我国古代先民为了能够更方便更精准的观测天象发明了一些用于观测天象的仪器称作仪象实际上仪和象分别有其含义其中仪指的是测量天体位置的仪器而象指的是演示天体运动的仪器
在介绍仪器之前我们先介绍一下天文观测的坐标这样对后面介绍和理解观测仪器比较有帮助
我们在地球上观测天空一般来说是把地球作为观测中心以一个无限半径的假想球体作为天球我们看到的日月星辰的影像都投影到天球上成为我们看到的星星将地球的自转轴延长在天球上得到两个交点北方的是北天极南方的是南天极将地球赤道投影到天球上就叫做天赤道
一个天体和天赤道之间的角距叫做赤纬和天极的角距叫做去极度而天赤道上以春分点作为原点与春分点的角距叫做赤经我国古代一般将某颗星与它所在的星宿中的距星在天赤道上的距离叫做入宿度我们就是用去极度和入宿度来表示天体在天球上的位置这种方法类似现在的赤道坐标系注意这两个概念在后面的仪器上会用到的
赤道坐标系
太阳在一年时间中会在天球上走过一个圆这个圆叫做黄道以黄道为基础以黄经黄纬组成的坐标叫做黄道坐标系一般用来测量太阳和月亮的位置
黄道坐标系和赤道坐标系
而不管赤道和黄道就以地平线和天顶作为基准而建立的坐标就叫做地平坐标这种坐标相对比较好理解和接受用地平坐标表示天体的高度和方位是最为直观的我国古代的地平坐标最初只有地平经度曾广泛用于测量太阳出没的方位角上
地平坐标系
在汉代常用十二地支来表示方位如子代表正北方而午代表正南方更详细的还会配上四维八干一共是24个方位四维是用艮表示东北用巽表示东南用坤表示西南用乾表示西北而八干是甲乙丙丁庚辛壬癸也就是说古人所说的方位是指的某个方位区域而不具有连续度量的性质比如说子这个方位指的是正北方左右一定范围内都是子位
24方位图
接下来我们先介绍最早出现于汉代的观天仪器浑仪
浑仪是以浑天说为理论基础制造出来的测量天体的仪器浑天说是我国古代出现的一种早期宇宙学说古人用双眼来观察天象并根据观测到的天象来构想大地和天空的本源结构于是慢慢衍生出了浑天说这种宇宙学说最早认为大地是浮在水面上的后来又演化为大地是浮在空气中可以回旋浮动而全天的恒星都分布于天球之上日月五星附在天球上按照各自的路线周期运行这种说法与我们前面说的现代天球概念已经十分接近了
浑天说的代表书籍是汉代张衡的张衡浑仪注其中有浑天如鸡子天体圆如弹丸地如鸡子中黄孤居于天内天大而地小天表里有水天之包地犹壳之裹黄天地各乘气而立载水而浮的说法浑天说的天球宇宙的说法比之更早的盖天说中天是半球形状的说法更为先进
张衡浑天说
浑天说的起源可能在战国时期到西汉的杨雄提出了浑天的说法而西汉时期的天文学家落下闳则根据浑天说的理论建造了已知最早的浑仪
由于古代天文学家测量天体的位置一般用入宿度和去极度来表示的所以最原始的浑仪可能是由两个环组成的一个环是固定不动的赤道环需要平行于赤道面在环面上刻有周天度数36525度另外一个环是经环也叫做四游环能够绕着极轴转动在四游环上安装有观测用的窥管也叫望筒可以理解为现代的望远镜只是没有光学镜片窥管是可以绕着四游环中心旋转的
古人利用赤道坐标系来测量恒星位置是很方便的因为恒星东升西落的周日运动都是平行于赤道面的但是如果用这个来测量太阳位置就不太方便了因为太阳运行的黄道与赤道有一个235度的夹角为了便于测量太阳的位置东汉的傅安和贾逵就改进了浑仪增加了黄道环并在永元十五年公元103年制造了名为太史黄道铜仪的浑仪到了张衡时代浑仪上又增加了地平环和子午环后魏时期的斛兰等人在其铸造的铁浑仪底座上又设置了十字水趺也就是相当于现代的水平仪可以调整仪器的水平根据记载这架铁浑仪使用了二百多年
经过不断的发展和改进到了唐代李淳风后浑仪的结构基本完善整个浑仪的结构由外到内分为三组部件
最外一层环圈叫做六合仪作为主体的支架由四环三圈组成我们一般将铜制的圆环构件称为环与它相应的天球坐标系中的基圈称为圈所以四环三圈是说由代表3个基圈的4个圆环组成
六合仪各部名称
上图中水平位置的是代表地平坐标系中地平圈的地浑环在上面刻有方位来表示方位角
垂直于地平圈的子午环由两个并列的环组成双环间留有缝隙用来瞄准子午圈方向的天体环上也刻有圆周刻度
与天赤道平行的是赤道环也称天常环或百刻环时刻就是从这个环上读取的
这4个环内外径相等子午环上下两侧开有孔为了安装中内两层环系这两个孔的连线就是天球的极轴或者叫旋转轴地浑环安装在浑仪的基座上
浑仪中间一层环系叫做三辰仪代表赤道坐标系中的天赤道圈两个赤经圈和一个黄道圈
三辰仪各部名称
图中赤道环与六合仪中的赤道环在同一平面内可以与三辰仪中的其他环通过赤道环的圆心且与赤道面正交的轴线回转沿赤道环圆周上刻有圆心角还刻有28宿在天赤道上相对应的位置标记
黄道环与赤道环相交两交点对应天球上的春分点和秋分点在黄道环上也刻有28宿的相应位置标记有的黄道环是采用平行双环的样式便于观测太阳在黄道上的位置
两个赤经环也就是图中的4和5环一个通过春分点和秋分点另一个与其垂直通过夏至点和冬至点
这4个环连成一体在天球南北极各有小孔用两轴与六合仪连接可以在六合仪内绕极轴转动
浑仪的最内层就是四游仪了是由一对靠近的平行双环及一个观测用的窥管组成双环的外径略小于三辰仪可以在三辰仪内转动
四游仪各部名称
将双环两侧的小孔套在浑仪两极的短轴中双环及窥管就可以在三辰仪内绕南北天极转动双环的位置如同天球上一个可以转动的赤经圈在这个可转动的双环中再转动窥管就可以对准天球上任意一个方向的天体了
四游环上也刻有度数在观测时先转动四游环可将窥管带到任意天体的赤经圈上然后在转动窥管从管中看到该天体这时就可以在四游环上得到天体的去极度在外环的赤道环上可以得到天体的赤道度数了
浑仪组合各部
在我国古代浑仪的制作和使用是非常重要的在隋书天文志中记载了孔挺制造浑仪的详细记录对该浑仪的结构做了非常详细的描述
唐代李淳风主持制造的浑天黄道仪首次在浑仪上增加了白道环也叫月游规用于观测月亮但宋代沈括取消了白道环这是因为随着观测天体数量的增加浑仪变得越来越复杂而导致了使用上的不便因此沈括取消了白道环而改用计算的方法来确定月亮的位置这是浑仪发展史上的一个转折点进而导致后来简仪的出现
目前我国现存的最早的浑仪是明代制造的是在正统而年1437年仿郭守敬设计制造的铜浑仪现陈列在南京紫金山天文台
南京紫金山天文台明代浑仪
这架浑仪原本安置于北京钦天监观象台后被八国联军的德国夺走直到1921年归还我国在1931年被安置于紫金山天文台
除此以外就是位于北京古观象台的清代浑仪是乾隆九年1744年制造名为玑衡抚辰仪这是我国历史上制造的最后一架浑仪
北京古观象台清代浑仪
在古代天文仪器也是政权的表征每到改朝换代都要将前朝的天文仪器带走因为这些仪器不但是天文观测的仪器还是帝王的重要礼器和祭器因此古代这些仪器的发展一直受到官方的控制难以在民间发展