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古代世界最先进的天文观测工具──浑仪和简仪

2019-10-14 14:38栏目:历史人物
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古代世界最先进的天文观测工具──浑仪和简仪

公元725年11月12日,唐玄宗时期,唐朝天文学家僧一行与梁令瓒研制成功水运浑天仪。维库仪器仪表网今天来给大家介绍下水运浑天仪。浑天仪是浑仪和浑象的总称。浑天仪浑仪是测量天体球面坐标的一种仪器,而浑象是古代用来演示天象的仪表。它们是我国东汉天文学家张衡所制的。西方的浑天仪最早由埃拉托色尼于公元前255年发明。葡萄牙国旗上画有浑仪。自马努埃一世起浑天仪成为该国之象征。

关于星象的观测,根据《尚书》记载,我国早至西元前24世纪至前20世纪,就进入观象授时时代。此后星象观测逐渐发展,并诞生了最早的星象观测仪器,此后则不断发展进步。

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中华民族自古以农业为立国之本。农业生产受到自然季节变化规律的支配,春季播种,夏季耕耘,秋季收获,冬季贮藏,农事活动总要跟季节变化紧密配合,而季节变化的周期是一年。所以,历代统治者都把观测天象,编制历法,敬授民时,作为一件头等大事来抓。在古代中国,正是历法的编算带动了整个天文学的发展。

水运浑天仪也称漏水浑天仪简称浑天仪。为东汉科学家张衡创制的一件天文仪器。是一种水运浑象。用一个直径四尺多的铜球,球上刻有二十八宿、中外星官以及黄赤道、南北极、二十四节气、恒显圈、恒隐圈等,成一浑象,再用一套转动机械,把浑象和漏壶结合起来。以漏壶流水控制浑象,使它与天球同步转动,以显示星空的周日视运动,如恒星的出没和中天等。它还有一个附属机构即瑞轮冥菜,是一种机械日历,由传动装置和浑象相连,从每月初一起,每天生一叶片;月半后每天落一叶片。它所用的两级漏壶是现今所知最早的关于两级漏壶的记载。漏水转浑天仪对中国后来的天文仪器影响很大,唐宋以来就在它的基础上发展出更复杂更完善的天象表演仪器和天文钟。

《舜书》所记“在璇玑玉衡以齐七政”的话,千古两解,莫衷一是。有认为璇玑玉衡指北斗星名的,有认为指战国或战国以前出现的初始浑仪的。由於魏国石申记有一百多颗星的位置,是当时有某种赤道式测角仪器的证据,所以璇玑玉衡为浑仪前身是有可能的。

浑天仪

古代的天文仪器。有浑仪、浑象两种。浑仪又称圆仪,古代测量天体位置的仪器,何时创制,尚难断定。西汉落下闳曾制造此仪以观天象,经东汉贾逵、东晋孔挺、南北朝张子信、唐李淳风等人研究、改进, 日趋精密完善。其主要结构分外、中、内三层。外层由子午环、地平环等交结成固定的框架,放置在支架上;中层由黄、白道环等构成;内层由极轴、赤经双环和窥管等组成。宋元时,沈括、郭守敬对浑仪进行革新简化,制成了简单而精密的简仪。浑象又称水运浑象或漏水转运浑天仪,是表示天象的仪器,与现代的天球仪相似。西汉耿寿昌发明,东汉张衡对其进行了改造。其构造是在一个直径四尺多的空心铜球上,刻画和镶嵌有二十八宿、中外星宿以及黄赤道、南北极、二十四节气等。用巧妙的机械系统将浑象和计时漏壶联系起来,以计时漏壶滴出的水为动力,带动浑象均匀地绕轴旋转,使浑象的转动与地球的周日运动相等。这样,浑象就自动地将天象近似正确地演示出来。

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编制历法依赖精密地观测天象。古代中国天文学家对天象,观测唯勤,探微唯精,留下了丰富、可靠的星象记录。观测唯勤,需要辛苦的劳动和坚强的毅力,而探微唯精,必须借助先进的观测工具。古代中国天文学家用来观测星象最重要的工具是浑仪。在望远镜发明以前,浑仪是世界上最先进的天文观测工具。现今存世最早的浑仪是明代正统七年制成的,陈列在南京紫金山天文台。它作为中国古代科技成就的代表,被印在邮票上,印在宣传画上,传播到全世界。

在汉代以前,我国的宇宙理论,大体分为三种,分别是盖天说、宣夜说和浑天说。在这三种学说中,浑天说在我国古代一直占据着主要地位,被认为是正统的官方学说。从汉代开始以后的千余年中长期广泛流行,支配着历代的天文观测和历法的指定。浑天说认为地在天之中,天似蛋壳、地似蛋黄,日月星辰附着在天壳之上,随天周日旋转。为了演说浑象并观测天体方位,西汉耿寿昌发明了浑天仪。东汉中期,张衡在前人制作的基础上,大胆创新,于公元117年设计并制造了完整的演示浑天说思想的漏水转浑天仪。

西元前219年,秦始皇为统一岭南开凿了灵渠,工程中使用了原始经纬仪--石制水准方位仪。它是我国最早的工程实用天文测量仪。该仪器可用基准方位控制筑坝走向;可放置水准控制坝体高度。

浑仪起源于何时,目前尚未弄清。《尚书·舜典》有“在璿璣玉衡,以齐七政”的说法。意思是:“舜利用璿璣玉衡观察、确定日月五星的位置。”疏“《说文》云:璿,美玉也。玉是大名,璿是玉之别称。璣衡俱以玉饰。……璣衡者,璣为转运,衡为横箫,运璣使动於下,以衡望之,是王者正天文之器。汉世以来谓之浑天仪者是也。”《说文》是《说文解字》的简称。《说文解字》是中国古代集周秦两汉文字训诂之大成的文字学宝典,其字义解释,皆本六书。《说文解字》的作者是东汉许慎,字叔重。时人称“五经无双许叔重”。许慎对“璿璣玉衡”的解释,应当是有根据的。按照许慎的解释,“璿璣玉衡”就是浑天仪的雏形。古代中国有两种天文仪器有时都叫浑天仪,一种是测量天体球面坐标的浑仪,另一种是演示天体运动的浑象。许慎在解释“璿璣玉衡”时提到“衡为横箫”、“以衡望之”,由此可知,“衡”就是浑仪上的窥管,又叫望筒,浑象上用不着它。所以,“璿璣玉衡”依照许慎的说法,就是浑仪的前身,也可称为原始浑仪。这种原始浑仪在虞舜时期就有了。

漏水转浑天仪是有明确历史记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器。在浑天仪中应用到的齿轮机构和凸轮机构十分复杂,这中间的转动如果不使用逐渐减速的齿轮系统,很难作到。远在一千八百多年前的时候,中国古人就可以造出这样复杂的仪器是很值得自豪的。可惜的是,这套复杂的传动系统因为年代久远没有能够流传下来。

西元前165年,我国天文学家就发明并使用了一种五星候占仪,实物遗存可在安徽博物馆见到,是在安徽阜阳出土的。它由两盘构成,上盘边缘的小坑中可报置不同颜色的球或棍表示行星,按下盘所示二十八宿刻度放置好後,便可显示五星动态,并可取得数值结果。

原始浑仪可能是由两个圆环组成的,一个圆环是固定的赤道环(ErRE’R’),其平面和赤道面平行,环面上刻有周天度数;另一个圆环是四游环,也叫赤经环(PMRP’M’R’),能够绕着极轴(POP’)旋转,赤经环上也刻有周天度数。在赤经环上附有窥管(M’OM),窥管可以绕着赤经环的中心旋转。

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马王堆汉墓出土的《五星占》帛书,记有木、土、金三大行星七十年间的位置,时间从西元前246~西元前177年,会合周期准确。反映出当时有比较准确的赤道式测角仪器,并将测量结果演示於五星候占仪上。

用浑仪观测某一天体M的时候,先由东向西旋转四游环令其对准M,再将窥管上下旋转令人眼从窥管中看到M。此时,大圆弧便是天体M与北极星的距离P,古人称为“去极度”。便是天体M与赤道的距离,天文学上称为“赤纬”,用希腊字母δ表示。由《浑仪示意图》上可以看出,P+δ=90o。示意图上的r表示春分点,从r起沿赤道量度的大圆弧,称为天体M的赤经,用希腊字母α表示。两个天体的赤经差(α2——α1),称为“距度”。为了测定天体的坐标位置,古人就沿黄道和赤道,自西向东把周天划分成二十八个大小不等的区域,每个区域叫做一宿,总计二十八宿;又在每一宿中选取一颗星作为测量的标准,这颗被选定的星叫做距星。假若M1(α1δ1)是二十八宿的距星之一,那么α2——α1,就是M2(α2δ2)的入宿度。中国古代天文学家就用入宿度和去极度来表示天体的位置。

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参加太初历实测工作的落下闳制成浑仪,是我国文字记载最早提到的浑仪。《史记索隐》引《益部耆旧传》有落下闳“於地中转浑天”的但载。它可能是由璇玑发展成的测量天体赤道坐标的仪器。

虞舜是古史传说中著名的部落联盟首长。虞舜时期处于新石器时代晚期。估计那时的原始浑仪是用玉石制成的。东汉学者郑玄说:“其转运者为玑,其持正者为衡,皆以玉为之。”玉石耐腐蚀,如今出土的新石器时期的玉器数量不少,可是没有一件浑仪。因此有人怀疑许慎对《尚书·舜典》中“璿璣玉衡”的解释是否正确。围绕这个问题,肯定者和否定者辩论了一千多年,至今悬而未决。

两汉时期制成了可以演示天象并配合浑仪用於观测的新仪器-浑象,制作人是大司农耿寿昌。杨雄的《法言。重黎》中有“或问浑天,日落下闳营之,鲜于妄人度之,耿中丞象之。” 西汉时期使用漏壶计时,现存有两汉漏壶三件。西汉末年,桓谭发现温度变化影响刻壶的准确性。在《桓子新论》中提出用晷影、中星校准漏壶的措施。

战国时期的天文学家石申在公元前4世纪中叶著成《石氏星经》。后来,《石氏星经》失传了。但是,石申测量的一百多颗恒星的赤道坐标数据,保存在瞿昙悉达主持编纂的《开元占经》中。例如说:“角为苍龙之首……去极九十三度半。”就是说:“角宿到北天极的角距离是九十三度半。”我们知道,地球是椭圆形的,赤道部分较为突出,两级部分呈扁平状。由于太阳和月亮对地球赤道突出部分的吸引作用,使得地轴绕黄极作缓慢地移动,相应地春分点沿黄道以每年50’’。24速度西移,大约25800年移动一周,这种现象称为“岁差”。按照岁差规律,比较一颗恒星古今坐标的变化,可以推算出这颗恒星古赤道坐标测定的年代。现代天文学家运用这个方法检验石氏星表的赤道坐标数据,结果表明,其中有一部分是公元前4世纪测定的。反过来,这些数据也证明战国时代中国理应已有浑仪。英国学者李约瑟在《中国科学技术史》中写道:“我们有充分的根据相信,石申和甘德确实在公元前4世纪就已用度数定下恒星的位置;假如没有某种刻度的浑环,这种测量是完全不可能的。”

汉永元十五年七月,“诏书造太史黄道铜仪”。即贾逵创制出黄道铜仪,实测中发现了月球的运行速度为不等速,即月行有迟疾。

在西方,最早的星表是古希腊天文学家伊巴谷于公元前2世纪测编的。在他之前,古希腊的天文学家阿里斯提尔和提莫恰里斯也测量过一些恒星,但那也是公元前3世纪的事。他们至少也要比石申的测量工作晚几十年。

汉张衡(西元78~139年)观测记录了两千五百颗恒星,创制了世界上第一架能比较准确地表演天象的漏水转浑天仪,还制造出了指南车、自动记里鼓车、飞行数里的木鸟等等。

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