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在古代中國(guó)稱(chēng)為“渾天說(shuō)”：“渾天如雞子，地如蛋中黃”， 它是將天地看作一個(gè)整體，將這個(gè)整體比做一枚雞卵，將地球比做卵中黃，將環(huán)繞地球的天穹比做卵白和卵殼。

“渾天說(shuō)”是以地體為天地的球心，以南、北兩天極為軸心，亦即天地的中心；以緣地球表面向四周延伸的太空為上下四方。以北天極為上，以南天極為下，以與地球赤道相平行的二十八宿為圓形天道，以將二十八宿所標(biāo)示365又四分之一度等分的十二辰為劃分時(shí)間的坐標(biāo)，并在這一立體的“卵殼”上標(biāo)示日月星辰的運(yùn)行度數(shù)。

也就是說(shuō)，古人在觀測(cè)天象方面是以地球為觀測(cè)點(diǎn)，以日月星辰的視運(yùn)動(dòng)為觀測(cè)對(duì)象。當(dāng)日月星辰東起西落時(shí)，在天穹上畫(huà)了一個(gè)半圓，北半球的人們只能看到天空上面的星球運(yùn)行狀態(tài)，如果加上觀察不到地平線以下的“北方”，就形成了一個(gè)環(huán)形的圓周運(yùn)動(dòng)，這個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡，就是我們所說(shuō)的“黃道”。

所以，在古人的時(shí)空觀里，是以上南下北、左東右西的，天體的復(fù)合運(yùn)動(dòng)都是以此為觀測(cè)基點(diǎn)。

因而由十二地支標(biāo)示的“天空十二辰”對(duì)觀測(cè)者而言，是隨整個(gè)天球參與周日和周年運(yùn)動(dòng)。隨整個(gè)天球，即是隨整個(gè)地球參與周日和周年運(yùn)動(dòng)。因?yàn)?/strong>整個(gè)天球是整個(gè)地球全方位向天穹的延伸。

正如古代中國(guó)天文學(xué)典籍《開(kāi)元占經(jīng)》所說(shuō)：南極與北極是天軸所在的處所，天旋地轉(zhuǎn)由此而起，就象車(chē)輪有車(chē)軸，所以能自行旋轉(zhuǎn)。眾星全都移動(dòng)，惟獨(dú)北極固守中央不變換位置（古人所講的用于標(biāo)識(shí)北天極位置的北極星只是相對(duì)不移動(dòng)位置，其實(shí)自古至今作為天軸軸心的北極星也是換了好幾個(gè)的，相當(dāng)于稱(chēng)號(hào)）。

即《開(kāi)元占經(jīng)》所說(shuō)的：“南極北極天軸所在，轉(zhuǎn)運(yùn)所由，譬車(chē)之有輪，所以自行也。眾星皆無(wú)常，惟北極守中不易，是以知其為天中也，天傾，故極在中北。……天圓地方，極樞中央，動(dòng)以歷靜，時(shí)乘十二。”

因此可知北極星的位置居于天地的中心，天地是傾斜的，所以（在人的視覺(jué)中）極在正北。極就象轉(zhuǎn)軸的軸心，以（相對(duì)的）靜經(jīng)歷（不停歇的）動(dòng)，計(jì)量出十二時(shí)。

這一體系所認(rèn)知的時(shí)空背景是以“極”為樞紐（中心），“時(shí)乘十二”。一年的十二月、一日的十二時(shí)，都是以極為中心對(duì)二十八宿的十二等分。用現(xiàn)代天文學(xué)的語(yǔ)言講就是以“極”為中心對(duì)地球赤道和天球赤道365又四分之一度的十二等分。

二十八宿圓盤(pán)（測(cè)天儀器）

以前人們所知的我國(guó)古代最早的天文儀器，是漢武帝時(shí)期的渾儀。漢武帝之前使用天文觀測(cè)儀器，一直以來(lái)并不清楚。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授石云里通過(guò)對(duì)西漢夏侯灶（？-前165年）墓出土的漆器進(jìn)行研究，填補(bǔ)了這一歷史空缺，發(fā)現(xiàn)了渾儀之前的天文觀測(cè)儀器——圓儀，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了用于指示節(jié)氣的圭表。

二十八宿圓盤(pán)的使用方法

二十八宿圓盤(pán)和圭表發(fā)現(xiàn)于阜陽(yáng)雙古堆西漢汝陰侯夏侯灶的墓中。汝陰侯墓是1977年當(dāng)?shù)剞r(nóng)民平整土地時(shí)發(fā)現(xiàn)的，考古工作者在清理后發(fā)現(xiàn)兩座墓。通過(guò)墓中發(fā)現(xiàn)的封泥以及漆器銘文判斷，墓葬的主人為汝陰侯夏侯灶及其夫人，距今以及2000余年。墓室中發(fā)現(xiàn)了大量的漆器、銅器、鐵器、陶器和雜器，太乙九宮占盤(pán)、六壬栻盤(pán)和二十八宿圓盤(pán)、圭表等與天文學(xué)有關(guān)的文物來(lái)自夏侯灶墓。

二十八宿圓盤(pán)由兩個(gè)圓盤(pán)構(gòu)成。上盤(pán)直徑23.6厘米、邊厚0.4厘米，下盤(pán)直徑25.6厘米、邊厚0.5厘米，兩盤(pán)中心有圓孔相通。上盤(pán)面刻六顆圓點(diǎn)，與盤(pán)心孔正好連成北斗七星的圖像。邊緣密排一周小圓孔，總數(shù)為三百六十五個(gè)，對(duì)應(yīng)古代周天度數(shù)。度數(shù)大多接近唐代《開(kāi)元占經(jīng)》中所記錄的二十八宿距度的“古度”。各宿分布并不均勻，明顯是按照實(shí)際距度分布的。

圖二十八宿盤(pán)圖紙（左：下盤(pán)；右：上盤(pán)）

圖栻盤(pán)架復(fù)原件

將二十八宿圓盤(pán)的上下盤(pán)同心地疊在一起，在中心小洞中垂直插入一根指針作為定標(biāo)。利用這件支架正好可以把圓盤(pán)支撐到與當(dāng)?shù)爻嗟烂?/strong>平行的位置上，形成一個(gè)赤道式裝置，用于天體赤道經(jīng)度的觀測(cè)。這件裝置只能在阜陽(yáng)這個(gè)緯度的地方用，換到任何一個(gè)其他的緯度上，都不能使用了，所以，所謂的“栻盤(pán)架”更準(zhǔn)確地講應(yīng)該被稱(chēng)作“二十八宿盤(pán)架”。

圖西漢汝陰侯夏侯灶墓出土二十八宿圓盤(pán)使用示意圖

赤道觀測(cè)系統(tǒng)

中國(guó)天文學(xué)起源很早，在距今四五千年前的陶寺遺址就發(fā)現(xiàn)了觀象臺(tái)。早期天文研究處于觀象授時(shí)階段，就是通過(guò)觀察太陽(yáng)升起的方位和月亮的圓缺這樣的一些天象來(lái)確定年、季節(jié)和月份等。商周時(shí)期還沒(méi)有完全擺脫觀象授時(shí)方法，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的觀測(cè)手段以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理手段都還十分有限。

到了戰(zhàn)國(guó)及秦漢時(shí)期，人們對(duì)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究興趣以及從太陽(yáng)、月亮擴(kuò)展到了五大行星，對(duì)天文歷法數(shù)據(jù)經(jīng)度的要求也進(jìn)一步提高。石申、甘德《星經(jīng)》源于戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，其中列出了一千四百多顆恒星的坐標(biāo)數(shù)值，是世界上現(xiàn)存最早的恒星表。

長(zhǎng)沙馬王堆西漢墓出土了帛書(shū)《五星占》，其中不僅列出了從秦元年（前246年）到漢文帝三年（前133年）五大行星的運(yùn)動(dòng)狀況，還列出了它們的恒星周期、會(huì)和周期，另外還有每年和每天運(yùn)動(dòng)多少度多少分等數(shù)值。這些都是上述新趨勢(shì)的直接體現(xiàn)。

精密的天文學(xué)研究離不開(kāi)精密的天體測(cè)驗(yàn)以及相應(yīng)的天文儀器。漢武帝時(shí)期出現(xiàn)了渾儀，元代又有了更加先進(jìn)的簡(jiǎn)儀。在漢武帝之前，人們?nèi)〉玫挠^測(cè)成果是依靠什么工具取得的，這一只是一個(gè)謎。“直到二十八宿圓盤(pán)的秘密破解，人們應(yīng)該就是使用這樣的‘圓儀’來(lái)對(duì)天體位置進(jìn)行測(cè)量的。二十八宿圓盤(pán)的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了中國(guó)天文儀器史上的一個(gè)空白”。

此外，這件“圓儀”也是一個(gè)赤道觀測(cè)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)直到今天仍舊有重要影響。

從西漢時(shí)期的圓儀、渾儀到后來(lái)的簡(jiǎn)儀，中國(guó)古代天文觀測(cè)儀器用的都是赤道系統(tǒng)。赤道系統(tǒng)是中國(guó)古代天文學(xué)的一個(gè)重要發(fā)明。

觀測(cè)儀器

我國(guó)“赤道式裝置渾儀”的出現(xiàn)早于世界各國(guó)。《史記五帝本紀(jì)第一》記載：“帝堯老，命舜攝行天子之政，以觀天命。舜乃在璇璣玉衡，以齊七政。”璇璣玉衡就是觀測(cè)天象的古老儀器。渾儀則是璇璣玉衡之后用來(lái)對(duì)天體進(jìn)行觀測(cè)的儀器，七政指日、月、五星這七個(gè)天體。

最原始的渾儀是一個(gè)簡(jiǎn)單的單環(huán)，附有某種照準(zhǔn)線或照準(zhǔn)器，裝在子午面或赤道面上。測(cè)量的結(jié)果，或是某星的北極距即緯度，或是入宿度即赤經(jīng)。無(wú)疑，石申、甘德當(dāng)時(shí)能用的也就是這樣的儀器。一些證據(jù)表明，到落下閎、鮮于妄人的時(shí)代（約西元元前一世紀(jì)）情況就是如此。

自西漢制造出銅渾天儀以后，歷代都有人改進(jìn)、完善它。例如東漢中期，天文學(xué)家傅安、賈逵提出在渾儀上添加黃道環(huán)的建議，獲得批準(zhǔn)，于永元十五年（103年）制出名為“太史黃道銅儀”的渾儀。

太史黃道銅儀誕生以后，繼續(xù)設(shè)計(jì)、改善渾儀的還有東漢張衡，三國(guó)時(shí)期的王蕃、葛衡，南朝的錢(qián)樂(lè)之、陶宏景，隋唐的耿詢(xún)、僧一行、梁令瓚等。到宋代，天文學(xué)家蘇頌集眾家之長(zhǎng)，于元祐七年（1092）制成最宏偉、最復(fù)雜、最精密的“水運(yùn)渾天”──“水運(yùn)儀象臺(tái)”。它包括渾儀、渾象、報(bào)時(shí)三部分，可以說(shuō)是近代天文臺(tái)的雛形。渾儀設(shè)置在水運(yùn)儀象臺(tái)的最上層。

為編制大衍歷的需要，一行和梁令瓚等人共同制作了用于天體位置（赤道、黃道、白道和地平四種坐標(biāo)）測(cè)量的新儀器——黃道游儀。

該儀器是在唐初天文學(xué)家“李淳風(fēng)”所制的渾天黃道儀的基礎(chǔ)上演變、發(fā)展而成的。黃道游儀有三重環(huán)組構(gòu)成：外面一重是固定不動(dòng)的，包括有地平、子午（南北方向）和卯酉（東西方向）三個(gè)環(huán)；中間一重是黃道環(huán)、赤道環(huán)和白道環(huán)三個(gè)環(huán)，它們均可繞極軸轉(zhuǎn)動(dòng)；里面一重是夾有窺管的四游環(huán)，可以靈活地照準(zhǔn)任一天體。

另外，李淳風(fēng)曾在黃道環(huán)上打了249對(duì)孔，令白道環(huán)每經(jīng)約27日移動(dòng)一對(duì)孔，以適應(yīng)黃白交點(diǎn)沿黃道不斷西移的天文現(xiàn)象。

對(duì)此，一行等人稍作改進(jìn)，他們分別在黃道環(huán)和赤道環(huán)上每隔一度打一個(gè)孔，計(jì)365個(gè)小孔，前者與李淳風(fēng)的用意相當(dāng)，后者則是為適應(yīng)“歲差”現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的。

一行和梁令瓚還共同制作了用于演示天象和報(bào)時(shí)的水運(yùn)渾天儀，這是對(duì)張衡水運(yùn)渾象的發(fā)展，既能自動(dòng)地表演天球和日月的運(yùn)動(dòng)，還能令立于地平環(huán)上的兩個(gè)木人按刻自然擊鼓，依辰自然打鐘，是為自動(dòng)報(bào)時(shí)器的始祖。

圖渾天儀圖

宋代制造的渾儀特別多，北宋從995年到1092年不到百年之中，先后鑄成了五架巨型渾儀，每架用銅均達(dá)2萬(wàn)斤左右。南宋時(shí)期又有多架渾儀問(wèn)世。這種情況為前代所未見(jiàn)。

這些渾儀基本保持了傳統(tǒng)的多環(huán)圈結(jié)構(gòu)，有的在儀器校正和環(huán)圈設(shè)置方面進(jìn)行了某些改革。如從皇祐渾儀（1050年）起，不但沿用北魏孔挺渾儀（412年）在儀器底座開(kāi)鑿水平溝，令底座處于水平位置的舊法，而且還在地平環(huán)上開(kāi)了一圈水平槽，以調(diào)節(jié)儀器工作部分保持水平狀態(tài)。

又如沈括渾儀（1074年），可通過(guò)渾儀南北極軸孔觀測(cè)北極星的位置，把極軸孔中心調(diào)整到北極星軌道的中心點(diǎn)上，使渾儀的極軸得到校正。沈括還取消了白道環(huán)，意在減少不十分必要的環(huán)圈對(duì)天區(qū)的遮掩。

此外他還曾提出了改變某些環(huán)圈安置位置的建議。沈括關(guān)于渾儀的改革和設(shè)計(jì)思想，到元代經(jīng)郭守敬的努力，得到了充分的發(fā)展，遂有簡(jiǎn)儀的出現(xiàn)。

徐振濤先生指出：“渾儀的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)與天球赤道相一致的圓環(huán)，——赤道環(huán)和一個(gè)通過(guò)天極、與赤道環(huán)垂直而可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圓環(huán)——時(shí)圈環(huán)，再加上一根可以在時(shí)圈內(nèi)徊轉(zhuǎn)的窺管（當(dāng)然實(shí)際的渾儀裝置還要復(fù)雜些）。

這種裝置使得觀測(cè)者只要轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)圈環(huán)和其中的窺管，便可以通過(guò)窺管內(nèi)觀測(cè)任何一部分天空上的天體，并且可以在時(shí)圈環(huán)上讀出這天體的‘去極度’，在赤道環(huán)上讀出這天體與另一天體的‘距度’。”

‘去極度’就是赤道的余弧，距度就是兩天體的‘赤經(jīng)差’。如果天體之一換為春分點(diǎn)，距度也就是赤經(jīng)了。因此，渾儀結(jié)構(gòu)的基本原理，就是使它對(duì)應(yīng)于天體繞天極的圓周運(yùn)動(dòng)。

圖簡(jiǎn)儀示意圖

元代簡(jiǎn)儀，僅保留了傳統(tǒng)渾儀的四種最基本的環(huán)圈，并且把它們分成彼此獨(dú)立的兩組分別安裝：

第一組由赤道環(huán)、百刻環(huán)和四游環(huán)組成，赤道環(huán)和百刻環(huán)與極軸相垂直，兩者重疊安裝，其間平放四個(gè)圓筒形的短銅棍，使轉(zhuǎn)動(dòng)靈便，這是世界上滾筒軸承的最早應(yīng)用。

四游環(huán)垂直安置于赤道環(huán)心之上，在四游環(huán)轉(zhuǎn)軸頂端還安有定極環(huán)，用來(lái)觀測(cè)北極星，以校正儀器的極軸方向。這是一組赤道坐標(biāo)裝置，是世界上最早的大赤道儀。

第二組由陰緯環(huán)（即地平環(huán)）和立運(yùn)環(huán)（相當(dāng)于四游環(huán)）組成，立運(yùn)環(huán)垂直安置在陰緯環(huán)心之上，底座刻有水槽，用來(lái)校正陰緯環(huán)，使之處于水平面上。它們構(gòu)成了一組地平坐標(biāo)裝置，與近現(xiàn)代的地平經(jīng)緯儀相當(dāng)。

簡(jiǎn)儀所取環(huán)圈的減少，以及分組安裝法和環(huán)心垂直安置法的采用，克服了傳統(tǒng)渾儀環(huán)圈眾多、遮蔽天區(qū)的弊端，及多環(huán)同心交叉安置法的技術(shù)困難和較大誤差，顯示了適用性、靈活性和準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)。

此外，簡(jiǎn)儀又以窺衡代替傳統(tǒng)的窺管，即以兩線取齊的照準(zhǔn)法取代兩圓孔面之間的照準(zhǔn)法，起到了提高照準(zhǔn)精度的作用。

這種赤道式裝置十分便于跟蹤觀測(cè)天體的周日視運(yùn)動(dòng)，因而一直到今天還在現(xiàn)代化的天文望遠(yuǎn)鏡中采用著。

沒(méi)有渾天說(shuō)的宇宙結(jié)構(gòu)理論，沒(méi)有赤道坐標(biāo)系統(tǒng)以及按照這個(gè)系統(tǒng)裝置的渾儀，是不可能有甘氏、石氏星表的誕生的，也不可能有馬王堆漢墓帛書(shū)的比較精確的五星行度表的誕生的。

由于中國(guó)看重天極-赤道系統(tǒng)，也導(dǎo)致了至少在儀器方面的有兩項(xiàng)重要成果：一是發(fā)明窺管和望遠(yuǎn)鏡的赤道式裝置，二是發(fā)明轉(zhuǎn)儀鐘和機(jī)械鐘。

簡(jiǎn)單的解釋是，基本上它是以天球?yàn)槟Ｐ?/strong>的大圓體系，窺管裝于其中，因而它盡可能精確地指向視天穹上的任何一點(diǎn)。

其次是支撐裝置，一直流傳到今天，仍為所有望遠(yuǎn)鏡裝置的零部件形式，它的進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致了為中央天象儀的支撐裝置。

也就是說(shuō)，現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡的支撐裝置，是在中國(guó)人所創(chuàng)造的“赤道式渾天儀”的基礎(chǔ)上傳承演變而來(lái)的！

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