中国古代天文学的辉煌成就(3.3)天文仪器
中国古代天文学,最辉煌的成就主要有三个方面:1、天文观测与记录;2、是历法授时;3、天文仪表器具。本篇简要介绍古代的天文仪表器具。
古代天文仪器种类很多,但归总起来大概可分为四大类:观测类、记时类、演示类、综合类。
观测类
1、浑仪。是用来测量天体坐标和两个天体之间角距的。浑仪在汉代时候叫做“浑天”,这跟当时的“浑天说”天地结构有关。浑仪有三个部件,一、窥管,对着要观测的天体。二、读数环,显示馈管指向天体后的坐标读数。三、支撑架,用来承载窥管和读数环。支架和读数环是固定不动的,通过转动窥管来产看坐标。
2、简仪。浑仪的简化改良版。去掉了环圈重叠系统,又把赤道坐标和地坪坐标分开,方便观测。
3、仰仪。跟贵州的球面射电望远镜FAST,外观是一样一样的。锅内刻着赤道坐标,锅中心位置有个小孔,利用小孔成像的原理,把太阳像投射到大锅内壁上。这套设备避免了直接观日对眼睛带来的伤害,可以通过太阳投射的坐标来判断时间节气,还能计算日食。
4、复矩。用来测量各地的地理纬度。当时是按照测量“北极高度”来理解地理纬度概念的,分别测了登封、阳城、滑县、开封四地的北极高度。发现每隔151公里,北极高度差一度,这是世界上最早测量子午线长度的记录。但当时主要是用来修正历法的。
5、方正案。便携式观测仪。大概四尺长的方木板,边上有水槽用来校准水平位置。从中里到外,共19个同心圈,间隔一寸,最外圈刻有读数,正中间立着表。根据日影与同心圆的交点连线,可以确定正南正北正东正西的方向。古建筑能够正好坐北面南丝毫不差,是不是跟这个仪器有关呢?
6、牵星板。可以测量天体水平高度和两个天体之间的角距,多用于航海。据说郑和下西洋用的就是这项技术。端着牵星板,下沿与海平面相合,中间有一个固定的长线,上沿对准要测的恒星,目光顺着拉直的长线望去,三点一线后,其长线所在的位置就是星星的水平高度。
计时类:
1、漏刻。据说是原始社会,烧纸的陶器漏水了,嘟滴嘟滴的就来了灵感。于是人们就专门发明了这种仪器,通过滴水来统计时间。刻是用来看漏壶里面的水,到了那一刻了。《隋书》说的黄帝发明的。
经过数千年的反复实践和改良,大约是到商朝的时候,确定了一天是100刻,后来改成一日96刻。西汉的时候,精度已经达到日误差不足一刻。东汉日误差不足半刻。建国后,科学家在故宫用交泰殿漏壶做了实验,一天误差十分钟左右,滴水84公斤。
2、日晷。通过观测太阳影子的显示来计时。刻盘同样是分为100刻,夜间31刻不打刻度,中间插一立表。仪面随着赤道平面作倾斜摆放。这跟东西比较常见,不详细说了。
3、圭表。是度量日影长度。树立的杆子叫做“表”,水平有刻度的底座叫做“圭”。通过对日影长短的测量,可以确定日影最长的冬至日,和日影最短的夏至日。东汉时,已经有成熟完善的方法,来计量二十四节气。
演示类
1、浑象。模拟“浑天说”宇宙模型。按照已经掌握的天文资料,模拟天地结构、日月运转。基本形状是一个象征着天球的大球,上面布满了日月星辰,标注着南北极、黄赤道、二十八星宿、银河等。还有一个象征地平的部件。根据天动地静的宇宙观念,大球可以运动,带动日月星辰运转,里面有很多相互作用的机关。在汉代算是精密仪器了。
2、假天。据说是模拟“盖天说”宇宙模型。其他不详。
综合类(集以上三种功能为一身)
1、水运浑天仪。豪华版的浑仪。集观测、计时、观赏为一体。利用水利为其提供动力,通过巧妙的机关设计,可以模仿天体运动。还能表现出日落月升,测定朔望、报告时辰。
上面有两个木头人,一个报刻钟,每过一刻自动击鼓。一个报时辰,没过两个小时自动撞钟。这是世界上最早的机械时钟装置。后来因为防锈工作没做好,锈蚀严重不能运转了。
2、水运仪象台。豪华版浑仪的再升级。上层是浑仪,用来观测天象。中层是浑象,用来演示天地结构日月运转。底层是设备的动力机关系统,同样是水驱动。
第一层木阁之中是报时辰的设备,每两个小时红色小人自动摇铃。每到时辰正中,紫色小人自动扣钟。每隔一刻钟,绿色小人自动击鼓。第二层的木阁里面有二十四个小人,分别拿着十二时辰的初刻和正中,如:子初、子正、丑初、丑正。每到一层红色小人摇铃的时候,二层红色小人举着子初的牌子就出来了。一层紫色小人扣钟的时候,二层紫色小人举着子正的牌子就出来了。依次循环。
第三层更不可思议,有九十六个小木人,手拿着刻钟牌子。这时候的时刻已经由一天100刻改成96刻了。每当一层绿色小人击鼓的时候,相应的二层刻钟小人举着牌子就出来了。第四层木阁负责报告晚上的时辰,由一个小木人在日落、黄昏、各更、破晓、日出五个时间定时击钲。第五层木阁负责打更,每晚11更由11个红色小人持牌出现,每更5筹由30个绿色小人持牌。还有更不可思议的,是把冬至夜六十刻、夏至四十刻都给算进去了,可以通过机械自动完成每九天调整一刻。这层共126个小人。
要给这么多的小木头人提供动力,底层的设计更为复杂,用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理来实现。整套设备非常精美,在靖康之难中,被金兵掳走要往金国运送,但是因为设备太重,路上走的时间太长,干脆给损毁扔在了半路上。中国考古学家王振铎于1958年最先复原水运仪象台模型,目前复原件存放于中国历史博物馆。