中国古代观天仪器-浑象

在我国古代,有一些比较著名的天文类书籍,比如宋朝天文学家苏颂的介绍一些天文观测仪器的《新仪象法要》,清朝有根据玑衡抚辰仪等天文仪器测量3083颗恒星坐标位置的《仪象考成》,等等。这些书名中都有"仪象"两字,在介绍浑仪的时候说过,仪象分别指的是不同的仪器,仪指的是观测天象的仪器,而象则是模拟天象的仪器。

我们以前可能接触过"浑天仪"这个词,有人会把浑仪与浑天仪搞混,以为指的是同一种仪器,其实不是的。浑天仪应该是浑仪和浑象的总称,而不是单指的浑仪。

那么浑象又是一种什么样的仪器呢?我们接下来对浑象做一些介绍。

浑象是我国古代创造出的一种模拟天体视运动的仪器,现代我们叫做天体仪或者天球仪,而浑象就是天球仪的早期雏形。

浑象模型

浑象是将日月、28宿等天体以及赤道和黄道都绘制在一个球面上,可以让人不受时间的限制,随时了解当时的天象。比如白天可以看到当时在天空看不到的星星和月亮,而夜晚和阴天也可以看到太阳所在的位置。利用浑象可以演示日月星辰东升西落的时刻和方位,还能形象的说明冬夏昼夜长短的变化道理,因此,具有很大的实用价值。

扬雄在《法言》中提到:落下闳提出了浑天学说,鲜于妄人用浑仪来测量天体位置,而耿寿昌则演示了按照浑天说所描述的天球运动。也就是说耿寿昌在根据浑天说和在浑仪的基础上,制造了浑象可以演示天体在天球上的运动。

我国第一架浑象大约是公元前70~50年间由耿寿昌创造的,耿寿昌在汉宣帝时任大司农中丞,曾长期观测日月运动,发现了日月运动按照赤道度数计算的不均匀性。因为黄道和赤道有交角,日月依黄道运行,但却是按照赤道度数测量所导致。他以"圆仪度日月行",这可能就是以浑象来度量这两者的关系,而圆仪所指的可能就是浑象。

浑象模型

耿寿昌的浑象为一周长7.35尺(1.54米)的球体,球面上绘制了表示赤道的大圆圈,并划分为365.25度,同时把星体标注在球面上相对的位置上。

耿寿昌建造的浑象我们已经找不到更详细的介绍了,目前对浑象比较详细的介绍是《隋书 天文志》中的记录。根据记录,浑象上刻有28宿、周天的分度以及紫微垣、中外官的星官,用来俯视日月五星在其上运行。浑象安装在浑象六合仪的天经双规和地浑单环内周围用木柜承载。浑象中穿有转轴,轴在浑象南北极伸出。地浑单环水平放置在木柜面上,天经双规与地浑单环垂直相交,并固定。

这样天经双规就有一半在地平之上,另一半在地平之下。浑象转轴北端穿在天经双规的上杠孔中,端面与杠面相平,转轴高出柜面35又1/6度,模拟北极的高度。沿着浑象的赤道制成478个齿牙,与天轮啮合,再经有机轮连接到地毂,以驱动浑象转动。

浑象六合仪和地柜

上图中的上方为浑象六合仪,是由天经双规和地浑单环组成,双规直径5尺4寸7分(约162cm),厚8分(2.37cm),垂直安装在木柜中。单环的直径为5尺4寸7分(约162cm),宽3寸7分(约11cm),厚1寸5分(约4.4cm),水平安装在木柜上。浑象安装在六合仪中,一半在地平之上,一半在地平之下,以显示浑象南北极的位置。

上图中的下方为木制的

地柜,柜内安装有天轮,天轮与浑象上的赤道牙啮合,可以驱动浑象随着天轮转动。

浑象的形状是球形,直径为4尺5寸6.5分(约135.1cm),表面上有周天365.25度的分度线、中外官星官,总计包括246个星官,1281颗星。紫微垣在浑象北部,包括37个星官,183颗星。这两项一共是283个星官,1464颗星。

沿着浑象的东西方向绕有黄道和赤道,28宿分布在四方,日、月、五星各自有自己的路径。浑象中穿有转轴,转轴沿南北方向安装,赤道上有齿牙,与天轮啮合。天轮转动,便带动浑象转动。

浑象球的结构

浑象球的动力及传递结构

浑象球的北部是紫微垣的星图,包括37个星官,183颗星,分布在浑象北部的上规中,用来决定天地的南北方向。北斗七星在紫微垣内,用来决定四季的早晚。

《天文志》中说:中宫。北极五星、勾陈六星,都在紫微垣中。北极五星,即北辰,是最尊贵的星官,其中的纽星,是天的转轴。天运转无穷尽,日月星辰交替,而极星则不移不动,所以说"居其所而众星拱之"。古人认为纽星就是天极,在正北,作为天心,静止不动。

紫微垣星宿

所以,浑象的转轴就通过纽星,纽心静止不动,自天极向外,群星都随着浑象转动,自右向左旋转,模拟天球的运动。古人说天的形状像车上的盖顶,就是把天极比作盖顶的杠轴,28宿比作盖顶上形似轮辐的盖弓。

北斗七星,又称作璇玑玉衡,其中魁四星称为"璇玑",杓三星称为"玉衡",北斗指示时节的方式是黄昏时分看杓的指向来判断。斗是天帝的坐车,运转于天的中央,英明的统治者四方。

北斗七星

立冬后,杓指向亥位,自此之后,阴气支配时节,万物衰败收缩,所以称为"虚";立夏后,杓指向巳位,自此之后,阳气支配时节,万物繁衍茂盛,所以称为"盈"

北斗七星及方位和节气

除开紫微垣的星官,浑象上还有中外官星图,包括了246个星官,1281颗星,分布在四方,遍及整个天球,只有南极低于地平,总是隐而不现。因为在我国地区,天球南极附近的星星是看不到的,因此在浑象上也是空白。除紫微垣的天体总是现而不隐外,其余星辰靠近太阳时就隐而不见,远离太阳时就会出现,四季交替显现。

古人将星官分作三种颜色来标记,出于石申的星官标为红色,出于甘德的星官标为黑色,出于巫咸的星官标为黄色。

部分赤道附近星官

古人通过仰视星图和俯视浑象来观测天象,以便从中发现天意的预兆,并据此来处理实际事物。所以,帝王要面向南方来治理天下,要观测28宿的中星情况,查看北斗的指向,顺应天的时节来发布命令。

浑象的产生和发展与浑天说宇宙论的发展是直接相关的,自汉代张衡之后,一些主张浑天说的天文学家都制造过浑象。

三国时期吴国的陆绩、王蕃都制造过浑象,《宋书 天文志一》中记载"汉末吴人陆绩善天文,始推浑天意"又引王蕃的介绍"而陆绩造浑象,其形如鸟卵。",王蕃也是一位浑天家,他认为古代浑象中圆周二分为一度太小,众多星辰安排太过拥挤;而张衡以四分为一度又太大,转动不便。于是他主张以三分为一度,凡周天一丈九寸五分四分之三。

另外,吴国的葛衡,南朝宋的钱乐之,南朝梁的陶弘景也都制造过浑象,这些浑象的特点是在天球中心都有一个不动的地球。

唐代著名的浑象是一行与梁令瓒制造的浑天铜仪,在开元11年制成,这是一具依靠漏水转动的浑象,其特点是在浑象球外,还有日、月两个轮环,也受水带动,可显示出日月在天球上的运动。

在宋代,浑象基本被发展到了极致,苏颂和韩公廉一同建造的水运仪象台,不仅以水作为动力,还将浑象与浑仪,报时等机构整合在一起,成为古代天文仪器的巅峰之作。

目前,我们可以见到的最早的浑象都是清代制造的,其中一台安置于南京紫金山天文台的浑象,是仿制明代浑象所制。原明代浑象在八国联军入侵北京时被洗劫,下落不明,清政府在1903年按原比例缩半铸造,球径三尺,上嵌有1449颗铜钉,代表全天星星。另标有黄道、赤道、银河等。

南京紫金山天文台浑象

清代复制的明浑象

另一台清代浑象在北京古观象台,是康熙年间南怀仁所造,铜球直径2米,支架上有地平环及子午环,铜球南北极点有轴,铜球可绕极点旋转。铜球表面刻有黄赤道、黄道十二宫及恒星,子午环及地平环上均有360度刻度。

据《清史稿 天文二 仪象》记载,这个浑象还有一个地平经弧,上有游表,在北天极上还装有时盘,可随天球一起转动,也可单独转动。浑象下方设有杠杆装置,可调节浑象的角度,可演示不同纬度地点的天象。而浑象上的天体,按照亮度的不同,以大小不同的铜钉区别。

北京古观象台的清代浑象

浑象的发展,直接受天文学的发展影响,同时受到冶金、铸造、机械等制作技术的影响,另外还与数学发展有关。

在我国古代,浑象与其他天文仪器一样,是皇权的代表,是礼器的重要部分,因而受到帝王的直接控制,普通百姓是很难接触到的。但是,浑象对我国古代天文学的发展还是起到了不可缺少的重要作用。