此外就是各种支承结构和转动部件，保证仪器的稳固，使窥管能自由旋转以指向天空任何方位。

最初的浑仪结构比较简单，只有一根窥管和赤道系统的读数环并兼做支架的作用，在《隋书?天文志》中最早留下了南北朝时孔挺于323年制的浑仪结构，即如上述古法所制。

北魏鲜卑族天文学家斛兰于412年受诏主持铸成我国历史上第一台铁浑仪。铁浑仪增加了带水槽的十字底座，底座上立4根柱子支承仪器。这样，读数系统与支承系统就分开了。

铁浑仪的基本结构与前赵孔挺浑仪大致相同，但又有新创造。如在底座上铸有“十”字形水槽，以便注水校准水平，这是在仪器设备上利用水准仪的开端。

铁浑仪是一台质量很高的仪器，北魏灭亡后，历经北齐、后周、隋、唐几个朝代一直使用了200多年，直至唐睿宗时，天文学家瞿昙悉达还奉敕修葺此仪，可见其使用寿命之长。

至唐代，由于天文学家李淳风、一行和天文仪器制造家梁令瓒等人的努力，浑仪的三重环圈系统建立起来，成为后世浑仪结构的定型式。

浑仪的三重环圈各有名称，最里面的是四游环或四游仪，它夹着窥管可使之自由旋转；中间一重是三辰仪，包括赤道环、黄道环、白道环，上面都有刻度，是各坐标系统的读数装置；外面一重是六合仪，包括地平、子午、赤道三环，固定不动，起仪器支架作用。

考察历代所制浑仪，都可以按这三重环圈体系来分析它们的结构。其构造科学合理，观测精确，造型优美而享誉世界。

由于天体的周日运动是沿赤道平面的，所以只有赤道系统能最方便地表示天体的坐标，黄道和白道就显得很麻烦，而且由于岁差的原因，赤道和黄道的交点不断变化，使黄赤道的位置不固定。

唐代僧一行和梁令瓒所铸黄道游仪就是为了解决这个问题而设计的，他们在赤道环上每隔一度打一个孔，使黄道环能模仿古人理解的岁差现象不断在赤道上退行。

类似的情况是白道和黄道，李淳风就在他制造的浑天黄道仪的黄道环上打249个孔，每过一个交点月就让白道在黄道上退行一孔。这样的设计虽说巧妙，但却给使用带来不便，并影响精度的准确，后来遂被废除。

宋代的浑仪铸造主要在北宋时期，大型的就有五架，每架用铜总在10000千克以上，可见其规模之大。

宋代浑仪也注意精度方面的改良。如窥管孔径的缩小，降低人目移动造成的误差，并调整仪器安装的水平和极轴的准确，降低系统误差。

当时发明的转仪钟装置和活动屋顶，成为我国天文仪器史上两大重要发明。

宋代浑仪已是环圈层层环抱的重器，它在天文测量和编历工作中起了很大的作用，但也渐渐显示了多重环圈的弊病：安装和调整不易，遮蔽天空渐多，使许多天区成为死区不能观测。因此，宋代之后已在酝酿浑仪的重大改革，这就是元代简仪的创制。

要追踪历代浑仪的下落是件不容易的事。木制的当然不易保存下来，即使是铜铁铸的也因年久湮灭和战乱毁坏而不存。

宋代浑仪的遭遇要复杂些，北宋为金所灭，开封的五大浑仪全被虏至金的都城中都，运输过程中损坏的部件均被丢弃，浑仪被置于金的候台上，但因开封和北京纬度差达4度，观测时需作修正。

金章宗时，有一年雷雨狂风使候台裂毁，造成浑仪滚落台下，后经修理复置于台上。

北方蒙古族南下攻金，金王室仓皇出逃，宋代浑仪搬运困难，只好放弃而去，宋代仪器再次受到毁坏。至1271年，宋代浑仪只有天文学家周琮等人所造的一架还有线索，其他的都已不明。

北宋亡后，宋高宗南渡，曾经在杭州铸造过两三台小型浑仪，置于太史局、钟鼓院和宫中，但下落均不明。

明朝建都南京后，将北京的宋元代浑仪运至南京鸡鸣山设观象台，随后铸浑仪。明成祖朱棣迁都北京后仪器并未运回北京，而是派人去南京做成木模到北京来铸造，于公元1437年铸成，置于明观象台上，即现在的北京古观象台。

清代康熙年间，钦天监请将南京郭守敬所造仪器运回北京。当时有人在观象台下见到许多元制简仪、仰仪诸器，都有王恂、郭守敬监造的签名。

1715年，欧洲传教士纪理安提出铸造地平经纬仪，将元明时期除明代制简仪、浑仪、天体仪外的旧仪，尽皆熔化充作废铜使用，遂使元明时期旧仪不复留存。

至于宋元明时期旧仪的下落还有待进一步研究和发现。目前陈列在北京古观象台上的仪器为清代铸造，而在南京紫金山天文台上的浑仪、简仪则是明代仿制的宋元时期旧仪。

简仪的创制是在1279年由元代天文学家郭守敬负责的，现存于紫金山天文台的简仪为明代正统年间的复制品，郭守敬原器已毁。因其简化了浑仪的环圈重叠体系，又将赤道坐标与地平坐标分开，不遮掩天空，观测简便，故后人以此作为其名称的由来。

郭守敬创制的简仪，就其结构来说是一个含有四架简单仪器的复合仪器。

四架仪器中的主要部分是一架赤道经纬仪，可算是传统浑仪的简化。

它只有四游环、赤道环和百刻环，而后两环重叠在一起置于四游环的南端，使四游环上方无任何规环遮掩，一览无余。

在赤道和百刻两环之间安装有四个铜圆柱，起滚动轴承的作用，这一发明早于西方200年之久。但这四个铜圆柱在明代复制品中没有。

四架仪器中的另一部分是地平经纬仪，又称“立运仪”，就是直立着运转的仪器。它可以测量天体的地平经纬度。

地平经纬仪只有两个环，一个地平环，水平放置；在地平环中心垂直立一个立运环，窥衡附于其上，起四游环的作用。

四架仪器中的其他两部分是候极仪和正方案。候极仪装于赤道经纬仪的北部支架上，以观北极星校准仪器的极轴，使安装准确。正方案置于南部底座上，它既可以单独使用，也可以用在简仪上以校准仪器安装的方位准确性。

现存简仪上正方案的位置在明末清初换上了平面日晷。

在《元史?天文志》里列举郭守敬创制的仪器名称，首先就是简仪，而立运仪、候极仪、正方案的名称又另外列出，可见郭守敬所指的简仪就是单指其中的赤道经纬仪。

当时既无这一名称，它又同传统的浑仪形状不同，考其作用正如浑仪，结构比浑仪简化。因此郭守敬称其简仪也是合理的。

拓展阅读

在邢台县的北郊，有一座石桥。金元战争使这座桥的桥身陷在泥淖里，日子一久，竟没有人能够说清它的所在了。郭守敬查勘了河道上下游的地形，对旧桥基就有了一个估计。根据他的指点，居然一下子就挖出了这久被埋没的桥基。石桥修复后，当时元代著名文学家元好问还特意为此写过一篇碑文。