渾儀和簡儀——中國古代測天儀器的成就

在十七世紀發明望遠鏡以前，渾儀是所有天文學家測定天體方位的時候都缺少不了的儀器。不過中國的渾儀和古希臘的不同。我國最原始的渾儀可能是由兩個圓環組成。如下圖，一個是固定的赤道環（ErRE′R′），它的平面和赤道面平行，環面上刻有周天度數。一個是四游環（PMRP′M′R′），也叫赤經環，能夠繞著極軸（POP′）旋轉，赤經環上也刻有周天度數。在赤經環上附有窺管（M′OM），窺管可以繞著赤經環的中心旋轉。觀測某一天體M的時候，先按東西方向旋轉四游環使它對準M，再把窺管上字母δ表示。顯然P+δ=90°。圖上的r表示春分點，從春分點起沿赤道量a1叫距度，如果M1（a1，δ1）是二十八宿的距星，那麼a2—a1就是M2（a2，δ2）的入宿度。我國古時就用入宿度和去極度來表示天體的位置，戰國時期公元前四世紀中葉成書的《石氏星經》中就有這些數據了，這證明那時就已經有渾儀了。在歐洲，首先系統地觀測恆星方位的人是約公元前三世紀上半葉的古希臘天文學家阿里斯提魯斯和鐵木恰里斯，他們比石申約晚六十年，而所用的儀器，現在已經是一無所知了；據托勒玫（約90—168）《天文學大成》中的敘述，他們用的可能是以黃道坐標為主的渾儀。利用沿赤道量度的大圓弧來表示恆星的位置是很方便的，因為所有恆星的周日運動（就是每天的東升西落）都是平行於赤道進行的；但是對於太陽來說就不合適了，因為太陽在恆星背景上的視運動軌道——黃道——和赤道有個二十三度多的交角。為了更方便地測量太陽的位置，東漢中期的傅安和賈逵（30—101）就又在渾儀上安裝了黃道環。可能是張衡又加上地平環（NFSF′）和子午環（NPE′SP′E），於是便成了完整的渾儀。《隋書·天文志》中介紹的東晉時候的前趙的孔挺於光初六年（公元323年）所作的渾儀是這種儀器結構方面的最早記載。北魏的斛蘭於永興四年（公元412年）用鐵鑄渾儀，在底座上添置了十字水跌，用來校正儀器的水準，這又是一個進步。到唐代初年，由於工藝水平和科學技術的發展，李淳風進一步把渾合儀由兩重改變成三重，就是在六合儀和四游儀之間再安裝一重三辰儀。李淳風把張衡渾儀的外面一層——地平圈、子午圈和赤道圈固定在一起的一層叫做六合儀，因為中國古時把東、西、南、北、上、下這六個方向叫做六合；把裡面能夠旋轉用來觀測的四游環連同窺管叫做四游儀。在這兩層之間薪加的三辰儀是由三個相交的圓環構成的，這三個圓環是黃道環、自道環和赤道環。黃道環用來表示太陽的位置，白道環用來表示月亮的位置，赤道環用來表示恆星的位置。中國古時把日、月、星叫做三辰，所以新增的這一重叫做三辰儀。三辰儀可以繞著極軸在六合儀里旋轉；而觀測用的四游儀又可以在三辰儀里旋轉。現在保存在南京紫金山天文台的明代正統二年到七年（公元1437年到1442年）間複製的渾儀，基本上就是按照李淳風的辦法做的，所不同的是把三辰儀中的白道環取消了，另外加了二分圈和二至圈（過春分、秋分點和冬至、夏至點的赤經圈）。二分圈和二至圈是宋代的蘇頌加上去的，白道環是同時代的沈括取消的。沈括取消白道環，是渾儀發展史上的一個轉折點，具有重要意義。在沈括以前，往往是增加一個新的重要天文概念，就要在渾儀上增加一個環圈來表現這個概念，儀器發展的方向是不斷地複雜化，儀器上的環越來越多。這樣就產生了一個缺點：環圈相互交錯，遮掩了很大天區，縮小了觀測範圍，使用起來很不方便。為了克服這個缺點，沈括一方面取消白道環，把儀器簡化、分工，再借用數學工具把它們之間的關係聯繫起來（「當省去月環，其候月之出入，專以曆法步之」）；另一方面又提出改變一些環的位置，使它們不擋住視線，他說：「舊法黃赤道平設，正當天度，掩蔽人目，不可占察；其後乃別加鑽孔，尤為拙謬。今當側置少偏，使天度出北極之外，自不凌蔽。」（《渾儀議》，見《宋史·天文志》）沈括把渾儀發展的方向由綜合和複雜化改變為分工和簡化，為儀器的發展開闢了新的途徑。元代郭守敬於元世祖至元十三年（公元1276年）創製的簡儀就是在這基礎上產生的。簡儀不但取消了白道環，而且又取消了黃道環，並且把地平坐標（由地平圈和地平經圈組成）和赤道坐標（由赤道圈和赤經圈組成）分別安裝，使除了北天極附近以外，全部天空一望無餘，不再有妨礙視線的圓環。簡儀的赤道裝置是：北高南低的兩個支架托著正南北方向的極軸，圍繞著極軸旋轉的是赤經雙環，就是渾儀中的四游儀。赤經雙環的兩面刻著周天度數，中間夾著窺管，窺管可以繞著赤經雙環的中心旋轉。窺管兩端架有十字線，這便是後世望遠鏡中十字絲的祖先。這樣，只要轉動赤經雙環和窺管，就可以觀測空中任何方位的一個天體，並且從環面的刻度上讀出天體的去極度數。把去極度數乘以360/365.25，再從90°減去這個乘積，就得到現代用的赤緯值。至於赤經數值，可以由安放在旋轉軸南端的赤道環求出。這種把赤道環不放在旋轉軸的正中腰而擱在南端的方法，在今天各國的天文台上安裝望遠鏡的時候，還廣泛地使用著。當然，今天的赤道環很小，而不是像簡儀中那樣，赤道環的尺寸和四游環的完全一樣。赤道環的環面上刻有二十八宿的度數；另有兩根「界衡」，每條界衡的心就是赤道環的中心，可以繞中心沿環面移動。每條界衡的兩端都用細線和極軸北端連接起來，構成兩個三角形，兩個三角形平面的夾角就是赤經差。觀測的時候把一個界衡形成的平面對準某宿的距星，把另一個界衡平面對準所要觀測的天體，就得到這個天體的入宿度。把入宿度加上從這個天體西側宿起到春分點所在宿止相應各宿的距度，並且減去春分點位置的宿度，然後乘以360/360.25，就是現代用的赤經值。在赤道環的內部，還固定著一個百刻環，用來承托赤道環，使它旋轉方便。百刻環等分成一百刻，又分成十二個時辰，每刻又分作三十六分，這是古代任何儀器上都沒有過的。用界衡來觀測太陽，從百刻環上得到的讀數就是真太陽時時刻。（由於太陽的視運動沿黃道，而百刻環和赤道面是一致的，因此，從簡儀上讀到的時刻和用漏壺測得的時刻實際上會有一些差別。）至於地平裝置，簡儀把它安放在赤道裝置北面支柱的橫樑底下。它由一對圓環組成。一個是平鋪的「陰緯環」，代表地平圈，環面上刻著方位。一個是「立運雙環」，代表地平經圈，垂直立於陰緯環上，並且可以繞軸旋轉。雙環中間夾有窺管，窺管可以繞立運環的中心旋轉。這樣，只要轉動立運環和窺管，就可以測出任一天體的地平經度和地平緯度。簡儀的設計和製造水平，在世界上遙遙領先三百多年，直到公元1598年丹麥天文學家第谷所發明的儀器才能和它相比。著名的《星雲星團新總星表》（NGC）的作者丹麥德雷耶爾（1852—1926）在評價簡儀的歷史重要性的時候指出，不少偉大的發明，常常在西方國家享有它們以前的許多世紀，中國人民就已經作出了。我們看現代化天文台里大望遠鏡的赤道裝置，尤其是英國式的類型，簡直就是從簡儀脫胎而來，不過和四游環、赤道環、百刻環相當的刻度盤不太注目而已。近代工程測量、地形測量和實用天文測量所用的經緯儀，從它的型式來看，方位角和仰角的地平裝置，也是簡儀陰緯環和立運環的結構。而航空導航用的天文羅盤，構造也和簡儀屬於同一類型。因此可以說，簡儀是所有這些近代儀器的原始形態。郭守敬等創製的簡儀，於清康熙五十四年（公元1715年）被傳教士紀理安（1655—1720）當作廢銅給熔化了。現今保存在南京紫金山天文台上的簡儀，和渾儀一樣，也是明代正統年間的複製品。就是這兩件複製品也是飽歷風霜。清光緒二十六年（公元1900年）八國聯軍侵入北京，法軍把簡儀搶去，運進法國大使館，過了幾年才歸還；德軍把渾儀運到德國波茨坦，第一次世界大戰戰敗後才歸還我國。公元1921年渾儀才由歐洲運回北京，1931年又發生了「九·一八」事變，國民黨政府又把渾儀和簡儀南遷南京。1937年12月南京淪陷，日本侵略軍到了紫金山，又把儀身損壞，龍爪砍斷，把許多附屬儀錶和零件弄得蕩然無存。「蕭瑟秋風今又是，換了人間。」解放以後，黨和政府在積極發展現代科學的同時，也高度重視保護古代文物。天文台、系、站、館不斷新建和擴充，保存在南京紫金山天文台的渾儀和簡儀以及其他天文文物也受到著意的保護和整修，作為祖國在天文學上偉大成就的象徵，激勵著我們攀登新的科學高峰。自然科學史研究所席澤宗
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