北朝天文仪器制造的优化措施

北朝时期，在天文仪器的研制和革新方面取得了一系列的重要成就。

一、铁浑仪的制造

北魏明元帝永兴四年（412），曾制造了我国历史上唯一的一台铁制浑仪。《隋书·天文志·序》记载[175]：

史臣于观台访浑仪，见元魏太史令所造者，以铁为之。其规有六：其外四规常定，一象地形，二象赤道，其余象二极；其内二规，可以运转，用合八尺之管，以窥星度。周武帝平齐所得。隋开皇三年，新都初成，以置诸观台之上。大唐因而用焉。

《隋书·天文志上》记载[176]：

后魏道武天兴初，命太史晁崇修浑仪，以观星象。十有余载，至明元永兴四年壬子，诏造太史候部铁仪，以浑天法，考璇玑之正。……其制并以铜铁，唯志星度以银错之。南北柱曲抱双规，东西柱直立，下有十字水平，以植四柱。十字之上，以龟负双规。其余皆与刘曜仪大同。即今太史候台所用也。

《旧唐书·天文志上》记载[177]：

今灵台铁仪，后魏明元时都匠斛兰所造，规制朴略，度刻不均，赤道不动，乃如胶柱，不置黄道，进退无准。

《宋史·天文志》记载[178]：

太史令晁崇，斛兰皆尝为铁仪。其规有六，四常定，一象地，一象赤道，其余象二极，乃是定所谓双规者也。其制与定法大同，唯南北柱曲抱双规，下有纵衡水平，以银错星度，小变旧法。而皆不言有黄道，疑其失传也。

类似上述内容的资料在《唐会要》卷四十二、《图书集成》卷八十一、《历法典》等文献中尚有记载。由以上文献可知：北魏天兴初年（398），道武帝拓跋珪命太史令晁崇修复一台浑仪，以便观测天象，但这台浑仪的具体结构尚不清楚。永兴四年（412），明元帝拓跋嗣又诏造太史候部铁仪，由鲜卑族天文学家都匠斛兰制成，这是我国历史上唯一的一台铁制浑仪。

斛兰，史不见传。由姓名推断，可能是鲜卑族人。《旧唐书》称他为“都匠”，都，是“总”的意思，匠是指有某一技术特长的人。都匠，应相当于当今的总工程师。

《隋志》中称北魏铁仪，“其规有六，其外四规常定，一象地形，二象赤道，其余象二极。其内二规，可以运转，用合八尺之管，以窥星度”。规，当“圆环”讲。常定，固定不动的意思。从这条资料可以看出，这台铁仪是一种双重环组，如图2-3所示。

图2-3　北魏铁浑仪测量原理示意图

铁仪外层为一固定的坐标框架，有地平环NFSF′（一象地形）、赤道环ErRE′R′（二象赤道）和南北方向的子午双环NPE′SP′E（其余象二极）。共有四个固定的环，故曰“四规常定”。内层为双环PMRP′M′R′，叫四游环，又称赤径环，可绕极轴POP′转动（其内二规，可以运转），P为北天极点。赤径环中有绕环的中心O旋转的窥管M′OM，窥管长8尺。北魏前期的律尺为杜夔尺，尺长24.20厘米[179]。以此推算，内层双环直径约1.936米。该仪测量部分在外层的赤道环和内层的转动双环上均刻有周天度数，且在刻度上镀银，即《隋志》所云：“唯志星以银错之。”

这台浑仪上没有黄道环，正如《旧唐书》和《宋史》所载：“不置黄道”，“皆不言有黄道”。观测某一天体M时，先按东西方向旋转赤径环，使环平面对准M。再旋转窥管，使人目从管中看见M。则大圆弧PM便是天体离北极的距离，即为“去极度”。设R为赤道环和赤径环的交点，则MR便是天体离赤道的距离，天文学上叫做赤纬。显然，去极度和赤纬之和为90°。图2-3中用r表示春分点，从该点起沿赤道量度的圆弧rR，叫做天体M的赤经。两个天体的赤经差叫距度。若天体M1是二十八宿的距星，天体M2是要测量的星，则M2和M1的距度就是M2的入宿度。中国古代就是用去极度和入宿度表示天体位置的。

从上述分析来看，北魏铁仪可能是仿孔挺之作。正如《宋史》所言“其制与定法大同”，《隋书》所云“其余皆与刘曜仪大同”。

北魏铁仪的底座部分为：“南北柱曲抱双规，东西柱直立，下有十字水平，以植四柱。十字之上，以龟负双规。”从这段记载可知：底座的着地部分是一个十字架，架上设有十字水槽，以校准仪器水平，这是我国历史上利用水准仪的开端[180]。

从上述文献可以看出，北魏永兴四年（412）斛兰制成的铁仪，在平城使用了92年。孝文帝于494年迁都洛阳，该仪亦移致洛阳。后北魏分裂为东魏和西魏。东魏先以洛阳为都城，后迁致邺城，铁仪亦由洛阳移到邺城。东魏由北齐取代后，北齐在邺城仍用此仪观天。西魏由北周取代，周武帝于577年灭掉北齐，把铁仪转到北周都城长安，即“周武帝平齐所得”。隋取代北周后，隋文帝杨坚于开皇二年（582）在龙首原以南营建新都，一年后建成，取名大兴城。铁仪便移致大兴城。即“隋开皇三年，新都初成，以置诸观台之上”，“即今太史候台所用也”。唐朝建立后，大兴城改名为长安城，仍为唐朝都城，继续使用北魏铁仪，“大唐因而用焉”。唐睿宗景云二年（公元711），天文学家瞿昙悉达还奉敕修葺此仪。直到725年，僧一行和梁令瓒另造新浑仪后，才停止使用[181]。该铁仪经历六个封建王朝和割据政权，历时300余年，这在中国历史上是极少见的，为中国古代天文学的发展作出了重要贡献。浑仪以铁铸成，也充分反映了北魏平城铸造技术的水平。

北魏铁仪构造简单，操作方便，成为后世制造浑仪的楷模之一。唐僧一行和梁令瓒所制的浑仪就是以北魏铁仪为参照[182]。《宋史·天文志》亦载[183]：“至道中初铸浑天仪于司天监，多因斛兰，晁崇之法”，“司天铜仪……其法本于晁崇、斛兰之旧制，虽不精缛，而颇为简易”。可见，北魏铁浑仪在中国古代仪象制造史中起到承前启后的重要作用。

二、平城天象厅的创建

北朝天文学家热衷于制造浑仪，似乎没有制造过浑象，但北魏却创建了中国历史上第一座天象厅[184]。《魏书·高祖纪》记载[185]：孝文帝“太和十年（486）诏起明堂，辟雍。十五年，明堂、太庙成”。明堂始于西周，原为周天子颁朔、布政、朝诸侯之所。明堂和历法也有密切关系，它象征月令和季节。汉蔡邕就著有《明堂月令论》，《吕氏春秋·十二纪》也有关于明堂的记载。战国以来，汉儒都把明堂作为周道的象征而推崇。北魏修立明堂，是对汉族文化的继承和发展。更为重要的是该明堂中尚建有天象厅和天文台。对此，郦道元（466-527）在其巨著《水经注》卷十三《漯水》中，记述了漯水（今桑干河）的一个支流如浑水（今大同御河）流经平城的情况。其中有这样一段话[186]：

明堂上圆下方，四周十二堂九室，而不为重隅也。室外柱内，绮井之下，施机轮，饰缥碧，仰象天状，画北道之宿焉，盖天也。每月随斗建之辰，转应天道，此之异古也。加灵台于其上。下则引水为辟雍，水侧结石为塘，事准古制。是太和中所建也。

明堂“上圆下方”，是古制，寓天圆地方之说。十二堂九室，明堂的一种建制。《太平御览·礼仪部》明堂条转引《三礼图》曰：“明堂者为布政之宫，周为二室……秦为九室，十二阶各有所居。”结合《隋书·牛弘传》所载，北魏明堂“三三相重，合为九室”，可以推断平城明堂是按秦制九室所建，东西北各三室，合为九室。室外四向有堂。按《吕氏春秋》所言，四个主堂是：东为青阳，南为明堂，西为总章，北为玄堂。每堂左右各有一偏堂，称为左个、右个，共计十二堂。“室外柱内，绮井之下”，在明堂内部各室的外面有柱，用以支撑明堂顶部。柱内，指所有的柱子围成的空间。绮井，指明堂的圆穹顶部。“施机轮，饰缥碧，仰象天状，画北道之宿焉，盖天也。”机轮，指有轴可以转动的机械。缥是青白色，碧是青绿色，这里指天蓝色的纺织品。仰，抬头。北道之宿，指北天极的星宿。这两句话意思是：在藻井之下，室外柱内的空间里，装置转动机械，其上再装饰天蓝色的纺织品。抬头看，就像天一样。再画上北天极的星宿，就表示天穹。“每月随斗所建之辰，转应天道。此之异古也。”斗，指北斗星。辰，方位。中国古代把周天划分为十二辰，即把周天均分为十二段，并从东到西以十二地支一一命名。《汉书·律历志》曰“辰者，日月之会而建所指也”，即每月中日月会合于某一固定的辰次，同时北斗斗柄（建）也指向该辰次，这就是所谓的“月建”。《淮南子·时则训》中就列出了一至十二月的斗建所指，即正月指寅，二月指卯，三月指辰……十一月指子，十二月指丑，其地支次序恰好与十二辰纪月的次序一致。天道，指天象及其变化规律。《旧唐书·天文志》记载张衡的水运浑象时说“即与天道同合，当时共称其妙。”这句话的意思是，每月随北斗星的斗柄所指的方位不同，即表示的月份不同，转动机轮，使缥碧上所画的星宿符合天象变化。这里描述的完全是一个大型天象演示仪，即天象厅。从目前所见到的文献看，应是中国乃至是世界上最早的天象厅，距今已有1500多年的历史。“此之异古也”，可能有两层意思：一是该明堂与古代明堂不同，增设了假天仪；二是就假天仪本身而言，只有北天极的星宿，这与平城的纬度约北纬40°，多观察北天极的星宿有关，亦属“异古”。至于机轮是人工操作，还是借助水力自动运行，尚不清楚。“加灵台于其上。”灵台，古代观察天文气象的天文台。这句的意思是，在明堂的顶部加建天文台，用以实测天象。《魏书·高祖纪》记载，孝文帝于“太和十六年，升灵台以观云物”。即明堂建成的第二年，孝文帝亲自登上其顶部的天文台察云观象。

通过天象厅的创建，提高了北魏天文学家绘制星象图的技术与质量，这一传统也被带到新迁都城洛阳。1974年2月，考古学家在洛阳北郊的一座北魏墓的墓顶，发现了一幅绘于北魏孝昌二年（526）的星象图。墓室正方形，穹窿顶，墓室四壁和顶全用白灰涂底，上施彩绘。盗墓人将此墓四壁的壁画破坏殆尽。由于穹窿墓顶的“天象图”高达9.50米，才得以保存下来。此图银河横贯南北，波纹呈淡蓝色，清晰细致。星辰约300余颗，星点大小差不多，亮星之间有连线，绝大多数星宿名称可辩认。此图是我国目前考古发现中时代较早、幅度较大、星数较多的一幅天文图。它比著名的《苏州石刻天文图》早约700年，比宋代苏颂《新仪象法要星图》早约500年，比《敦煌星图》早约400年。北魏前的《史记·天官书》《汉书·天文志》《晋书·天文志》等书中，对星宿只有文字记录，只叙述星宿位置、星数等，对星宿形状、星间连线并无描述，而北魏墓星象图中的星宿形状、星数和星间连线可以说是一种别出心裁的创造。从这幅珍贵的星象图中可以看出，北魏已能对所见到的星进行标记作图，并能用线相连，表示为“星宿”，特别是北魏墓北斗七星形状，连线都很恰当。虽然图中银河的方向与实际星空不完全符合。星象西密东疏，星宿中的星数、形状和相对位置均有不同程度的差异，这是由于所取亮星及其数目不同所造成的。南京天文台和北京天文馆的学者实地考查认为[187]，这个北魏墓中的星象图和实际星象是基本符合的，见图2-4。

三、李兰秤漏

天文观测、制定历法都需要精确计时。漏刻则是中国古代最重要的计时仪器之一。漏，指漏壶；刻，指箭刻。箭，就是标有刻度的标尺，它根据漏壶或箭壶中的水量变化来度量时间。不同时期，漏刻有不同的名称，如挈壶、漏、铜漏、漏壶、刻漏、浮漏等等。从制作漏刻所用的材料上分，有铜漏、玉漏、玻璃漏等；从结构形制上分，有秤漏、灯漏、碑漏、辊弹刻漏、宫漏、儿漏、孟漏、莲花漏等；从用途上分，有田漏、马上漏刻、行漏舆等。漏刻在我国历史悠久，一般认为它起源于公元前三四千年的父系氏族公社时期。如史籍记载，“昔黄帝创观漏水，制器取则，以分昼夜”。几千年中，漏刻得到高度的发展，其式样层出不穷，精确度不断提高。至迟在西汉中期，我国漏刻的计时精确度就高于14世纪欧洲的机械钟。东汉以后，我国漏刻的日误差大都在一分钟以内。而欧洲直到1715年，美国人格雷厄姆（G.Graham）把直进式擒纵机构应用到机械钟上，机械钟的精确度才开始赶上和超过了中国漏刻[188]。

图2-4　洛阳北魏元乂墓星象图（《文物》1974年第12期，第57页）

秤漏是一种特殊类型的漏刻，它是用中国秤称量流入受水壶中水的重量的变化来计量时间的。一般认为它是450年左右由北魏道士李兰发明的。(www.xing528.com)

李兰，史不见传。从零散的史料推测，可能出于炼丹计时的需要，李兰根据中国秤的原理制成秤漏，并著《漏刻经》一书，惜已佚失。梁代沈约《袖中记》和唐代徐坚《初学记》中记有李兰漏刻法[189]：

以器贮水，以铜为渴乌，状如钩曲，以引器中水，于银龙口中吐入权器。漏水一升，秤重一斤，时经一刻。

渴乌，即虹吸管，发明于汉代。器，权器，这里指挂在秤钩上的装水容器。上文的大意是，用一容器盛水，作为供水壶。把一铜管折成弯钩（渴乌），管的一端制成龙头状。再取一杆秤，在秤钩上挂一装水容器，称之为权器。用渴乌引出供水壶的水，通过镀银的龙口注入权器中。这样可以直接称出权器中的水重。注入权器的水一升，重量为一斤，经过的时间就是一刻。

秤漏与其他漏刻最明显的不同之处就是它们的显时系统。在一般情况下，使用秤漏可以提高灵敏度获得更细致的时间分划。根据李兰漏刻法，“漏水一升，秤重一斤，时经一刻”。一斤水对应一刻，古刻即14.4分或864秒，那么一两水就对应54秒（古代一斤等于16两），这在秤杆上较容易读出。若进行估读，至少可以达到27秒（即5钱）。这样，计时的精确度就随着秤的精度的提高而提高，秤杆上的斤、两可以很方便地换算成时刻，或者秤杆上直接刻的就是时刻。

国内外不少学者对李兰秤漏作过研究[190]。英国科学史家李约瑟可能是最早研究中国秤漏的西方学者[191]，他绘出了李兰秤漏结构示意图，见图2-5。

图2-5　李约瑟秤漏示意图

图2-6　《中国天文学史》秤漏示意图

中国天文学整理研究小组绘出了李兰秤漏结构示意图（见图2-6），并断言计时精度可提高100倍[192]。郭盛炽的工作与中国天文学整理研究小组大致相同[193]。戴念祖先生赞同李约瑟的意见。[194]

荷兰学者史四维（W.A.Sleeswyk）指出了李约瑟示意图的一些不当之处，但因缺乏相关文献支撑，主观猜测较多，图2-7是他复原秤漏的水柜示意图[195]。

图2-7　史四维复制的秤漏水柜示意图

图2-8　华同旭秤漏示意图

华同旭根据文献史料解释了秤漏的结构及稳流原理，并通过模拟复制实验，得到了较为满意的结果，图2-8是其秤漏结构示意图[196]。

图2-9为钱先友秤漏示意图[197]。图2-10为《中国大百科全书·物理学卷》秤漏示意图。

图2-9　钱先友秤漏示意图

图2-10　《中国大百科全书·物理学卷》秤漏示意图

秤漏发明以后很快就流传开来。《隋书·天文志》记载，隋代大业初年，炀帝令耿询、宇文恺“依后魏道士李兰所修道家上法秤漏，制造秤水漏器，以充行从”[198]。自此，改进后的秤漏成为皇家计时器，并被司天机构采用。秤漏在唐朝风行全国。《玉海》卷十一引夏竦《颍州莲花漏铭·序》曰：“于李兰始变古法，权器程水，以准时刻。唐之诸道，率循此制。”《小学绀珠》也说，“古代刻漏之法有二：曰浮漏，曰秤漏。”秤漏自隋唐至北宋，一直是主要的天文计时仪器。隋唐两代，中外交往更加频繁。秤漏可能也被介绍到国外。据荷兰学者史四维的研究，中世纪伊斯兰国家也曾使用秤漏计时，很可能是从中国传过去的[199]。

李兰还制造了“马上奔驰”的漏刻。其后隋代耿询进行了仿制，称为“马上漏刻”。有关文献仅有三条。唐徐坚《初学记》曰[200]：

李兰漏刻法曰：以玉壶、玉管、流珠、马上奔驰行漏。流珠者，水银之别名。

《隋书·耿询传》曰[201]：

询作马上漏刻，世称其秒。

《隋书·天文志》曰[202]：

大业初，耿询作古欹器，以漏水注之。献于炀帝，帝善之。因令与宇文恺，依后魏道士李兰所修道家上法秤漏，制秤水漏器，又作马上漏刻，以从行辨时刻。

根据这些资料，国内外有关学者对马上漏刻进行了研究。由于文献资料的记述十分简略，使人们对其原理、结构、使用方法等缺乏最起码的了解，因此产生了多种不同的推测。

李约瑟认为[203]，马上漏刻是一种停表式漏刻，其工作原理与普通秤漏相同。贮水壶、导管和受水壶全部用防腐蚀的材料（玉）制成，这样就可以使用水银。这种漏刻很适合于短时间间隔的计量，例如天文学家研究日、月食或赛跑计时之用，它有一个专名，叫作“马上奔驰”。由于李约瑟所设想的停表式漏刻，测量精度不可能很高，它在记录日、月食现象发生时间长短方面并不优越；至于用于赛跑计时，中国古代尚无记录，故李约瑟的设想很难被人接受。薄树人提出两种推测[204]：

其一，马上漏刻也使用秤漏技术。其结构如图2-11（左），一块木板上面固定着几个支架。最上端的支架托着一把玉壶，作为供水（银）壶，中部支架提着秤纽，下部支架是为顶上平升出一块金属板的鸡竿框（保护装置）。秤杆尾部立起一根顶上嵌有一粒金属圆珠的小杆。整个秤尾部套在鸡竿框之间。平常秤锤压得秤杆尾部在下，秤首保持上翘的位置，当上玉壶中水银流入下玉壶时，秤首逐渐下沉，到一定程度时秤杆尾上翘，圆珠打到鸡竿框上的金属板，发出清脆的响声。此时掌漏骑手尽可能快地用一只空玉壶替出秤首挂着的盛满了水银的壶，再将此壶中的水银又倒入上水银壶。这样整个水银漏壶组就可以保持动作不息。这种结构遇到异常情况，如骤然勒马、跨跃障碍、大风等，木板上的全组漏刻就会强烈不稳，故这种推测的合理性不大。

其二，还是在前述那块木板上，保留玉壶及支架。取消整个秤漏及支架，而是将往下的玉管接上固定在板上的曲折形竹管或铜管，见图2-11（右），管的下端出口处接着另一具玉壶。用另一个支架托着这具玉壶。水银从上壶往下流动。一旦察觉水银泻完，骑手立刻便把一具空玉壶放在下壶的地位，而把装满了水银的下壶提上来，将水银倒入上壶，倒完插箭为记。玉壶的大小、玉管的路径长短、倾斜程度，都可以设计调试到最合适的程度。薄树人认为，这种推测最为可能。

图2-11　薄树人“马上漏刻”示意图

李强[205]和郭盛炽[206]对马上漏刻的结构也作了推测。所有的推测尚无实验证实，但研究者均认为：一般的漏刻，其器具本身是处于静止状态的。而马上漏刻则是人们处于运动状态（如骑马、乘车等）情况下使用的一种计时工具。