3 天文仪器——《新仪象法要》
1998-12

3 天文仪器——《新仪象法要》图片（共1张） : 在我国历史上,天文仪器的种类很多,有测角的,有测时的,有演示性的,有的还将几种仪器联在一起使用。其中圭表、漏刻、浑仪和浑象是最为常用的。我国最早使用的天文仪器大概是表,也就是《周髀算经》中的“髀”,通过测量表杆影子的变化,可以确定方位、时刻和节令。后来为了提高精度,在表下又加了一个平正的标准尺,这就是《周礼》一书中多次出现的“土圭之法”,所以这种测影仪器又叫圭表。由圭表又发展出多种多样的测影仪器,如下面装有罗盘或时间刻度盘等,它们又统称日晷。秦汉时期就已有了专论日晷的著作,《汉书·艺文志》中记有《大岁谋日晷》29卷、《日晷书》34卷。
漏刻的起源也很早,传说是黄帝发明的,考古研究认为在公元前三四千年我国就开始使用漏刻计时了。早期的漏刻只有贮水和受水两个壶,由于结构简单,所以要许多人轮流看守。《周礼》是我国最早提到漏刻的文献,上面记载掌管漏刻的人员,自挈壶氏以下,有20人之多。后来,人们又在贮水壶上加一个能够飘浮的小箭,上有刻度,随水位降低而显示不同的时间。秦汉时,已有浮箭式漏刻,也就是将有刻度的小箭放在受水壶中,随着水量增多而逐渐上升。这样改革,便于在贮水壶中添水,以保持水位和流速的稳定,也为发明多级补偿式漏刻创造了条件。多级漏壶,就是用上一级漏壶漏出的水来补充下一级漏壶的水位,使其保持其本稳定,补偿壶越多,最下面的漏壶的水位就越稳定,计时也就越准确。东汉张衡《浑天仪图注》中记“漏水转浑天仪”里用的是二级漏壶,是我国这项发明的最早记载。汉代专论漏刻的著作还有《常符漏品》和霍融的《漏刻经》等。魏晋南北朝时,漏刻又有重大发展,有许多改进和发明,漏刻专著就有十几种。晋代孙绰的《漏刻铭》最早记载了三级补偿式浮箭漏;梁代陆倕〔chui垂〕的《新漏刻铭》记载了祖暅用龙口承接吐水,避免了水波激荡,不易读刻数的发明。公元5世纪,北魏道士李兰发明了秤漏,即用中国秤称量流入受水壶中水的重量的变化来计量时间,其详细结构都记载于李兰所著的《漏刻法》中。该书中还记有一种称为“马上奔驰”的漏刻,顾名思义,这是一种便携式的漏刻,可以在骑马出行时计量时间。
浑仪和浑象,前者是观测仪器,后者是演示天象的仪器,两者的理论根据都是浑天说,因为它们都是以圆形的天球作为观测和演示对象。浑仪约创制于公元前4世纪至公元前1世纪之间,据西汉末杨雄《法言》中的记载,汉武帝时落下闳〔hong洪〕曾制造过一架浑仪,另一位天文学家鲜于妄人用它来观测。一般认为原始的浑仪可能由两个圆环组成,一个是赤道环,其平面和赤道面平行,上面刻有周天度数;一个是四游环,也叫赤经环,能够绕着极轴旋转,上面也刻有周天度数。在四游环上附有窥管,可以绕着环的中心旋转。旋动四游环和窥管,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。为了便于测定太阳的位置,东汉的傅安和贾逵在前人浑仪的基础上又增设一个黄道环。张衡时又增加了一个地平环和一个子午环,至此,我国古代创制的浑仪就基本定型了。东晋时期前赵孔挺制造的一架浑仪,在浑仪发展中有着重要的地位。这架浑仪去掉了黄道环,使浑仪外重变成由地平、赤道、子午三个相交的大圆环组成的固定骨架;内重的四游环则变成直径八尺的双环,双环直径中间夹着可以转动的望筒。孔挺的浑仪是我国最早有详细结构记载的浑仪。
和浑仪一样,浑象的发明也是一个谜,我们只知道西汉宣帝时耿寿昌曾制造过浑象。浑象的基本结构是在一个象征地平的圈或框中,架着一个可以转动的象征天球的大圆球;大圆球上布满星辰,画有南北极、黄赤道、恒显圈、恒隐圈、二十八宿、银河等等。由于大圆球的转动带动星辰也转,在地平以上的部分就是可以见到的天象了。东汉时期张衡曾发明了用漏壶中的流水推动浑象与实际天象同步运转的水运浑象,并且附有一个叫蓂荚〔mingjia明夹〕①的机构,是一个自动的机械日历。《浑天仪注》实际上就是这架仪器的说明书。张衡的发明开创了后代制造自动运转仪器的先声。魏晋南北朝时,又造过多架浑象,刘宋元嘉十七年(公元440年)钱乐之造的小浑象,以白、黑、黄三色珠为星,以区别甘德、石申、巫咸三家星官。当陈卓的著作散失后,这是后世记载三家星官的主要依据。
由前面的叙述我们可以看出,至南北朝时期为止,我国的天文仪器有了很大发展,并且出现了许多专著,可惜除了极少部分外,大多都没能流传至今。像北朝信都芳写的《器准图》,全面介绍了浑仪、候风地动仪、漏刻等天文仪器,且图文并茂,十分珍贵,也没有流传下来。我们今天之所以能了解南北朝以前天文仪器的发展情况,不能不感谢唐代的李淳风,他为我们留下了《晋书·天文志》和《隋书·天文志》两部重要著作。在两书《天文志》中,李淳风对前代仪象的发展情况进行了考证和追述,并作了简要总结。像前赵孔挺的浑仪的详细记载就见于《晋书·天文志》。由此开始,历代史书《天文志》都将天文仪器的制造和发展列为重要内容。
唐代是我国天文学发展的一个重要时期,在天文仪器的制作上也谱写了新篇章。在这方面,李淳风也是一个承前启后的重要人物。他所制造的浑仪又加了黄道圈、白道环,而且根据实际天象,二环位置可以转换。从李淳风开始,中国传统浑仪的三重圈结构(即六合仪、三辰仪、四游环)已基本固定下来,成为后代浑仪的定式。李淳风著的《法象志》是一本天文仪器著作,记载了他的研究成果。开元年间,僧一行和梁令瓒〔zan赞〕又造了一架浑仪。这架浑仪在外重的六合仪上去掉赤道而增加了卯酉圈,因而外重为子午、卯酉、地平三圈交合,中间的三辰仪,也由三个大圆构成,赤道上每隔一度打一圆孔,表示赤道与黄道的交点。黄道环根据实际天象放到相应的一对圆孔中固定。这样的装置可使黄道在赤道内游动,故名黄道游仪。一行等人的浑仪达到了完善阶段,但其结构的复杂性也达到了高峰。为了实现唐玄宗要求制作更精巧的天文仪器的愿望,一行和梁令瓒又研制了“开元水运浑天俯视图”。这是继张衡和隋朝耿询之后的第三架水运浑象。这架浑象在天球外又增套了两个环,一个环上运行太阳,一个环上运行月亮,并有木人击鼓敲钟报时。一些研究人员认为这架水运浑象已使用了擒纵装置。关于一行等人的工作,《新唐书·天文志》和《旧唐书·天文志》都有记载。
宋元时代是我国天文仪器发展的高峰。宋代从太平兴国四年(公元979年)至元祐七年(公元1092年)不到百年内,创制了五大浑仪,每架用铜都达两万斤左右,在数量和规模上为历代王朝之冠。据《宋史》记载,燕肃在公元1031年发明了莲花漏壶,首次使用了漫流系统,也就是在漏壶上部开孔,使多余的水由此溢出,以保持水位的恒定。燕肃的发明最终取代了唐宋以来普遍使用的秤漏。宋代对天文仪器的改革是全方位的。1074年沈括向朝廷连上三道奏本——《浑仪议》、《浮漏议》、《景表议》,后人合称《浑仪浮漏景表三议》。这是中国古代重要的天文仪器专著。在三篇奏本中,沈括回顾了历代天文仪器制作的历史及其优缺点,提出了改革建议。如在漏刻上考虑到水流量、水粘滞性、漏管的长度和半径对计时精确度的影响;在测影时建议把圭表放在密室中,让阳光从狭缝中穿入,以减少灰尘对阳光的散射。特别是他在浑仪制作上省去了白道环,将黄道环和赤道环固定,减少了多环对天空的遮挡。沈括的这项改革是浑仪由简至繁,再由繁至简的一个转折点。在宋代,曾两次制造水运仪象,一次是太平兴国四年张思训的“太平浑仪”,用水银代替水作为浑仪的动力是他的一大革新。另一次就是苏颂等人制造的著名的水运仪象台,这是天文仪器史上的一个杰作,其结构苏颂在《新仪象法要》中有详细的说明。宋代的天文仪器专著还有许多,光漏刻专著就有近20种,其中南宋颜颐仲的《铜壶漏箭制度》是中国古代流传至今的所有漏刻著作中最为完整的一部。
元代是我国天文仪器制作的鼎盛时期。在这一时期对天文仪器的研制做出巨大贡献的功臣当首推郭守敬。他先后设计制造出简仪、高表、窥几、仰仪、正方案、玲珑仪等十几种新天文仪器,其中最重要、最有独到之处的是简仪和高表。为了避免多环遮掩星区,妨碍观测的弊病,他将传统的浑仪分解为赤道经纬仪和立运仪两大部分,并在窥管两端加上十字丝,创造了结构简单奇巧,便于观测,精度更高的简仪,最终完成了我国浑仪发展史上由繁至简的改革。高表是郭守敬在前人基础上的又一大革新。元之前的圭表一般高八尺,而郭守敬大胆地把表高增到四丈,并在表上增一水平横梁,在圭面上设一利用小孔成像原理制成的景符。当太阳、横梁和景符小孔连成一线时,圭面上形成的太阳和横梁的倒影,清晰可见,大大提高了观测精度。郭守敬创制的天文仪器在当时世界上是领先的,《元史·天文志》中为我们保存了较详细的资料。
明代在天文仪器上没有多大发展,所造的仪器也大多是仿制前代的。明末清初,西方天文学传入我国,像南怀仁的《灵台仪象志》、《崇祯历书》等,都大量介绍了西方天文仪器。因此,在天文仪器制造上出现了中西合流的趋势。
《新仪象法要》
《新仪象法要》是北宋科学家苏颂撰写的介绍中国传统天文仪器制作的专门性著作,由于图文并重,也可称是一本古代天文仪器的专门设计书。该书是中国古代最重要的天文仪器专著之一。
苏颂(公元1020——1101年),字子容,泉州同安(今福建同安)人,出生于官宦家庭,受过良好的教育。仁宗庆历二年(公元1042年)中进士,曾担任过馆阁校勘、集贤校理、尚书左丞和尚书右仆射等官职。苏颂博学多才,对“图纬、律吕、星官、算法、山经、本草”等无所不通,曾组织医官增补《开宝本草》,并著有《嘉祐补注本草》和《图经本草》等。苏颂于元祐元年(公元1086年)奉诏“定夺新旧浑仪”。他在前人水运浑象设计的基础上,提出将浑仪、浑象、报时装置结合一起用漏水来运转的设想,并找到了能实现这一设想的吏部令史韩公廉。韩公廉天性机巧,知晓天文,精于算术,在水运仪象台的建造中起过重要作用。水运仪象台建成后,苏颂就水运仪象台的各部分的形制写成一部技术专著——《新仪象法要》。该书于绍圣初年完成,呈进宫廷,一直藏于宫廷秘阁,所以极少流传。宋室南迁后,为重建水运仪象台,曾两次访求本书。南宋乾道八年(公元1172年)吴兴施元之将此书刻印,方使此书流传于世。
《新仪象法要》一书分上、中、下三卷。卷上主要包括两部分内容,一是苏颂所作的“进仪象状”,二是对仪象台上所用浑仪结构的详细介绍。在“进仪象状”中,苏颂首先叙述了他奉命对当时太史局和天文院所用浑仪进行考察的结果,以及水运仪象台制作的始末。随后,苏颂又简单回顾了自张衡以来的仪象发展史,重点介绍了一行、梁令瓒的开元水运浑天俯视图和宋初张思训的太平浑仪。他把古代仪象分作三类,即单纯用于观测的铜候仪,能自动演示恒星中天等天象的浑天仪,以及用以描绘周天星官分布的浑象(天球仪),指出新制的水运仪象台汲取了各家仪象之长,以自动装置联接浑仪和浑象,达到了“制备二器而通三用”的效果。

在介绍台上所用浑仪结构时,苏颂先介绍了该仪的总体结构和六合仪、三辰仪、四游仪三个主要组成部分,然后又对三个主要部分的零件一一详细描述,包括零件的名称、尺寸与作用等。全部文字共配图17幅,是现存最详细最直观的一部古代浑仪资料。据苏颂的介绍,这架浑仪上增加了一个“天运环”,它实际上是平行于赤道环的一个齿轮,口径比赤道环小。天运环由恒定转速的“枢轮”经过齿轮系统的换向和变速等一系列调节,可以带动浑仪中的四游环的窥管追随天体运动,进行跟踪观测。天运环的功能与现代天文望远镜上的转仪钟的功能大体相似,但它的诞生却比西方出现的转仪钟早好几个世纪。
该书卷中介绍台上所用的浑象,包括三部分内容。首先是浑象结构,有图三幅,仍是按总体到部分一一说明。其次是浑象上的星图,共计五幅。这五幅星图可分为两套全天星图。一套由一幅圆图及两幅连续的横图组成,圆图画的是以北极为中心的拱极的紫徽垣〔yuan原〕星官,横图则以赤道为对称轴,标画出恒显圈到恒隐圈之间的星官。另一套是由两幅分别以南、北极为中心,以天赤道为边界的圆图组成,分别叫做浑象南极星图和浑象北极星图。这五幅星图上共有283官和1464星,是目前我国古代流传下来的最古老、最完整的星图之一。经学者们研究计算,认为这些星图是根据北宋元丰五年(公元1082年)在开封实际测量后绘制的,各星座的相对位置准确无误,是当时世界上最完备的科学星图。另外在绘图技术上,它采用正圆柱投影法和天顶等距投影法,都比西方早四个世纪以上。
卷中的第三部分是介绍四季(春、秋二分,冬、夏二至)昏旦中星①,资料分别取自《礼记·月令》的记载、僧一行的观测和宋代元丰年间的观测结果,共绘有九幅中星图。
《新仪象法要》的卷下主要介绍仪象台的机械结构和工作原理。机械结构也是从整体到局部,从驱动、传动及控制装置,到演示、报时机构一一剖析,分述其构造、形状、尺寸和功用,并配有插图25幅。依靠苏颂的描述,我们知道:这架仪器高约12米,宽约七米,是一座上狭下宽的呈四方台形的木结构建筑。它分上、中、下三层。最高层为平台,安放着一台浑仪,浑仪上面还覆盖着一个“摘脱板屋”,可以根据观测需要自由启闭。这是世界上最早具有活动屋顶的天文观测室,比公元1561年普鲁士卡塞尔天文台的活动屋顶要早四个多世纪。仪象台的中层是间密室,放置浑象,与天体同步运转。下层是报时系统,有五层木阁,层层有门,层层木阁都有木人可以开门而出,随着浑仪、浑象的运转,它们或敲钟,或击鼓,或摇铃,或示牌,及时报时。整台仪器以流水作动力,漏壶和机械传动装置在木阁后面,通过“天衡”控制,使整台仪器均匀运转。据学者研究,这个叫“天衡”的装置是一组杠杆,类似于现代钟表中的擒纵装置。这项发明又比欧洲早了600多年。
《新仪象法要》不仅是一本极为重要的天文仪器著作,同时也是一本机械工程著作,对研究北宋时期的机械技术水平有重要意义。该书中有图57幅,其中机械插图采用透视和示意两种画法,准确无误地反映了各种部件的尺寸比例和相互关系,可以说是我国保存下来的最古的完整机械图纸。这些图和文字说明为我们后人研究这一巨大发明提供了宝贵史料。根据《新仪象法要》一书,1958年中国历史博物馆成功地复原了一架木制的、为原大1/5的水运仪象台模型,1989年北京天文馆与福建省同安县科委合作,再次复制成原大1/8的模型。