微速訊：「趣讀華夏科技故事」第23期：通往星空的橋梁——簡儀（香港志愿者特輯）

大家好，我是中國科技館“華夏之光”展廳的香港大學(xué)生志愿者周杏芝，今天我為大家講述的是《通往星空的橋梁——簡儀》。

(資料圖片)

周杏芝 （中國科技館“華夏之光”展廳2022級(jí)香港大學(xué)生志愿者）

政治因素決定天文學(xué)發(fā)展，歷法的修訂離不開天文觀測(cè)儀器的革新。

公元1276年，元世祖忽必烈想起劉秉忠提過，現(xiàn)行的遼歷并不準(zhǔn)確，又未實(shí)行司天臺(tái)改制的新歷。此時(shí)適逢新君即位，可借機(jī)改元頒歷，讓各地百姓知曉精準(zhǔn)的時(shí)歷。于是元世祖組織太史局（后改名太史院）修訂新歷法，即后來的《授時(shí)歷》，并由王恂、郭守敬等人主持相關(guān)工作。

“歷之本在于測(cè)驗(yàn)，而測(cè)驗(yàn)之器莫先于儀表?！毙抻喰職v法前，需要對(duì)天象進(jìn)行大規(guī)模觀測(cè)，從而獲取最新數(shù)據(jù)。然而舊渾儀因運(yùn)輸及存放不當(dāng)，早已無法進(jìn)行精準(zhǔn)的天文觀測(cè)，而且受限于渾儀多環(huán)圈的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，使用者容易被環(huán)道遮擋視野，于是郭守敬通過簡化沈括改良過的渾儀，創(chuàng)制出了新的天文觀測(cè)儀器——“簡儀”。

簡儀主要由兩組互相垂直的大圓環(huán)組成，直指北天極的是四游環(huán)，與之垂直的是平行于天體赤道的赤道環(huán)，以及平鋪在地的陰緯環(huán)和垂直于此的立運(yùn)環(huán)。簡儀的底座是個(gè)長方形框架，由龍柱和云柱支撐四游環(huán)、赤道環(huán)和百刻環(huán)。百刻環(huán)被固定在外，赤道環(huán)在百刻環(huán)內(nèi)游動(dòng)，四游環(huán)則架設(shè)在南北極軸間旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，百刻環(huán)與赤道環(huán)的咬合面上有4個(gè)小圓柱體，用以減少兩環(huán)間的摩擦，是世界上最早使用的柱式滾動(dòng)軸承。

簡儀，圖片拍攝于中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)

此外，與渾儀的多重圓環(huán)結(jié)構(gòu)相比，簡儀取消了黃道環(huán)及非必要的支架環(huán)圈，只保留赤道經(jīng)緯度和地平經(jīng)緯度的測(cè)量環(huán)件，即赤道裝置（赤道經(jīng)緯儀）和地平裝置（立運(yùn)儀）。赤道裝置中的四游環(huán)和赤道環(huán)裝在上部，地平裝置中的立運(yùn)環(huán)和陰緯環(huán)則另設(shè)于北端，以此解決多環(huán)掩映問題。

簡儀，圖片來源于中國科學(xué)技術(shù)館

另一方面，簡儀的百刻環(huán)提高了刻度分劃的精細(xì)程度。百刻環(huán)上每刻被等分為36份，提高了時(shí)間觀測(cè)的精度。

百刻環(huán)刻度，圖片拍攝于中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)

一般而言，古代天文觀測(cè)儀器的作用是測(cè)量天體坐標(biāo)，簡儀也不例外。它的作用有三種：測(cè)量天體的地平坐標(biāo)、赤道坐標(biāo)以及真太陽時(shí)。

簡儀測(cè)量地平坐標(biāo)，圖片來源于中國科學(xué)技術(shù)館

第一，用地平裝置，測(cè)量天體的地平坐標(biāo)。在地平系統(tǒng)中，立運(yùn)環(huán)被設(shè)置于云柱下垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，陰緯環(huán)則垂直于立運(yùn)環(huán)平放在基座上。兩環(huán)均有刻度，以窺衡對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)天體，即可讀出天體的地平方位角與天體高度。

第二，用赤道裝置，測(cè)量天體的赤道坐標(biāo)。赤道環(huán)和四游環(huán)上都有周天度數(shù)，且四游環(huán)還安裝了內(nèi)藏十字絲的窺衡，類似單鏡筒望遠(yuǎn)鏡。轉(zhuǎn)動(dòng)四游環(huán)并移動(dòng)窺衡觀測(cè)天體，以此獲取被測(cè)天體與北天極之間的角距離——去極度；轉(zhuǎn)動(dòng)赤道環(huán)與界衡，以此獲取被測(cè)天體與它所在宿的距星在赤道上的角距離——入宿度，最后得知赤道坐標(biāo)。

第三，用界衡、赤道環(huán)和百刻環(huán)，測(cè)真太陽時(shí)。真太陽時(shí)又名視太陽時(shí)，顧名思義，是以太陽位置作為實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)。當(dāng)太陽視圓面中心連續(xù)兩次升至正空走過的時(shí)間，即為1真太陽日（分為12時(shí)辰）。

簡儀的設(shè)計(jì)獨(dú)特、工藝精美、實(shí)用性強(qiáng)，是中國天文儀器發(fā)展史上的一次重要革新。但遺憾的是郭守敬當(dāng)年制作的簡儀未能留存下來。它原本置于大都司天臺(tái)，曾被搬遷至雞鳴山觀測(cè)臺(tái)，后于1668年遷回北京，卻在1715年被供職欽天監(jiān)的法國傳教士紀(jì)理安以鑄造地平經(jīng)緯儀為借口，當(dāng)作廢銅熔掉。郭守敬版本的簡儀自此失傳?，F(xiàn)存最古老的簡儀則是1437年制作的仿制品，為明清兩代欽天監(jiān)所用。

然而，明代復(fù)制版簡儀也經(jīng)受過不少磨難。1900年八國聯(lián)軍侵華，簡儀被拆卸運(yùn)往東交民巷的法國外交使館，至1902年才歸還清政府。1933年6月，為了躲避戰(zhàn)火，簡儀被匆忙遷至南京，于1934年2月安頓在紫金山天文臺(tái)。其后因保存不當(dāng)，它在上個(gè)世紀(jì)80年代初就近乎損毀。因此，南京市政府在1988年時(shí)對(duì)簡儀進(jìn)行修復(fù)，后將它放置在南京紫金山天文臺(tái)露天陳列展覽，是現(xiàn)今其他簡儀復(fù)制品的藍(lán)本。

毋庸置疑，簡儀是中國天文學(xué)的重要發(fā)明之一，代表了中國古代科技的高超水平。作為中國科技史的見證，簡儀也是后世天文儀器類似裝置的先導(dǎo)。它的赤道裝置和地平裝置分別是近代大型望遠(yuǎn)鏡赤道裝置和地平經(jīng)緯儀的原型，窺衡中的十字絲則堪稱天文望遠(yuǎn)鏡十字絲的先驅(qū)。因此，簡儀不僅反映中國古代工藝的偉大成就，也推進(jìn)了中國天文學(xué)的發(fā)展，兼具實(shí)用價(jià)值與歷史意義。

好了，這就是本期“趣讀華夏科技故事”的內(nèi)容，云端攬勝，樂享科學(xué)，敬請(qǐng)大家繼續(xù)關(guān)注中國科技館“云享科學(xué)”活動(dòng)。

參考資料

1.伊世同.簡儀[J].機(jī)械工人,1984（06）：2,65,1.

2.趙洋.簡儀[J].自然科學(xué)博物館研究,2018（02）：2.

3.潘鼐.南京的兩臺(tái)古代測(cè)天儀器——明制渾儀和簡儀[J].文物,1975（07）：84-89,103.

4.樊善國.科學(xué)巨人郭守敬[J].中國典籍與文化, 1996（02）：21-29.

5.中國哲學(xué)書電子化計(jì)劃：《元史》，載自https://ctext.org/wiki.pl?if=gb&chapter=634468

策劃：周杏芝、戴逸華、葉雅玲、王美鈴

制作：周杏芝、陳磊

審核：崔希棟、王紫色、王學(xué)志、李廣進(jìn)、

戴天心、葉雅玲、戴逸華

中國科技館古代科技展覽部（籌）供稿

（本文轉(zhuǎn)載須經(jīng)中國科技館古代科技展覽部（籌）許可）

標(biāo)簽： 中國科技館 赤道裝置 真太陽時(shí) 地平裝置 地平坐標(biāo)