中華民族自古以農業(yè)為立國之本。農業(yè)生產受到自然季節(jié)變化規(guī)律的支配，春季播種，夏季耕耘，秋季收獲，冬季貯藏，農事活動總要跟季節(jié)變化緊密配合，而季節(jié)變化的周期是一年。所以，歷代統(tǒng)治者都把觀測天象，編制歷法，敬授民時，作為一件頭等大事來抓。在古代中國，正是歷法的編算帶動了整個天文學的發(fā)展。
編制歷法依賴精密地觀測天象。古代中國天文學家對天象，觀測唯勤，探微唯精，留下了豐富、可靠的星象記錄。觀測唯勤，需要辛苦的勞動和堅強的毅力，而探微唯精，必須借助先進的觀測工具。古代中國天文學家用來觀測星象最重要的工具是渾儀。在望遠鏡發(fā)明以前，渾儀是世界上最先進的天文觀測工具?，F今存世最早的渾儀是明代正統(tǒng)七年（1442）制成的，陳列在南京紫金山天文臺。它作為中國古代科技成就的代表，被印在郵票上，印在宣傳畫上，傳播到全世界。
渾儀起源于何時，目前尚未弄清?！渡袝に吹洹酚小霸诃v璣玉衡，以齊七政”的說法。意思是：“舜利用璿璣玉衡觀察、確定日月五星的位置?！笔琛啊墩f文》云：璿，美玉也。玉是大名，璿是玉之別稱。璣衡俱以玉飾?！^衡者，璣為轉運，衡為橫簫，運璣使動於下，以衡望之，是王者正天文之器。漢世以來謂之渾天儀者是也。”《說文》是《說文解字》的簡稱?！墩f文解字》是中國古代集周秦兩漢文字訓詁之大成的文字學寶典，其字義解釋，皆本六書。《說文解字》的作者是東漢許慎，字叔重。時人稱“五經無雙許叔重”。許慎對“璿璣玉衡”的解釋，應當是有根據的。按照許慎的解釋，“璿璣玉衡”就是渾天儀的雛形。古代中國有兩種天文儀器有時都叫渾天儀，一種是測量天體球面坐標的渾儀，另一種是演示天體運動的渾象。許慎在解釋“璿璣玉衡”時提到“衡為橫簫”、“以衡望之”，由此可知，“衡”就是渾儀上的窺管，又叫望筒，渾象上用不著它。所以，“璿璣玉衡”依照許慎的說法，就是渾儀的前身，也可稱為原始渾儀。這種原始渾儀在虞舜時期就有了。
原始渾儀可能是由兩個圓環(huán)組成的，一個圓環(huán)是固定的赤道環(huán)（ErRE’R’），
用渾儀觀測某一天體M的時候，先由東向西旋轉四游環(huán)令其對準M，再將窺管上下旋轉令人眼從窺管中看到M。此時，大圓弧便是天體M與北極星的距離P，古人稱為“去極度”。
便是天體M與赤道的距離，天文學上稱為“赤緯”，用希臘字母δ表示。由《渾儀示意圖》上可以看出，P+δ=90o。示意圖上的r表示春分點，從r起沿赤道量度的大圓弧
，稱為天體M的赤經，用希臘字母α表示。兩個天體的赤經差(α2-α1)，稱為“距度”。為了測定天體的坐標位置，古人就沿黃道和赤道，自西向東把周天劃分成二十八個大小不等的區(qū)域，每個區(qū)域叫做一宿，總計二十八宿；又在每一宿中選取一顆星作為測量的標準，這顆被選定的星叫做距星。假若M1(α1δ1)是二十八宿的距星之一，那么α2-α1，就是M2(α2δ2)的入宿度。中國古代天文學家就用入宿度和去極度來表示天體的位置。
虞舜是古史傳說中著名的部落聯(lián)盟首長。虞舜時期處于新石器時代晚期。估計那時的原始渾儀是用玉石制成的。東漢學者鄭玄說：“其轉運者為璣，其持正者為衡，皆以玉為之?！庇袷透g，如今出土的新石器時期的玉器數量不少，可是沒有一件渾儀。因此有人懷疑許慎對《尚書·舜典》中“璿璣玉衡”的解釋是否正確。圍繞這個問題，肯定者和否定者辯論了一千多年，至今懸而未決。
戰(zhàn)國時期的天文學家石申在公元前4世紀中葉著成《石氏星經》。后來，《石氏星經》失傳了。但是，石申測量的一百多顆恒星的赤道坐標數據，保存在瞿曇悉達主持編纂的《開元占經》中。例如說：“角為蒼龍之首……去極九十三度半?！本褪钦f：“角宿到北天極的角距離是九十三度半?！蔽覀冎?，地球是橢圓形的，赤道部分較為突出，兩級部分呈扁平狀。由于太陽和月亮對地球赤道突出部分的吸引作用，使得地軸繞黃極作緩慢地移動，相應地春分點沿黃道以每年50’’.24速度西移，大約25800年移動一周，這種現象稱為“歲差”。按照歲差規(guī)律，比較一顆恒星古今坐標的變化，可以推算出這顆恒星古赤道坐標測定的年代。現代天文學家運用這個方法檢驗石氏星表的赤道坐標數據，結果表明，其中有一部分是公元前4世紀測定的。反過來，這些數據也證明戰(zhàn)國時代中國理應已有渾儀。英國學者李約瑟在《中國科學技術史》中寫道：“我們有充分的根據相信，石申和甘德確實在公元前4世紀就已用度數定下恒星的位置；假如沒有某種刻度的渾環(huán)，這種測量是完全不可能的。”
在西方，最早的星表是古希臘天文學家伊巴谷于公元前2世紀測編的。在他之前，古希臘的天文學家阿里斯提爾和提莫恰里斯也測量過一些恒星，但那也是公元前3世紀的事。他們至少也要比石申的測量工作晚幾十年。
制造渾儀依據的原理是渾天說。渾天說思想體系的完整表述，見于《渾天儀注》：“渾天如雞子，天體如彈丸，地如雞子中黃，孤局于內，天大而地小?！弊髡哂昧攘葦嫡Z，就讓一個宇宙結構模型生動地展現在我們面前。
渾天說的精髓有三點：第一點，天體渾圓，是正球形，不是半球形，像“鳥卵”或“彈丸”。第二點，地居天球之內，“天大而地小”，猶“殼之裹黃也”。第三點，地如蛋黃，也是圓球形的。
渾天說起源于何時呢？學術界存在兩種觀點：一種是起源于戰(zhàn)國時期；另一種是肇端于西漢落下閎，學說體系形成于東漢張衡。
學術界一般認為，《渾天儀注》是東漢張衡所作?！稖喬靸x注》講“地如雞子中黃”，這是地圓思想的形象表達。張衡還著有《靈憲》。據《隋書·天文志》說：“張衡為太史令、鑄渾天儀，總序經星，謂之《靈憲》。”可見，張衡鑄渾天儀在先，撰《靈憲》在后；《渾天儀注》是為鑄成的渾天儀所寫的說明書，理應成書于《靈憲》之前。可是，張衡在《靈憲》中說：“天體于陽，故圓以動；地體于陰，故平以靜?！痹谶@里，張衡又說天體是圓的，地是平的，這顯然是蓋天說，與《渾天儀注》中的地圓思想產生了矛盾。那么，《渾天儀注》的作者是不是東漢張衡呢？值得懷疑?！端螘ぬ煳闹尽芬龂鴷r天文學家王蕃的話說：“前儒舊說，天地之體，狀如鳥卵，天包地外，猶殼之裹黃也。周旋無端，其形渾渾然，故曰渾天也。”由此可見，王蕃并不認為《渾天儀注》中“地如雞子中黃”是張衡的創(chuàng)新思想。筆者以為，渾天說肇端于西漢落下閎，學說體系形成于東漢張衡的觀點，恐怕與事實不符，而渾天說萌發(fā)于戰(zhàn)國時期的觀點是有根據的。
在戰(zhàn)國時期的諸子著作中，我們可以找到一些樸素的“渾天”思想萌芽。例如《文子·自然》：“天圓而無端，故不得觀其形”；“輪轉無窮，象日月之運行，若春秋之代謝，日月之晝夜終而復始，明而復晦”等等。這就是說，天是一個正球形，不是半球形，日月星辰不可能在半球形的天穹進行周而復始的運行，從而突破了“蒼天如圓蓋，陸地如棋局”的蓋天說?！稘h書·藝文志》的注釋說：文子是“老子弟子，與孔子并時。”今人據1973年河北定縣漢墓出土竹簡，證明《文子》是戰(zhàn)國時期的著作。生活在公元前4世紀的趙國人慎到，是當時法家的代表人物。他曾在齊國的稷下講學，久負盛名，著有《慎子》。書中講道：“天形如彈丸，半覆地上，半隱地下，其勢斜倚，故天行健?！边@句話，用彈丸比喻天，明確地表達出作者認為天體是球形的；“半覆地上，半隱地下”，就是講天大地小，天包地。戰(zhàn)國中期的名家代表人物惠施曾說：“南方無窮而有窮”（《莊子·天下》）。怎么能夠既是“有窮”，同時又是“無窮”呢？只能是把大地想象為一個圓球，一直向南走，可以回到出發(fā)點，周而復始，無窮無盡。這種“有窮”和“無窮”的樸素辯證關系中已經包含有地圓的思想?；菔┻€說：“天與地卑”（《莊子·天下》）。按蓋天說：“如天之無不幬也，如地之無不載也”（《莊傳·襄公二十九年》），那么，天在上、地在下，是天經地義的事情，天是無論如何也不能“與地卑”。只有按渾天說，從天地俱圓的思想出發(fā)，附麗于天球內壁的日月星辰，每天周而復始地運轉，一半時間在地平線上面，另一半時間在地平線下面，這樣才能理解“天與地卑”的真實含義。總之，渾天說的三點精髓──天圓、地圓與天包地的思想萌芽在戰(zhàn)國時期都出現了。
漢朝建立后，“用顓頊歷”，“襲秦正朔”，采取傳統(tǒng)歷日制度，以冬季十月為歲首，即十月為每年的第一個月，但仍稱十月而不稱正月；第四個月，因避秦始皇名諱，稱端月，漢代改端月為正月；最后一個叫做九月；每年按照冬、春、夏、秋的順序安排。顓頊歷創(chuàng)立于公元前4世紀，使用時間一長，誤差加大。漢武帝元封七年（公元前104年），大中大夫公孫卿、壺遂、太史令司馬遷等建設修改歷法。這年五月，漢武帝命令公孫卿、壺遂、司馬遷等議造新歷。他們編制的新歷法就是《史記·歷書》所載的《歷術甲子篇》。漢武帝為施行這部新歷法頒布了詔書。但新歷法施行后，遭到朝野人士的激烈反對，漢武帝不得不把施行詔書撤回，又從朝野請出治歷鄧平及長樂司馬可、酒泉侯宜君、侍郎尊及民間治歷者方士唐都、巴郡落下閎等二十余人重新研制歷法。在研制新歷法過程中，渾天說與蓋天說展開激烈辯論。當時獻計修改歷法的方案有十八家。其中，由民間天文學家方士唐都負責天象觀測，民間渾天派天文學家落下閎負責歷法推算，他們所編歷法符合朝廷負責歷法的官員鄧平提出的“八十一分律歷”原則。所謂“八十一分律歷”，是指朔望月日數的分母為八十一。古歷一月為日，它的策余，即日的小數部分比1/2大。鄧平想把它化簡，倘若化作17/32，則大于古歷的策余；倘若化為26/49，則又小于古歷的策余；于是，鄧平把分子分母分別相加，得43/81，他認為這是最佳值。每個朔望月日數的分母是歷法基本常數。這樣，唐都和落下閎編制的歷法得到初步認定，漢武帝又指定宦者淳于陵渠核實。結果證明，唐都和落下閎所編歷法，“晦朔弦望，皆最密?！碧貏e是推算出太初上元甲子夜半朔旦冬至時，“日月如合璧，五星如連珠”的罕見天象，準確無誤。最終，在十八家修改歷法方案的較量中，唐都和落下閎的方案勝出，這就是《太初歷》。
據陳壽《益都耆舊傳》說：落下閎應召赴京都，于“地中（今洛陽）轉渾天，改顓頊歷作太初歷?！痹陉悏壑埃鳚h文學家楊雄所著《法言·重黎》記載：“或問渾天，曰：落下閎營之，鮮于妄人度之，耿中丞象之?！边@段話的意思是，“有人詢問渾天說的理論，回答說：渾天是落下閎營造的，鮮于妄人度量過它，耿中丞用銅鑄造出渾儀?！滨r于妄人是西漢昭帝時的天文學家，他檢驗過落下閎的渾天說數據。耿中丞是西漢宣帝時的大司農中丞，他依據渾天說用銅鑄造出渾儀，在甘露二年（公元前53年）曾以“以圓儀度日月行，考驗天狀”。在楊雄看來，落下閎、鮮于妄人和耿壽昌，是制造銅渾天儀的關鍵人物。
以上兩種說法有一個共同點，那就是落下閎是史籍記載中最有事實根據、最可信的與渾儀有關系的人物。筆者傾向于落下閎制造過渾儀，但不是創(chuàng)制，他編制太初歷時使用的渾儀，可能是用傳統(tǒng)材料玉石制的。
自西漢制造出銅渾天儀以后，歷代都有人改進、完善它。例如東漢中期，天文學家傅安、賈逵提出在渾儀上添加黃道環(huán)的建議，獲得批準，于永元十五年（103年）制出名為“太史黃道銅儀”的渾儀。渾儀原本是利用赤道坐標系統(tǒng)來度量恒星位置。在地球上，無論你站在哪里，天空總像一個碩大無朋的半球，籠罩著大地。日月星辰就鑲嵌在天球的內壁上，而你總會覺得自己處在整個天球的中心。古代中國天文學家以北極星為天球北極。因為北極星跟地理北極相對應，所以天球赤道就是地球赤道在天球上的投影。這樣，用渾儀觀測恒星位置很方便，因為所有恒星每天東升西落都是平行于赤道面的。但是，由于太陽在恒星背景上的視運動軌道──黃道，與赤道有一個23度多的夾角，所以用渾儀觀測太陽的位置就不方便了。傅安、賈逵給渾儀添加黃道環(huán)，觀測太陽的位置就容易了。太史黃道銅儀誕生以后，繼續(xù)設計、改善渾儀的還有東漢張衡，三國時期的王蕃、葛衡，南朝的錢樂之、陶宏景，隋唐的耿詢、僧一行、梁令瓚等。到宋代，天文學家蘇頌集眾家之長，于元祐七年（1092）制成最宏偉、最復雜、最精密的“水運渾天”──“水運儀象臺”。它包括渾儀、渾象、報時三部分，可以說是近代天文臺的雛形。渾儀設置在水運儀象臺的最上層。
蘇頌所設計的渾天儀分三層：外層名叫“六合儀”，由地平、子午、外赤道三個環(huán)組成，主要用于測定一天的時間和經緯度，因測量的范圍包括東西、南北、上下六個方向，稱六合，故名。中層名叫“三辰儀”，由黃道環(huán)、白道環(huán)和內赤道環(huán)組成，可以繞極軸旋轉，主要用于測定一年四季變化和日月、星辰的位置。黃道環(huán)用來表示太陽的位置，白道環(huán)用來表示月亮的位置，內赤道環(huán)用來表示恒星的位置。中國古代稱日、月、星為三辰，故名。內層名叫“四游儀”，環(huán)中設窺管，以備觀測。四游儀可在三辰儀里旋轉，三辰儀又可繞極軸在六合儀里旋轉。
現存南京紫金山天文臺的明代正統(tǒng)年間的渾儀，基本上就是按照蘇頌設計的模式復制的。它的底座長246厘米，通高280厘米，由鉛錫青銅合鑄而成。拱托儀器的四條青銅龍，騰躍欲飛，形態(tài)生動。銅龍內設鐵芯，加強了銅龍柱的抗變能力。這件古代天文儀器不僅是科學上的杰作，而是罕見的藝術精品。
渾儀作為中國古代最重要的天文觀測工具，它在構造上存在兩大缺點：一是裝配復雜，眾多環(huán)圈中心都相重合，裝配起來難免產生中心差，二是環(huán)圈交錯，彼此遮掩，給觀測帶來不便。從北宋開始，就出現了簡化渾儀的趨勢。金元時，簡儀應運而生。金章宗承安四年（1276），一個叫丑和尚的民間天文家向朝廷進呈天文儀器圖紙，“簡儀”就是其中一項。但這設計僅停留在圖紙上，并沒有制做成功。設計并制造成功簡儀的是元代天文學家郭守敬。
至元十三年（1276），元世祖忽必烈基本統(tǒng)一天下。他考慮到對于一個新王朝，頒布新歷法是一件重大措施，于是決定建立太史局，編制新歷法，并將建立太史局的具體工作交給“以算術冠一時”的太子贊善王恂。忽必烈授權給王恂，太史局人員悉聽他挑選安排。王恂挑選數十人入太史局，其最主要的一位是他的老同學、工部郎中郭守敬。不久，朝廷正式任命王恂為太史令、郭守敬為同知太史院事，成為王恂的副手。郭守敬提出：“歷之本在于測驗，而測驗之器莫先儀表。”（《元史·郭守敬傳》）。意思是，編制歷法的根本在于實際觀測，觀測必須準備好精確適用的儀表。王恂采納郭守敬的意見，讓郭守敬負責制造儀器和觀測天象，自己負責歷法計算。
郭守敬設計、制造的簡儀，打破了傳統(tǒng)渾儀的模式，是一種嶄新的測量天體位置的儀器。
簡儀廢棄了傳統(tǒng)渾儀眾多圈環(huán)的同心圓構造模式，設計出互相獨立的赤道經緯儀和地平經緯儀，每個儀器結構都十分簡單，除去北極附近一小塊區(qū)域以外，整個天空可以一覽無余。
簡儀的上部有四道圈，由上至下，依次是定極環(huán)、四游環(huán)、赤道環(huán)和百刻環(huán)。赤道環(huán)與百刻環(huán)緊挨在一起。位于頂部的是定極環(huán)，環(huán)口內徑約當天球上6度。當時，以天樞星為北極星，并測定它離天球北極還有3度。在簡儀南下方觀測時，天樞恰好沿定極環(huán)內緣每晝夜轉動一周。定極環(huán)中有十字斜交的兩根檔子，中心相交處有個直徑5厘米的小孔，這個小孔正對著天球的北極。定極環(huán)下面是四游環(huán)。四游環(huán)是測定天體去極度用的。利用四游環(huán)和赤道環(huán)及附屬的界衡，可以測定天體的入宿度。利用百刻環(huán)與四游環(huán)跟界衡，可以測定地方真太陽時。通過數學計算，可以推算出黃道坐標來，所以能夠省略掉黃道圈。四游環(huán)獨立于赤道環(huán)之上，從而避免了多環(huán)遮掩的弊病。赤道環(huán)可以在固定的百刻環(huán)上轉動。一個扁平的大銅圈在另外一個扁平大銅圈上旋轉，滑動摩擦的阻力很大，旋轉起來必然很費勁。郭守敬在“百刻環(huán)內廣面臥施圓軸四，使赤道環(huán)旋轉無澀滯之患”，即在兩環(huán)之間平放四個圓筒形的短銅棒，讓兩個接觸面之間，由原來的滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦，旋轉起來非常靈便。它可以說是近代滾球軸承和滾筒軸承的祖先。郭守敬發(fā)明和應用的軸承，比西方文藝復興時期達·芬奇（Leonardo da Vinci）設計滾筒軸承大約要早兩個世紀。
簡儀的下部有兩道圈，是地平經緯儀。豎直的由東向西轉動的是立運環(huán)，當旋轉窺衡瞄準日月星辰時，可以測量天體的地平高度。平臥在下面的是陰緯環(huán)，用以測量天體的方位角。原先的渾儀只能測天體在中天時的地平高度，無法用來測量天體的方位角和處于其他位置的地平高度。
簡儀是按赤道坐標系統(tǒng)制造的天文觀測工具，但通過數字計算完全可以求出黃道坐標系統(tǒng)的數據。郭守敬于至元十六年（1279）制成的簡儀，在天文學史上，是一項偉大的發(fā)明創(chuàng)造。它比西方同類儀器早誕生三百多年。
在古代，黃道比赤道難確定。因為恒星都是東升西墜的，所以黃道坐標不如赤道坐標觀測天體運動方便。古代歐洲天文學家采用黃道坐標系統(tǒng)觀測天象，這就妨礙了他們對宇宙形體的精確測量。在西方，丹麥天文學家第谷被譽為“星學之父”。西方人認為第谷奠定了近代天文觀測的基礎。其實，第谷是間接從一位了解中國天文科學技術的阿拉伯人那里得到啟發(fā)，在汶島設立天文臺，拋棄黃道坐標，采用赤道坐標，依照中國渾儀原理，于1598年制造出西方第一臺大型赤道式天文儀器，進行星象觀測，獲得豐碩成果。后來，第谷的觀測資料傳給約翰內斯·開普勒，幫助開普勒發(fā)現了行星運行規(guī)律，而行星運行規(guī)律又給提出萬有引力定律的英國科學家牛頓以重要啟迪。事實證明，近代西方天文學家取得的巨大成就，或直接或間接地受惠于古代中國天文學家的發(fā)明。英國學者R·坦普爾在《中國的創(chuàng)造精神》一書中指出：赤道坐標體系是一項幾乎無人了解的、中國人對近代西方科學的一個貢獻。
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