天文儀器的製造

　　宋代製造過許多大型的天文儀器。如宋太宗太平興國四年（979）正月，來自四川的民間天文學家張思訓設計並於次年製成一台水轉渾象，通稱「太平渾儀」，起樓高一丈有餘。這台渾象改水力推動為水銀推動，以解決冬天因水流凝凍遲澀而影響儀器運轉速度的問題。與渾象運轉聯動的報時裝置，勝過東漢張衡及後來的一些同類儀器，小木人也增加到十多個。《宋史·天文志》載：「七值神左搖鈴、右扣鍾、中擊鼓，以定刻數。每一晝夜，周而復始。又以木為十二神，各值一時，至其時，則自執辰牌，循環而出，隨刻數以定晝夜長短」。七值神即七曜值日，實際上，這是一個帶有日曆顯示的時鐘，是採用星期制的報日和報時裝置。其中由金、木、水、火、土加日、月表示七值周期，以金曜日為七值周期之首。這種記日制度，早在唐代《符天曆》和五代時期的《調元歷》中已經使用，宋代建隆四年（963）起行用的《應天曆》中，也有七值內容。此外，在一天之內又分十二辰，由十二神輪流出現報出時辰，而時初、時正和刻數則分別由鈴、鍾、鼓聲報出。張思訓的儀器繼承和發展了唐代一行和梁令瓚的成果，並對後來的儀象設計產生了一定的影響。他也因創製儀器有功而升任司天渾儀丞。　　宋太宗至道元年（995），天文學家韓顯符製成一台供觀測用的銅渾儀，通稱「至道銅候儀」。大中祥符三年（1010）他再造一台相類似的渾儀，專門用於司天台培養觀測生的教學。此外，皇祐三年（1051）舒易簡、於淵、周琮等人製成黃道渾儀；熙寧三年（1070）沈括、皇甫愈等人製成熙寧渾儀。這些儀器每台用銅量都在兩萬斤左右，各自有一些新的創造。如皇祐渾儀，它的時間分劃一改在地平環上刻度的舊制，而改刻在固定的赤道環上，正確反映了天體位置隨時間變化的規律。熙寧渾儀簡化結構，從計算上去解決月亮在白道上的位置，將渾儀上的白道環取消，使用方便，而且提高了測量的精度。　　天體周而復始不斷地在天穹運動，不同時刻它們的位置不同，因此，在使用渾儀觀測天體時，相應地也要有良好的計時儀器，客觀需要提出了提高漏刻精度的要求。天聖八年（1030）燕肅發明蓮花漏，在多級漏壺（上匱和下匱）的最後一級漏壺（下匱）上部開孔（分水孔），使壺中的水位恆定地保持在孔下，多餘的水由孔經注水筒（竹注筒）流入減水盎。由於末級漏壺水位恆定，所以漏水均勻，提高了計時精度。皇祐初期，舒易簡、於淵、周琮等人又在蓮花漏的基礎上，再加一級恆定水位的平水壺，從而使漏刻的精度進一步提高。　　宋代最為精巧的天文儀器，當推蘇頌領導研製成功的水運儀象台。元祐元年（1086），蘇頌奉旨校驗天文院和太史局兩處的新舊渾儀，考察中他發現同一台儀器由不同的人去操作，所得測量結果不同，他們「各指得失，終無定論」。於是他想製造一種以水為動力，渾儀和渾象聯動並能與天同步運動的儀器。另外，一行、張思訓已將這種儀器與報時裝置集為一體，所以新的儀器還要同時解決報時問題。蘇頌首先遇到的困難是缺乏參考資料，正如他自己所寫：「張衡之制，史失其傳；開元舊器，唐世已亡」，本朝「太平渾儀，自思訓死，機繩斷壞，無復知其法制者」，所以製作新儀必須重新設計。經過蘇頌與精通數學、天文學並有巧思的吏部守當官韓公廉等人的反覆研究和精心設計，新儀從元祐二年（1087）開工製造，三年製成木樣，經鑒定和檢驗後，據此正式鑄造銅儀。元祐七年（1092），這座中國古代最宏偉、最複雜的天文儀器建成，宋哲宗賜名「元祐渾天儀象」，後人通稱「水運儀象台」。

　　蘇頌實現了將渾儀、渾象和報時結合於一體的設想，整座儀器使用水力為動力，經變速、傳動和控制使三部分儀器聯動並能跟蹤天體運行。儀器總高約12米，寬約7米，分上、中、下三層，底層是動力與傳動裝置和報時鐘，中層密室中轉動著的是渾象，上層為渾儀。渾儀上的望筒可對準並可自動跟蹤天體，而隨望筒運動的三辰儀時圈則可指示出時間的變化，此外，渾儀所在小室的屋頂可以啟閉，這與現代天文台上的望遠鏡轉儀鍾與活動圓頂作用相同。　　水運儀象台的報時部分也精巧絕倫。它共分五層，其中三層用於白晝報時，兩層用於夜間報時，共有承擔報時職能的木人254個，每個時辰分時初與時正，分別由左門小人搖鈴和右門小人敲鐘報出，每至一刻由中門小人擊鼓。第二、三層的木人分別舉辰牌與刻牌，當非正點辰刻沒有報時聲的時候可從牌上看出當時的時辰與刻數；第四、五層的木人敲鉦以報更，沒有報更聲的時候可從木人所舉更牌上看出更次。水運儀象台的整台儀器由水提供動力自動運轉。它的又一項重要發明是其「天衡」裝置，它類似於近代鐘錶的擒縱器（卡子），控制著儀器，使之均勻運動。　　國際科學史界對水運儀象台的評價極高，認為它是現代鐘錶的祖先。關於它留下了較詳細的記載，特別是其機械結構、裝配圖等都收於蘇頌所著的《新儀象法要》一書中。　　蘇頌還製造過另一台大型天文儀器，據《玉海》記載，它是一架假天儀，「大如人體。人居其中，有如籠象。因星鑿竅，如星以備。激輪旋轉之勢，中星、昏、曉，應時皆見於竅中。星官曆翁，聚觀駭嘆，蓋古未嘗有也。」據研究，這台儀器的主體是用竹條製成的球體，很像一個圓形籠子。表面上再用不透明的紙絹裱糊，並按星宿位置校算開孔①。人坐在密封的球內，球面上小孔透過來的光如同夜空中的繁星。這種便於演示和觀察天體運行的儀器，可以說是今日天象儀的鼻祖。　　宋代製造的天文儀器，數量眾多，精密複雜，並有不少創新，這是中國古代天文學發展進入高峰的重要標誌。

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