渾儀

渾儀，是中國古代的一種天文觀測儀器，是以渾天說為理論基礎製造的、由相應天球坐標系各基本圈的環規及瞄準器構成的古代天文測量天體的儀器。渾儀的製造始於漢落下閎，到了唐代，由天文學家李淳風設計了一架比較精密完善的渾天黃道儀。元代的天文學家郭守敬將其簡化，創製了簡儀。中國現存最早的渾天儀製造於明朝，陳列在南京紫金山天文台。

基本介紹

• 中文名：渾儀
• 外文名：armillary sphere
• 別稱：璿璣玉衡、璣衡
• 理論背景：渾天說
• 儀器用途：天文觀測
• 地區：中國

理論背景

渾天說是中國古代的一種重要宇宙理論，認為"渾天如雞子，天體圓如蛋丸，地如雞中黃"，天內充滿了水，天靠氣支撐著，地則浮在水面上。天的大圓分為365.25度，渾天旋軸兩端分別稱為南極、北極，赤道垂直於天極，黃道斜交著天的大圓，黃赤道交角為24度。

渾儀

命名簡介

渾儀是以渾天說為理論基礎製造的。在古代，“渾”字含有圓球的意義。古人認為天是圓的，形狀像蛋殼，出現在天上的星星是鑲嵌在蛋殼上的彈丸，地球則是蛋黃，人們在這個蛋黃上測量日月星辰的位置。因此，把這種觀測天體位置的儀器叫做“渾儀”。

組成構成

基本構造

渾儀是中國古代用於測量天體球面坐標的觀測儀器。它是由一重重的同心圓環構成，整體看起來就像一個圓球。有資料表明，在公元前4世紀中葉，中國就已經使用渾儀觀測天象了，比古希臘早約60年。

渾儀的最基本構件是四游儀和赤道環。四游儀由窺管和一個雙重的圓環組成。窺管是一根中空的管子，類似於近代的天文望遠鏡，只是沒有鏡頭。

雙重圓環叫四游環，也叫赤經環，環面上刻有周天度數，可以繞著極軸旋轉，窺管夾在四游環上，可以在雙環里滑動。轉動四游環，並移動窺管的位置，就可以觀測任何的天區。赤道環在四游環外，上亦刻有周天度數，固定在與天球赤道平行的平面上。這樣，就可以通過窺管觀測到待測量的天區或星座，並得出該天體與北極間的距離，稱“去極度”，以及該天體與二十八宿距星的距離，稱“入宿度”。去極度和入宿度是表示天體位置的最主要數據。

改進完善

一、多重環結構

渾儀的改進和完善，經歷了一個由簡而繁，而又由繁而簡的歷程。從漢代到北宋，渾儀的環數不斷增加。首先增加的是黃道環，用以觀測太陽的位置。接著又增加了地平環和子午環，地平環固定在地平方向，子午環固定在天體的極軸方向。這樣，渾儀便形成了二重結構。唐代起，渾儀又發展成三重結構。最外面的一層叫六合儀，由固定在一起的地平環、子午環和外赤道環組成，因東西、南北、上下6個方向叫六合，故名。第二重叫三辰儀，由黃道環、白道環和內赤道環組成，可以繞極軸旋轉。其中白道環用以觀測月亮的位置。最裡層是四游儀。北宋時，又增加有二分環和二至環，即過二分（春分、秋分）點和二至（夏至、冬至）點的赤經環。

二、簡化、分立

多重環結構的渾儀雖是一傑出的創造，在天文學史上也起過重要的作用，但其自身也存在著兩大缺陷。一是要把這么多的圓環組裝得中心都相重合，十分困難，因而易產生中心差，造成觀測的偏差。一是每個環都會遮蔽一定的天區，環數越多，遮蔽的天區也越大，這就妨礙觀測，降低使用效率。

南京紫金山天文台的明朝渾儀

為解決這兩個缺陷，從北宋起即開始探索渾儀的簡化途徑。這個渾儀改革的途徑由北宋的沈括開闢，元代的郭守敬完成。沈括由兩個方面進行改革，一是取消白道環，藉助數學方法來推算月亮的位置；一是改變一些環的位置，使遮蔽的天區儘量減少。

郭守敬取消了黃道環，並把原有的渾儀分為兩個獨立的儀器，即簡儀和立運儀。

1、簡儀

簡儀由四游儀、赤道環和百刻環組成。赤道環的位置移至旋轉軸的南端，這一方式，至今在各國的天文台上安裝望遠鏡時，還廣泛地被採用。百刻環的安裝是一創新，環上等分成100刻，分為12個時辰，每刻又分作36分。

它固定在赤道環內，既可承托赤道環，又可得到真太陽時的讀數。四游儀窺管兩端各設有十字線，這是後世望遠鏡中十字絲的肇始。

2、立運儀

立運儀與簡儀裝於同一底座上，由兩個圓環組成。一個是平鋪的“經緯環”，代表地平環，環面上刻有方位。一個是“立運雙環”，中夾有窺管，可測量天體的地平經度和緯度。

簡儀和立運儀的設計和製造，在世界上領先300多年。近代天文台的赤道裝置，測量儀器經緯儀等，都可從中找到其原始形態。

中國古代渾儀採用的是赤道坐標系統，比西方採用的黃道坐標系統要先進得多，已為各國天文台所廣泛採用。

人們還可以在南京紫金山天文台，看到明代正統二年到七年（1437～1442）間製造的渾儀和簡儀。

歷史發展

中國渾儀的發明大約是在公元前四世紀至公元前一世紀之間（即戰國中期至秦漢時期）。

史籍記載渾儀的製造始於漢落下閎。他是蜀郡人，漢武帝時應召到京師長安參與制訂《太初曆》。落下閎以他製造的渾儀觀測天象，測定了二十八宿的距度、五大行星的運動情況等等，為制定《太初曆》取得了第一手資料。渾儀並不是落下閎最先發明的，他說：年輕的時候就能做這種儀器，那時只根據尺寸製作而已。用這架只有赤道坐標的儀器來度量太陽月亮的運動，發現兩者的運動都不均勻，這同西漢天文學家們的想法不同，於是大家都在找原因，後來發現，日月的運動都是沿黃道的（當時月亮依白道而行的認識還未達到），它們即使在黃道上均勻運動，以赤道來度量當然就是不均勻的了。

公元104年，東漢和帝下令賈逵另制一架儀器，用來測量日月的運動，他在渾儀上增設了黃道環，以黃道來測量日月運動，這就是我國歷史上第一架黃道銅儀。

賈逵用他的黃道銅儀來測量日月的運動，發現太陽的運動顯得均勻了（其實也應該是不均勻的，因他的儀器精度不夠，當時也沒有這樣的認識），而月亮的運動仍是不均勻的。賈逵根據自己的實際觀測，得出結論：月亮的運動是不均勻的。這一發現是改進儀器得到的第一個結果，它導致了曆法的進步，也豐富了人們對天體運動的知識，為以後太陽運動不均勻的發現打下了思想基礎。

唐代，由天文學家李淳風設計了一架比較精密完善的渾天黃道儀。

由於渾儀的圈環過於複雜、遮掩天區，影響觀測，沈括取消白道環並改變一些環的位置。

元代郭守敬取消了黃道環，並把渾儀分為兩個獨立的儀器：簡儀和立運儀。

典籍記載

《夢溪筆談·極星測量》：天文家有渾儀，測天之器，設於崇台，以候垂象者，則古機衡是也。渾象，象天之器，以水激之，或以水銀轉之，置於密室，與天行相符，張衡、陸績所為，及開元中置於武成殿者，皆此器也。皇祐中，禮部試《機衡正天文之器賦》，舉人皆雜用渾象事，試官亦自不曉，第為高等。漢以前皆以北辰居天中，故謂之“極星”。自祖亘以機衡考驗天極不動處，乃在極星之末猶一度有餘。熙寧中，余受詔典領歷官，雜考星曆，以機衡求極星。初夜在窺管中，少時復出，以此知窺管小，不能容極星游轉，乃稍稍展窺管候之。凡歷三月，極星方游於窺管之內，常見不隱，然後知天極不動處，遠極星猶三度有餘。每極星入窺管，別畫為一圖。圖為一圓規，乃畫極星於規中。具初夜、中夜、後夜所見各圖之，凡為二百餘圖，極星方常循圓規之內，夜夜不差。余於《熙寧歷奏議》中敘之甚詳。