浑仪（古代的天文观测仪器）

理论背景

浑仪

命名简介

浑仪是以浑天说为理论基础制造的。在古代，“浑”字含有圆球的意义。古人认为天是圆的，形状像蛋壳，出现在天上的星星是镶嵌在蛋壳上的弹丸，地球则是蛋黄，人们在这个蛋黄上测量日月星辰的位置。因此，把这种观测天体位置的仪器叫做“浑仪”。

组成构成

浑仪是中国古代用于测量天体球面坐标的观测仪器。它是由一重重的同心圆环构成，整体看起来就像一个圆球。有资料表明，在公元前4世纪中叶，中国就已经使用浑仪观测天象了，比古希腊早约60年。

浑仪的最基本构件是四游仪和赤道环。四游仪由窥管和一个双重的圆环组成。窥管是一根中空的管子，类似于近代的天文望远镜，只是没有镜头。

双重圆环叫四游环，也叫赤经环，环面上刻有周天度数，可以绕着极轴旋转，窥管夹在四游环上，可以在双环里滑动。转动四游环，并移动窥管的位置，就可以观测任何的天区。赤道环在四游环外，上亦刻有周天度数，固定在与天球赤道平行的平面上。这样，就可以通过窥管观测到待测量的天区或星座，并得出该天体与北极间的距离，称“去极度”，以及该天体与二十八宿距星的距离，称“入宿度”。去极度和入宿度是表示天体位置的最主要数据。

一、多重环结构

浑仪的改进和完善，经历了一个由简而繁，而又由繁而简的历程。从汉代到北宋，浑仪的环数不断增加。首先增加的是黄道环，用以观测太阳的位置。接着又增加了地平环和子午环，地平环固定在地平方向，子午环固定在天体的极轴方向。这样，浑仪便形成了二重结构。唐代起，浑仪又发展成三重结构。最外面的一层叫六合仪，由固定在一起的地平环、子午环和外赤道环组成，因东西、南北、上下6个方向叫六合，故名。第二重叫三辰仪，由黄道环、白道环和内赤道环组成，可以绕极轴旋转。其中白道环用以观测月亮的位置。最里层是四游仪。北宋时，又增加有二分环和二至环，即过二分（春分、秋分）点和二至（夏至、冬至）点的赤经环。

二、简化、分立

南京紫金山天文台的明朝浑仪

为解决这两个缺陷，从北宋起即开始探索浑仪的简化途径。这个浑仪改革的途径由北宋的沈括开辟，元代的郭守敬完成。沈括由两个方面进行改革，一是取消白道环，借助数学方法来推算月亮的位置；一是改变一些环的位置，使遮蔽的天区尽量减少。

郭守敬取消了黄道环，并把原有的浑仪分为两个独立的仪器，即简仪和立运仪。

1、简仪

简仪由四游仪、赤道环和百刻环组成。赤道环的位置移至旋转轴的南端，这一方式，至今在各国的天文台上安装望远镜时，还广泛地被采用。百刻环的安装是一创新，环上等分成100刻，分为12个时辰，每刻又分作36分。

它固定在赤道环内，既可承托赤道环，又可得到真太阳时的读数。四游仪窥管两端各设有十字线，这是后世望远镜中十字丝的肇始。

2、立运仪

立运仪与简仪装于同一底座上，由两个圆环组成。一个是平铺的“经纬环”，代表地平环，环面上刻有方位。一个是“立运双环”，中夹有窥管，可测量天体的地平经度和纬度。

简仪和立运仪的设计和制造，在世界上领先300多年。近代天文台的赤道装置，测量仪器经纬仪等，都可从中找到其原始形态。

中国古代浑仪采用的是赤道坐标系统，比西方采用的黄道坐标系统要先进得多，已为各国天文台所广泛采用。

人们还可以在南京紫金山天文台，看到明代正统二年到七年（1437～1442）间制造的浑仪和简仪。

历史发展

中国浑仪的发明大约是在公元前四世纪至公元前一世纪之间（即战国中期至秦汉时期）。

史籍记载浑仪的制造始于汉落下闳。他是蜀郡人，汉武帝时应召到京师长安参与制订《太初历》。落下闳以他制造的浑仪观测天象，测定了二十八宿的距度、五大行星的运动情况等等，为制定《太初历》取得了第一手资料。浑仪并不是落下闳最先发明的，他说：年轻的时候就能做这种仪器，那时只根据尺寸制作而已。用这架只有赤道坐标的仪器来度量太阳月亮的运动，发现两者的运动都不均匀，这同西汉天文学家们的想法不同，于是大家都在找原因，后来发现，日月的运动都是沿黄道的（当时月亮依白道而行的认识还未达到），它们即使在黄道上均匀运动，以赤道来度量当然就是不均匀的了。

公元104年，东汉和帝下令贾逵另制一架仪器，用来测量日月的运动，他在浑仪上增设了黄道环，以黄道来测量日月运动，这就是我国历史上第一架黄道铜仪。

贾逵用他的黄道铜仪来测量日月的运动，发现太阳的运动显得均匀了（其实也应该是不均匀的，因他的仪器精度不够，当时也没有这样的认识），而月亮的运动仍是不均匀的。贾逵根据自己的实际观测，得出结论：月亮的运动是不均匀的。这一发现是改进仪器得到的第一个结果，它导致了历法的进步，也丰富了人们对天体运动的知识，为以后太阳运动不均匀的发现打下了思想基础。

唐代，由天文学家李淳风设计了一架比较精密完善的浑天黄道仪。

由于浑仪的圈环过于复杂、遮掩天区，影响观测，沈括取消白道环并改变一些环的位置。

元代郭守敬取消了黄道环，并把浑仪分为两个独立的仪器：简仪和立运仪。

典籍记载

《梦溪笔谈·极星测量》：天文家有浑仪，测天之器，设于崇台，以候垂象者，则古机衡是也。浑象，象天之器，以水激之，或以水银转之，置于密室，与天行相符，张衡、陆绩所为，及开元中置于武成殿者，皆此器也。皇祐中，礼部试《机衡正天文之器赋》，举人皆杂用浑象事，试官亦自不晓，第为高等。汉以前皆以北辰居天中，故谓之“极星”。自祖亘以机衡考验天极不动处，乃在极星之末犹一度有余。熙宁中，余受诏典领历官，杂考星历，以机衡求极星。初夜在窥管中，少时复出，以此知窥管小，不能容极星游转，乃稍稍展窥管候之。凡历三月，极星方游于窥管之内，常见不隐，然后知天极不动处，远极星犹三度有余。每极星入窥管，别画为一图。图为一圆规，乃画极星于规中。具初夜、中夜、后夜所见各图之，凡为二百余图，极星方常循圆规之内，夜夜不差。余于《熙宁历奏议》中叙之甚详。