秦汉时期用于观测天象的仪器——“测土深，正日景，以求地中”

在中国古代,天文观测和历法编制等天文活动都是由国家专门的机构负责运作的,这种专门的天文机构在秦汉三国时期叫太史令、太史局或太史监,其负责人既是天文学家又是政府官员,他们观天的地方一般叫作灵台或观象台。

由于久经战乱,历史上留下来的观天遗址并不多。目前所见最早的观象台是考古出土的陶寺遗址的古观象台,而秦汉三国时期保留下来的仅有东汉时期的位于汉魏洛阳城南郊的灵台遗址。该遗址始建于东汉建武中元元年,沿用至西晋,面积约4000平方米。灵台遗址的中心建筑是长方形夯筑高台,其基部长宽各约50米,地面以上夯台因历史原因,已非原状,现存夯土台高出地面约8米,台顶已坍塌呈椭圆形平面,是我国现存的最早的天文观测遗迹之一。

秦汉三国时期中国天文学取得重大进展,天文仪器的出现是天文学走向量化的必然结果,只有借助于各种天文仪器才能精确测定各种天文数据。在浑天说、盖天说等学说的推动下,中国古代的天文仪器发明主要有圭表、日晷、浑仪、浑象等。

（一）圭表

圭表是我国最古老、也是最常用的天文仪器,包括圭和表两部分。表是直立的标杆,圭是平卧的尺,表放在主的南端,并且互相垂直。当正午太阳光投射到表杆上,落在圭上的表影就有长有短,当太阳走到北回归线的时候,杆影最短,这时候叫作夏至;当太阳走到南回归线的时候,位置最低,杆影最长,这时候叫作冬至。夏至、冬至确定后,一年的季节就可以计算出来。

这是我国古代测定一年长度的唯一方法,其历史至少可以追溯到春秋中期,距今已有二千五百多年的历史。据《周礼?地官?大司徒》记载:当时"以土圭之法,测土深,正日景,以求地中","土圭"实际就是度圭,"土"有度量的意思。这是最早提到用土主测影的记载。

另据记载,三干年前,西周丞相周公旦曾在河南登封县设置过一种以测定日影长度来确定时间的仪器,称为"圭表" 。随着时间的推移,人们不断对圭表进行改进,从圭表的材料上看,最早由竹子、木头制成,发展到石圭表、铜圭表等;圭表的形态和结构,由小到大,由简单到复杂,测量的数据精度也大大提高。

汉代的圭表不仅用铜来铸造,而且表的尺寸已趋于八尺的规格。据《三辅黄图》记载:"长安灵台有铜表,高八尺,长一丈三尺,广ー尺ニ寸,题云:太初四年造" 。 "圭表的主要功能是测定冬至日所在,并进而确定回归年长度,此外,通过观测表影的变化可确定方向和二十四节气,编制历法,应用于农业生产。

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18世纪'铜镀金圭表合璧仪"故宫博物院清宫旧藏

汉代在我国天文学发展史上是一个重要阶段,有着许多卓越成就,特别是对星象的观察和历法的研究,尤为突出。天文仪器也不断地改善和创新。这些成就,不仅在许多古籍中有记载,秦汉三国时期出土的圭表也多以汉代为主。

目前考古出土时间最早的是2003年发掘的距今有4000多年历史的山西襄汾陶寺遗址出土的圭表,复制后于2009年夏至日被"陶寺史前天文台考古天文学研究"项目组进行印证测量,进一步证实了《尚书?尧典》"分命羲仲,宅嵎夷,宅芬模谎艄。寅宾出日,平秩东作。日中,星鸟,以殷仲春"的记载。而陶寺建筑基址出土的主表,也初步认定是尧帝时代的天文观测台。

197年,在安徽阜阳西汉汝阴侯夏侯灶墓(下葬年代为文帝十五年,前165年)中发掘出大量珍贵文物,其中一件漆器因功能不详而被称为"不知名漆器" 。经多年分析,该器物带有测定春秋分和冬夏至正午影长的功能,是迄今所见的我国历史上最早的主表实物,也是世界上现存的年代最早且具有确定年代的圭表。

与其他圭表不同,这件圭表适用的地理纬度是固定的,而我们的计算则表明,汝阴侯墓圭表的适用纬度就在汉代长安到汝阴侯国(今安微阜阳)一带。四个节气日影所在的位置不是用刻度表示,而是暗含在木块和漆器上的一些特殊图案和位置中。另外,学界对该墓出土"二十八宿盘"的功能争论不决。经研究,同墓出土的"栻盘架"可以把该盘支撑到赤道面内,从而形成迄今所见最早且具有确定年代的赤道式观测仪器

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汤若望地平式日晷，故宫博物院清宫旧藏

(二)日晷

日晷,有两种解释、一是指太阳的影子,二是指古代人类利用日影测得时刻的一种计时仪器,又称"日规" 。我们所说的天文观测仪器取后者的意思,其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻,通常由晷针和晷面组成。日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘构成。铜制的指针叫作"晷针",垂直地穿过圆盘中心,起着圭中立杆的作用因此,晷针又叫表;石制的圆盘叫作"晷面",安放在石台上,呈南高北低,使晷面平行于天赤道面,这样,晷针的上端正好指向北天极,下端正好指向南天极。晷面两面都有刻度,分子、丑、寅、卯、辰、已、午、未、申、酉、戌、亥十二时辰,每个时辰又等分为"时初"、"时正",这正是一日的24小时。

由于从春分到秋分期间,太阳总是在天赤道的北侧运行,因此,晷针的影子投向晷面上方;从秋分到春分期间,太阳在天赤道的南侧运行,因此,晷针的影子投向晷面的下方。所以在观察日晷时,首先要了解两个不同时期针的投影位置。日晷依晷面所放位置、摆放角度、使用地区的不同,日晷可分成地平式赤道式、子午式、卯西式、立晷式等多种,应用范围也不尽相同。按晷面的摆放角度,可分为地平式、垂直式、赤道式。这项发明被人类所用达几千年之久,然日晷的不足之处是阴雨天和夜里无法使用,故常常与漏刻配合使用。日晷不但能显示一天之内的时刻,还能显示节气和月份。

人类使用日晷的时间非常久远,据说古巴比伦人在远古时代的6000年前就开始使用了,而最早的考古发现是古埃及帝王谷发现的3300年前的日晷。据说中国是在3000年前的周朝才出现。文献记载《周髀算经》卷上:"故冬至日晷丈三尺五寸,夏至日晷尺六寸。冬至日晷长,夏至日晷短。 "

(三)浑仪

浑仪在先秦时代就已存在于马王堆帛书《五星占》、《石氏星经》和《准南子》等早期文献记载中,并且都给出了精确的五星会合周期和二十八宿距度,这些数据显然只有借助相当精确的仪器才能获得。

西汉中期的天文学家落下闳改进了浑仪,他用浑仪观测天象,测定二十八宿距度和五星运动,为《太初历》的制定作出重要贡献。落下闳是浑天说的创始人之一,经他改进的赤道式浑仪,在中国用了近2000年,在天文史上首次精确地推算出135个月的日、月食周期,即11年应发生23次日食,根据这个周期,人类可以对日、月食进行预报,并可校正阴历。

浑仪的发展经历了由简到繁再由繁到简的过程,早期的浑仪结构如何已不可知,只有东晋孔挺制造的一具浑仪可以了解其结构。该浑仪分内外两重,外重固定不动,包括地平环、赤道环和子午环,地平环、赤道环都是单环,子午环是双环,子午环与天球南北极的位置相连,并各开有一个圆孔,圆孔中心的连线就是天球的极轴。

赤道环和子午环分别与地平环相交于东西南北四点,这四个位置装有四根托柱支撑整座仪器。内重可以移动,包括四游环和观测用的窥管,四游环的双轴和双环之间夹有一只方柱圆孔的窥管,或曰衡,这是浑仪的关键部位,衡的中腰固定在两轴的中心,以便窥管绕双环中心沿四游环旋转。因此,随着四游环围绕极轴的旋转,窥管就可以指向天空的任何一点。汉代的浑仪不会比这更复杂、更精确。公元二世纪初,东汉贾逵在浑仪上增加了黄道环,用来测量日月五星的运动,此改进出自民间,比起东晋孔挺制造的浑仪就简单得多。

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故宫博物院清宫旧藏浑天仪

(四)浑象

浑天说的产生不仅导致了浑仪的产生,而且导致了浑象的产生。浑象是古代浑天家用来演示天球周日运动的仪器,类似于现代的天球仪,基本结构是一个圆球,在球面上标有星辰和黄道、赤道等。扬雄在《法言?重黎》中说最早创制浑象的是耿寿昌,然而真正有明确记载的是张衡的作品,张衡于公元二世纪造浑天仪,著有《浑天仪图注》和《灵宪》等。这是一种浑象与漏壶相结合的似器,又称水运浑天仪或者漏水转浑天仪开启了中国古代水运仪象的新阶段。他在浑象上装置了一套齿轮机械传动系统,这套系统安装在密室之中,用漏壶的流水推动转动,然后两个观测者分别在密室中和观象台上,把浑象所显示的星象位置和天上的实际星象进行比较。张衡的水运浑象对后来的仪器制造影响很大,此后,浑象大多采用以漏壶流水,通过齿轮系统带动浑象均匀旋转的办法。

张衡利用这套装置还带动了瑞轮蓂英的机械日历,随月亮圆缺表演阴历月中日期的推移。水运浑天仪还是机械天文钟的祖先。但是张衡的水运浑天仪并没有流传下来,考古也暂未发现据《隋书?天文志》记载,张衡之后,三国的吴陆绩和王蕃都制作过浑象,其中吴国葛衡继承了张衡机械转动浑象的传统。

秦汉时期用于观测天象的仪器——“测土深，正日景，以求地中”// //

“七政仪”故宫博物院清宫旧藏