中国古代天文仪器：彩图青少版的科技通史

中国古代天文仪器，可以分为四个类别：测量仪器，主要是测角，如赤道仪、浑仪、简仪等；计时仪器，如圭表、日晷，漏刻等；演示仪器，浑象、盖天仪等；综合天文仪器，集多种功能于一体，比如漏水转浑天仪、水运仪象台等。

江苏南京紫金山天文台简仪

“表”是中国最古老的天文仪器，据考证，在公元前15世纪末，周人已能立表定向。表又有“皋”“竿”“髀”“碑”等名称，其实就是一根直立在地上的杆子，通过“立竿见影”来测定方向、节气、时刻和地域。比如通过测量正午时表影的长度就可以确定节气和时刻，从而推算回归年的长度，这也是古代历法的基础。“圭”是用来测量影子长短的尺子，与表组合在一起就成为圭表，一般认为出现于春秋战国时期。汉代之后，各种形式的圭表成为历代官方灵台上的重要仪器，提高它的测量精度也成为历代天文学家的工作内容。

江苏南京紫金山天文台圭表，圭表是最古老的天文仪器

如果说中国传统天文仪器萌芽于先秦，那么到两汉时，随着浑天说体系的确立，天文仪器在制造和使用上出现了第一次飞跃。“浑象”“浑仪”“浑天仪”之名均确立于汉代，特别是张衡创制的漏水转浑天仪，更是开古代水运仪象之先河。自此，浑仪、浑象、水运浑天仪、漏刻和圭表，构成了中国传统天文仪器的基础体系。这个基础体系经过魏晋至隋唐时期的延续、改良和发展，终于成就了宋元天文仪器创造和制作的鼎盛时代。明代，确切地说是明代中期之后，传统仪器发展日渐停滞，欧洲古典天文仪器随着传教士一道传入了中国，自此开启了中国天文仪器之近代转型。

通常认为中国古代仪器中的“浑仪”是浑天学说的测量仪器，具有多环圈结构；而“浑象”是浑天学说的演示仪器，是一个封闭的圆球，类似于现代的天球仪。然而你阅读相关史料文献的时候，就不难发现：测量仪器可能被叫作“浑仪”或“浑天仪”，演示仪器可能被叫作“浑象”或“浑天图”，也可能被叫作“浑仪”和“浑天仪”。于是就有人表示，古代浑象和浑仪的名称是长期混用的，浑天仪就是浑象和浑仪的通称。或者举出沈括记录在《梦溪笔谈》中举人应试皆“杂用仪象”一事，以及《隋书》中李淳风评价何承天“莫辨仪象”之事，来说明古代人对“浑仪”和“浑象”的混淆。

然而如果仔细分辨，古代记录中对于仪象的混用，其实仅在表面，也就是仅在名称上。即便是将演示仪器称作浑仪这样的案例，也有着它自身特殊的逻辑线索，并非真正的“错认”。究其原因，其实是对天文仪器，确切地说是演示仪器，也就是浑象定义的不统一所导致的命名偏差。

首先，浑仪是测量仪器，具有环形结构这件事情，是没有人会搞错的。这就奠定了一个认知推论——环形的装置就是浑仪。到了浑象这里，认知偏差就开始出现了。按照字面意思，浑象是浑天之象，也就是浑天的模型，浑天是什么样子的呢？是一个天球，那浑天之象也就是一个圆球，所以球形的就是浑象。很清楚的定义和区分是不是？然后问题就来了。历史上人们制作了一批不是球形（环形），也不能用于观测的演示仪器，你叫它浑象呢，它不是天球，是环仪；你叫它浑仪呢，它又不能观测。那怎么处理呢？只能是“随便叫”。看中仪器的演示功能，就叫“浑象”；看中仪器的环形结构，就叫“浑仪”；实在不知道怎么命名，就叫浑天仪（李约瑟就此提出了“演示用浑仪”的概念。但考究中国天文仪器的传统，称它为“环形浑象”似乎更为清晰。更重要的是，对“浑象”的定义进行修正，用“浑天说的演示仪器”来代替“天球演示仪器”，在一定程度上避免了当代人的误解）。

浑仪模型，它是中国古代官方天文机构配备的重要仪器

从表面上看，这就产生了某些混乱，那么“随便叫”这种事情真的发生了吗？其实不然。通观历代有具体结构记载的天文仪器可以发现：观测浑仪是绝对不会叫作“象”的；而如果一架天文仪器被取名“仪”，无论它的功能是什么，结构都不会是封闭天球。所以说文献中的名称混乱只是一种表面现象，只不过是写作之人根据自己对仪象的辨别和定义进行的不同叙述而已。

利玛窦带入中国的“地心环形天球仪”

此外，演示仪器的命名问题只发生在宋代及宋代之前，宋代之后不再有传统环状演示仪器的制造记载，所制演示仪器均为天球仪（元代玲珑仪另行讨论）。这一情况随着传教士利玛窦将欧洲传统的“地心环形天球仪”传入中国而有所反复。

利玛窦将一种翻译为“天地仪”或“天地球”的欧洲演示仪器传入中国。这种演示仪器是多圈环形，中心装置是地球模型，利玛窦绘制世界地图的时候将图示和文字介绍同时附上，称它为“天地仪”。之后《乾坤体仪》和《浑盖通宪图说》均将此“天地仪”收录其中，入乡随俗，称之为“浑天象”，表明这是一种演示仪器。然而有趣的是，中国本土知识分子在介绍这种仪器时，则又将其改为“浑天仪”之名，可见“浑象”就是球形的这一认知影响之深。

延伸阅读

“浑天仪”名字的由来

“浑天仪”一词始于东汉张衡的“漏水转浑天仪”。《现代汉语词典》对“浑天仪”的解释如下：

浑天仪：1.浑仪；2.浑象。

浑象：我国古代表示天象运转的仪器，相当于现代的天球仪。也叫浑天仪。

浑仪：我国古代测量天体位置的仪器，也叫浑天仪。

《中国大百科全书·天文卷》的释义更为详细，现把定义部分摘引于下：

浑仪和浑象：浑仪是由许多同心圆环组成的一种仪器，总起来看好像包在一个圆球里。浑象则是一个真正的圆球。浑仪和浑象又是反映浑天说的仪器，因而在早期常常统称为浑天仪。

漏水转浑天仪：东汉科学家张衡创制的一件天文仪器，简称浑天仪，是一种水运浑象。

正是如此释义，使得“浑天仪”一词对于公众来说一直具有“历久弥新”般的新鲜感觉。古代人是不是会把演示仪器和观测仪器都叫作浑天仪呢？答案是肯定的。是不是所有浑象和浑仪都可以称作浑天仪呢？并不是的。那什么样的天文仪器能被称为“浑天仪”呢？

具有漏水转系统的张衡制式的水运天文仪器，有可能被称为“浑天仪”，比如“开元水运铜浑”。苏颂在《新仪象法要》中将浑天仪与浑仪、浑象并列为古代三种天文仪器，又称自己所制造的水运仪象台是一种“浑天仪象”。所以“浑天仪”的第一个定义是：具有水运系统的自动运转的浑天仪器，以张衡的漏水转浑天仪为代表。

古人对于“浑天仪”还有两条明确的说明：第一，浑天仪是古璇玑玉衡；第二，浑天仪是六合、三辰、四游之法的浑仪。这两种说法其实是以“水运仪象台”为分界的。综合来说，在水运仪象台制造出来之前，张衡的漏水转仪器就是浑天仪的基本模式；苏颂的水运仪象台在张衡浑天仪的模式之上加入了天球仪的浑象；而水运仪象台之后，水运之法失传，集六合仪、三辰仪、四游仪于一体的复杂浑仪被称为“浑天仪”。而不具备水运系统的浑象和非六合、三辰、四游结构的浑仪，是不会叫作浑天仪的。所以，将浑天仪笼统定义为浑仪和浑象的统称，并不合适。

其实最为清晰的做法是，狭义地将浑天仪定义为它最初的意义，即水运浑天天文仪器；其余的浑仪是浑仪，浑象是浑象，就不会再混淆了。当然，这里还有一个前提，即修正对“浑象”是一个圆球的固有认知。

需要说明的是，利玛窦带入的“地心环形天球仪”，是一种典型的欧洲托勒密体系的可演示天地结构的天文仪器，像装饰品一样流行于13—17世纪的欧洲。这与中国汉唐时期制造的环形演示仪器并不能混为一谈，只提一点，浑天说的支持者并不承认大地是球形的，并且认为天地的尺度相差无几。

历史记载中具有明显结构特征的古代天文仪象，可以分为观测仪器浑仪、演示仪器浑象，以及具有复合功能的水运天文装置，也就是浑仪、浑象与水运仪象（水运仪象通常会被划分到演示仪器的行列）。

浑仪

浑仪出现的时间目前并不能确定，只能说不会早于浑天说的建立，也不会晚于张衡，当然，在浑仪之前，必定存在某种天文测角仪器。最早的浑仪结构，史书也没有相关记载，有详细结构的传世浑仪是东晋时期323年制作的孔挺浑仪。孔挺浑仪的环圈有两层结构，外层包括一个子午双环、一个地平单环、一个赤道单环；内层是一个可绕极轴转动的赤经双环（四游双环），环里装有窥管，可以在环面内绕环心转动。窥管在四游环上指示的是去极度，四游环在赤道环上指示的是赤经度，这就是“古制浑仪”。(www.xing528.com)

古浑仪是没有黄道环的，但观测者早就发现，太阳、月亮和五大行星的视运动轨迹是沿着黄道进行的，所以东汉贾逵制造了一架“太史黄道铜仪”。但因为黄道在天球上没有明显的标志，位置也在时刻变化，将黄道系统装置在浑仪之上又要做到能转动，这个问题在早期是无法解决的。即便是单独使用黄道仪，对准实际黄道操作起来也比较困难，因此黄道铜仪在当时作为观测仪器并不实用。孔挺式的浑仪一直被沿用到唐代，其间北魏晁崇和斛兰造了一座孔挺式的铁浑仪，但在仪器下部装置了“十字水平”，可保持仪器在水平方向上的稳定性。

唐代李淳风解决了黄道难以测准的问题，创造了采用六合仪、三辰仪和四游仪组合的三层结构的新式浑仪。其中最具创新意义的是三辰仪的设计，位于浑仪的中间层，由赤道环、黄道环、白道环与赤经环组成，可以绕极轴转动。三辰仪中的赤道环标有二十八宿的位置，观测时只要将它与天空中的二十八宿对准，则黄道环就自然与实际的黄道对准了，有效地解决了之前黄道铜仪的取准问题。李淳风的浑仪确立了中国浑仪三重结构的形制，但它的结构和操作都非常复杂，导致该浑仪闲置并丢失。（丢失这件事情实在让人费解。）

再一次制造新浑仪是开元九年（721年），僧一行和梁令瓒制“太史黄道游仪”，虽然具有和李淳风所制的浑仪一样的三重结构，但有明显的改进。用卯酉环代替原来六合仪中的赤道环，并在三辰仪中的赤道环上每度打一个孔，模仿古人所理解的岁差现象，使黄道环可以沿着赤道环退行。北宋共制造了四座大型浑仪，分别是韩显符浑仪（至道浑仪）、皇祐浑仪、熙宁浑仪（沈括制造）、元祐浑仪（水运仪象台中的浑仪），基本保持了三重结构，也进行了一些改进。

元代郭守敬所制天文仪器中，没有关于传统浑仪的内容，而以简仪代之。明代时仿制了一批前代仪器，浑仪采用了宋代制法。清代后期，传统天文仪器受到了欧洲仪器的影响，有记载的大型天文仪器制造就是本章开头介绍过的古观象台的8件仪器的制造。

浑象

天球式浑象的主体是一个天球，可以绕固定轴转动，与天体的周日的视运动相对应。天球上设有黄道、赤道、恒显圈、恒隐圈，二十八宿中外星官，或者还外置日、月、五星（七曜）。正如前文所说，根据大地的表示方式，浑象可以分为两种：一种是与天球仪类似的球形浑象（实球）；一种是“地在天中”装置有大地模型的环圈仪器（虚球）。

最早有结构记载的是张衡制造的“水运浑象”，目前认为该浑象是一个封闭球体。关于张衡漏水转浑天仪是环仪还是球仪的问题，虽然目前学界普遍认为这是一个圆球，但实际上并没有文献确切说明，现有观点只是推论。之后的记载是东吴葛衡的“作浑天，使地居于中，以机动之”，这是最早的关于环形浑象的明确记载。之后关于演示仪器的记载是南朝宋文帝元嘉年间，太史令钱乐之所制浑仪与小浑天，均为地在天中的环形浑象，且前者具有水运系统。再之后记载的是梁代陶弘景制造的地在天中的浑天象；隋代耿询的“创意造浑天仪”“以水转之”，并不能确认该浑天仪是环状还是球状；唐宋两代所制造的同样为复合型水运仪器。

浑象（模型），仪体分三层：外层为六合仪，中层为三辰仪，里层为四游仪

因此，如果提及像现代天球仪一样的天球浑象，它在中国最早的描述均在《隋书·天文志》之中，也就是唐人的叙述，很有可能是李淳风个人的叙述。《隋书·天文志》中先是引用三国王蕃的观点，给出了地在天外的天球浑象的定义；接着介绍了梁末秘府藏有一架木制浑象，形制类似于现代的天球仪。然而宋代苏颂根据《隋书》这一记载制造天球浑象之前，没有任何官方制造圆球浑象的记录。包括张衡的水运浑象，它的圆球结构也似乎是一种默认，并没有确切的史料说明。而有说明的演示仪器，均为“地在天中”的环形浑象。

这说明，除去张衡的水运浑象，中国在汉唐时期的演示仪器的制造传统，是水运环形结构。唐代制造的“水运浑天俯视图”的天球结构可能是圆球（学界目前认为它是圆球），宋代水运仪象台中的浑象才是中国最早的有明确记载的天球浑象，但也附属于水运系统之中，并非独立的“天球仪”。这样看来，至少直到宋代，中国官方天文机构中也没有出现定义中像现代天球仪一样的“浑象”。而最早有制造记录的独立天球仪，是元代的郭守敬浑象，以及同时代西域仪象中的“浑天图”。

明清时西方天球仪的传入，固化了浑象就是圆球这一认知，哪怕汤若望在《浑天仪说》中明确表示天球演示仪器有实球和虚球之分，也没能产生应有的影响。当然，那个时候，中国传统天文仪器早就走到落幕之时，轰轰烈烈的近代知识转型已然在进行之中了。

水运仪象

水运仪象可能是最具有中国古代传统特色的天文仪器。张衡创造了带有黄道系统的浑象，贾逵制造了“太史黄道铜仪”之后，因为难以对准黄道，实操性较低，并没有投入使用。水运浑象虽不能在直接观测中发挥作用，但可以采用结合漏刻的方式，模拟浑天的运转，从而与灵台的直接观测者进行对照，合作完成占候和验历的工作。

记载中张衡制造了放置于殿上的水运浑象，以及置于密室中的漏水转浑天仪，有人认为这是同一种仪器，有人认为它们并不相同。最有可能的推断是，水运浑象和漏水转浑天仪的主要结构是相同的，但水运浑象放置于殿上，它最重要的功能是演示，所以演示内容丰富，比如增加了月相的演示；而密室中的漏水转浑天仪，它的主要功能是与灵台观测者合作进行占候，检验观测成果，无须过多的内容演示，但需要较高的制造精度。

水运仪象台中的报时装置，一层负责报告时初、时正，一层负责报告时刻

张衡的浑天仪开创了古代水运仪象的先河，形成一直延续到宋代的制造传统。汉唐之间有许多张衡浑天仪式的水运仪象的制造记录，不同的是所记录的水运仪象几乎全都是环形结构。（隋代耿询的浑天仪没有结构说明。）

唐代“水运浑天”的制造，是中国古代的水运天文装置走上高峰的标志。僧一行和梁令瓒在开元十三年（725年）制造的“开元水运浑天俯视图”，不仅能自动演示天球的周日运动，而且还在天球外置日、月轨道，用以演示日、月在恒星背景上的运动。除此之外，仪器上设有两个报时木人按刻击鼓，按辰敲钟。从整体上看，开元水运浑天俯视图是集天球式浑象演示与天文钟报时功能为一体的天象仪，“俯视图”一名点出了它的观看方式及仪器性质。（“水运浑天俯视图”的命名，似乎暗示着它的球面星图的结构，但通过记载中的“铸铜为圆天之象”并不能确认它的球仪特点。）

宋代制造了两种水运仪象：一是“太平浑仪”，一是著名的仪器“水运仪象台”。张思训所制“太平浑仪”，“并着日月象，皆取仰视”。苏颂在《新仪象法要》中又评论：“思训准开元之法，而上以盖为紫宫，旁为周天度，而正东西转，出其新意也。”这一论述形象地将太平浑仪可旋转的天穹结构进行了描述。总体而言，张思训所制“太平浑仪”为一座兼具报时功能的天文钟式演示仪器，它的天象演示部分是一种类似于“盖天图仪”的穹形天顶结构。

宋代元祐年间的“水运仪象台”的出现，特别是配套手册《新仪象法要》的问世，将中国古代自动天象演示仪器的发展推向了顶峰。“水运仪象台”共有三层结构，顶层安置浑仪，中层装置浑象，底层是动力装置和复杂的报时系统。（《新仪象法要》中关于水运仪象台的介绍非常全面，此处不再一一赘述。）

《宋史》中记载了宣和六年（1124年），一位王姓方士设计了一台被叫作“玑衡”的水运浑象，同样装有报时系统，并可演示月相变化。

水运仪象始于东汉张衡，北宋“水运仪象台”的制造将这种传统仪器的发展推上顶峰。然盛极而衰，北宋之后，再无关于大型水运仪象的官方制造的记载，这一天文仪器的制造使用传统也戛然而止。

在一些研究中，经常有现代学者将古代某件天文演示仪器称作“假天仪”，那么假天仪究竟是何种仪器？又为什么会被叫作“假天仪”呢？假天仪是人能进入到浑天象内部来观察星象的一种仪器。“人在天中”抬头观看的装置为假天仪，那么早期的盖天仪、明堂是不是都可以被看作“假天仪”呢？目前似乎只有三件古代仪器被看作是假天仪，分别是宋代张思训的“太平浑仪”、宋代朱弁笔记中的“苏子容铜浑仪”，以及元代郭守敬制造的“玲珑仪”。

首先要对“假天仪”这一名称进行说明。“假天仪”并非中国古代就有的传统仪器术语，实际上是根据近代天文学家高鲁向国内介绍光学投影式天象仪时所用名称“假天”追认而来。光学天象仪结合机械电力设计，通过投影系统向穹顶上投映星空和天象，创造出一种人在其中仰观天象的演示环境。高鲁所言“假天”指光学天象仪及其所配套的穹形投映天幕，而现代学者所说的“假天仪”则将此定义进行了外延，将人在仪器中仰视观看的巨球式天球仪及类似形制的仪器都追认为“假天仪”。

根据“假天仪”的投影和观看方式，若要追认之前的天文演示仪器，只仰观一点是不够的。对“真天”的模拟，一是要模拟出“抬头望天”，二是要模拟出“天及天体之运行”。所以如果要将古代的天文演示仪器追认为“假天仪”，需具备两个条件，即模拟出“人在天中”的环境，以及能与“真天”相仿的天象自动运行。

假天仪结构示意图。人坐于球体内，借用天然光线，形象地观看星空

在这样的定义之下，可以自动运转的盖天仪系统，以及宋代张思训的太平浑仪都可以被追认为古代的“假天仪”。同时，关于宋代朱弁《曲洧旧闻》中的“苏子容铜浑仪”，苏颂仅制造了水运仪象台，基本排除再制“假天仪”的可能。

郭守敬的玲珑仪并非浑仪，也与一般意义上的“假天仪”有区别，它的结构以细网格球体为基础，叠套球环等其他部件。网格球体作为坐标系，观察者进入它的内部观看，可演示星体及主要天体的运行。这是郭守敬创制的新型仪器，在设计制作的过程中继承了宋代仰观仪器的理念，并很可能受到了阿拉伯天文仪器的影响。如果能证实玲珑仪是可以自动运转的，就能够将它追认为元代的“假天仪”了。而这需要进一步发掘史料和考古证据，从而继续探讨。

（本章执笔：张楠博士）