古代大型天文儀器

王福諄

（廣東工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，廣東 廣州 511400）

1 我國古代的天文學(xué)和天文儀器

1.1 我國古代天文學(xué)的發(fā)展

我國是天文學(xué)發(fā)展最早的國家之一，古代人們通過觀察和測定日、月、星辰等天體的位置，以及星辰到達(dá)某個位置的時間，發(fā)展了天文學(xué)，用以制訂歷法，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有利于人民的生活。我國是較早進(jìn)入農(nóng)牧業(yè)社會的國家，為了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，歷來都很重視對天文的研究，為了判斷氣候的變化，預(yù)示春、夏、秋、冬各個季節(jié)和二十四節(jié)氣的來臨，古代中國很早就制訂并不斷改進(jìn)了陰歷和陰陽合歷的農(nóng)歷，所以有人說，我國古代天文學(xué)史，在一定意義上來說，就是一部歷法改革史。

我國古代學(xué)者在觀測和研究天體運動中，曾有過3種不同的天文學(xué)說，一為“蓋天說”，即“天圓地方說”；二為“渾天說”；三為“宣夜說”。其中，“渾天說”認(rèn)為天是渾圓的，上面綴滿星星，包著地球，并依南北極為軸而轉(zhuǎn)動的說法，頗有見識，比較符合實際，故被朝野重視，并為歷代天文學(xué)家采用，故以渾天說為理論基礎(chǔ)制造的天文儀器，一直在使用，并獲得發(fā)展，而且得到不斷的改進(jìn)，使我國古代天文學(xué)取得了巨大成就。

1.2 我國古代天文儀器的發(fā)明和發(fā)展

我國在漢代時，頗有見識的渾天說，就被越來越多的天文學(xué)者所賞識，并據(jù)此發(fā)明了不少天文儀器和計時儀器，這些儀器大多是用青銅鑄造的，其中，渾儀就是以渾天說為理論基礎(chǔ)制造的觀測天象的天文儀器，渾象則是表演天體運動的天文儀器，圭表、日晷和漏刻是計時儀器。有了這些儀器，就能精確測量天體，制訂歷法，掌握季節(jié)和時間的變化。據(jù)史載，西漢武帝時（公元前140年—前87年），著名天文學(xué)家落下閎就用銅制渾儀，觀測日、月、星辰，他是目前已知的最早的渾儀制造者，距今已2000多年[1]。漢宣帝時（公元前73年—前49年），大司農(nóng)中丞耿壽昌創(chuàng)制了鑄銅渾象，渾象是一種表演天體視運動的天文儀器，耿壽昌是我國古代第一架渾象的創(chuàng)制者。東漢中期的傅安和賈逵改進(jìn)了渾儀，添加了黃道環(huán)，于東漢永元十五年（103年），制成了名為“太史黃道銅儀”的渾儀[2]。而東漢著名的科學(xué)家張衡，創(chuàng)制了“水運渾天儀”，其主體是渾象，增設(shè)了地平環(huán)和子午環(huán)，采用齒輪系統(tǒng)，把渾象和漏壺連接起來，利用漏水的力量使儀器均勻轉(zhuǎn)動，把天空中日、月、星辰的周日運動演示出來。張衡還創(chuàng)制了世界上第一架測試地震的地動儀。張衡創(chuàng)制的渾天儀和地動儀，都是古代大型銅制科學(xué)儀器，據(jù)載：地動儀“以精銅鑄成，圓徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊”，儀器上的8條騰龍，口銜銅丸，與穩(wěn)居八方靈臺上的8只銅蟾蜍，張口對視。東漢永和三年（138年），安置于洛陽的地動儀，準(zhǔn)確地測出數(shù)千里外的甘肅東南部發(fā)生的大地震[3]，可見，這架大型地動儀的確非常管用。可惜，這些古代儀器早已不存。唐代時，天文學(xué)家李淳風(fēng)制造了一架更完善、更精密的渾天黃道儀，即附有三辰儀的渾儀，使渾儀的制作，達(dá)到較為完善的階段。唐開元十一年（723年），著名天文學(xué)家僧一行和梁令贊合作，用銅、鐵制成新的黃道游儀，這架“水運渾天”，比張衡的“水運渾天儀”又有了新的發(fā)展，“注水激輪，令其自轉(zhuǎn)，一晝夜而天運周。外絡(luò)二輪，綴以日、月，令得運行，每天西旋一周，日車行一度，月行十三度十九分度之七，二十九轉(zhuǎn)有余而日月會，三百六十五轉(zhuǎn)而日周天。”[4]到了宋代，渾儀和渾象獲得進(jìn)一步發(fā)展，宋代著名科學(xué)家沈括、蘇頌等，都對渾儀作了改進(jìn)，制作天文儀器的材料，也不只是青銅，不少儀器已從錫青銅改為黃銅制作，使儀器更加美觀適用，并使宋代成為我國歷史上制造渾儀最多的朝代。宋元祐元年（1086年），宋哲宗命蘇頌制造渾儀。蘇頌和韓公廉合作，于宋元祐七年（1092年），創(chuàng)制了“水運儀象臺”，該儀器實為一小型天文臺，全臺分三層裝置：下層是水輪和銅壺滴漏的機(jī)械，為報時系統(tǒng)；中層裝設(shè)渾象；上層裝設(shè)渾儀，且有可以開閉的屋頂。“其制造之精，遠(yuǎn)出前古”[5]。元代至元十三年到十七年（1726年—1730年）之間，著名天文學(xué)家郭守敬，主持設(shè)計、制造了簡儀、高表、渾天象等12種天文儀器，其中，簡儀是渾儀的革新產(chǎn)物，簡化了機(jī)構(gòu)，擴(kuò)大了觀測天空的視野和項目，是具有世界意義的發(fā)明創(chuàng)造[6]，比歐洲發(fā)明類似的天文儀器早了300多年?？上н@些大型實用的天文儀器，也都沒有留存下來。明代則多是仿造宋代和元代的天文儀器，雖然，不少明代的大型天文儀器也已被損毀，但是，仿制宋代的一座渾儀和仿制元代的簡儀，卻留存至今。清代康熙八年（1669年），由南懷仁主持設(shè)計制造了赤道經(jīng)緯儀、黃道經(jīng)緯儀、天體儀等6件銅制天文儀器，康熙五十四年（1715年），由紀(jì)里安主持設(shè)計制造了地平經(jīng)緯儀，這7件大型天文儀器，使我國古代天文儀的制作，又有了新的發(fā)展，也是我國古代中西結(jié)合的典型產(chǎn)物。清乾隆九年（1744年），又制造了“璣衡撫辰儀”，該儀器類似渾儀，但擴(kuò)大了觀測區(qū)域，提高了觀測精度，是清代制造的最后一件大型天文儀。

1.3 現(xiàn)存的古代十大天文儀器

古代制造的很多天文儀器，現(xiàn)在大多數(shù)已不存在了，現(xiàn)存的古代大型天文儀器還有10件，都是明清時期的，此外，還有一些中小型天文儀器，現(xiàn)將這十大天文儀器的名稱、年代和尺寸列于下：

1）明正統(tǒng)二年到七年（1437年—1442年）的渾儀，長2.45m，寬2.45m，高3.09m.

2）明正統(tǒng)二年到七年（1437年—1442年）的簡儀，長4.4m，寬2.98m，高3.4m.

3）清康熙八年到十二年（1669年—1673年）的天體儀，長2.66m，寬2.66m，高2.63m.

4）清康熙八年到十二年（1669年—1673年）的赤道經(jīng)緯儀，長2.3m，寬1.78m，高3.2m.

5）清康熙八年到十二年（1669年—1673年）的黃道經(jīng)緯儀，長2.3m，寬1.77m，高3.34m.

6）清康熙八年到十二年（1669年—1673年）的地平經(jīng)儀，長2.57m，寬2.57m，高3.18m.

7）清康熙八年到十二年（1669年—1673年）的象限儀，長2.2m，寬4.63m，高3.63m.

8）清康熙八年到十二年（1669年—1673年）的紀(jì)限儀，長2.0m，寬2.0m，高3.34m.

9）清康熙五十二年到五十四年（1713年—1715年）的地平經(jīng)緯儀，長1.84m，寬4.67m，高4.12m.

10）清乾隆九年到十九年（1744年—1754年）的璣衡撫辰儀，長2.16m，寬3.69m，高3.36m.

上述古代十大天文儀器，制造精良，外觀又像優(yōu)美的大型工藝品，曾為明清兩代的天體觀測和天文學(xué)的發(fā)展，作出了巨大貢獻(xiàn)，都是國家一級文物?？墒窃谇骞饩w二十六年(1900年)，八國聯(lián)軍入侵北京，將北京古觀象臺保存的大型天文儀器洗劫一空。其中，明代制造的簡儀和清代制造的赤道經(jīng)緯儀、黃道經(jīng)緯儀、地平經(jīng)緯儀、象限儀等5件大型天文儀器，被法國侵略軍搶到法國駐華使館，后迫于輿論壓力，于1902年歸還我國。而明代制造的渾儀和清代制造的天體儀、璣衡撫辰儀、地平經(jīng)儀和紀(jì)限儀，則被德國侵略軍搶走，并運回德國，陳列在柏林波茨坦離宮。一直到德國在第一次世界大戰(zhàn)被打敗后，根據(jù)凡爾賽和約，才在1920年，將5件大型天文儀歸還我國[2]，但當(dāng)?shù)聡鴮x器裝上海輪，在運回我國的途中，因要在日本轉(zhuǎn)口，日本政府竟妄想扣壓儀器，以威脅我國，其陰謀被揭露后，才未得逞，終于在1921年4月7日，將我國5件古代大型天文儀器運回北京。這真是一段讓我們每一個中國人都刻骨銘心的歷史，我們一定要以史為鑒，發(fā)奮圖強(qiáng)，振興中華。現(xiàn)在，清代制造的8大天文儀器，仍安置在北京古觀象臺內(nèi)，而明代制造的簡儀和渾儀，則因1931年“九一八事變”后，日本軍國主義妄圖侵略華北，為保護(hù)文物，而于1933年移置到南京紫金山天文臺內(nèi)。這10件大型銅制天文儀器，鑄造得非常精細(xì)、美觀，其經(jīng)歷又是如此艱險，實在是非常珍貴的大型國寶級文物。

下面將其中的7件古代大型天文儀器的有關(guān)情況，即名稱、尺寸、重量、制造年代，以及儀器的組成、運作原理、功用、一些構(gòu)件的鑄造工藝等情況，進(jìn)行介紹。

2 明代渾儀

渾儀是我國古代測量天體的儀器，其理論基礎(chǔ)是古代“渾天說”原理。西漢開始用渾儀測日、月、星辰的位置，并制定歷法。經(jīng)東漢到唐、宋，渾儀一直是測量天體的主要儀器，但在不斷地改進(jìn)和完善。明代的渾儀，則主要是仿制宋代渾儀。現(xiàn)存藏于江蘇南京紫金山天文臺內(nèi)的明代渾儀，見圖1所示。渾儀的長、寬各為2.45m，高3.09m，于明代正統(tǒng)二年（1437年）開始鑄造，到正統(tǒng)七年（1442年）制成。明代渾儀由六合儀、三辰儀、四游儀和窺管等部件，以及升龍、鰲云、水趺等支承附件組合而成。整個儀器分為內(nèi)、中、外三層，外面的一層，叫六合儀，包括地平圈、子午圈和赤道圈，和支承附件整接在一起，固定不動。中間一層叫三辰儀，由赤道環(huán)和黃道環(huán)等組成，可繞著極軸在六合儀里面旋轉(zhuǎn)。最里面一層，就是觀測用的四游儀，其上有窺管，也叫望筒，可在三辰儀里面旋轉(zhuǎn)，以觀測天體的位置。

圖1 明代渾儀

渾儀可測量天體的參數(shù)比較多，利用赤道環(huán)，可測量天體的入宿度（赤徑差）和去極度（赤緯），定真太陽時。利用以地平圈為基準(zhǔn)的地平坐標(biāo)，也可測天體升沒時的地平方位，以及中天高度。如利用黃道環(huán)，則可測定天體的黃道宿度。由于渾儀上有三重圓環(huán)，外層的六合儀，雖然是固定不動的，但里面的三辰儀、四游儀都可旋轉(zhuǎn)，只有保證儀器各構(gòu)件的鑄造和加工精度，才能保證儀器的轉(zhuǎn)動靈活自如，從而保證測量的精確度，因而，對儀器各構(gòu)件的鑄造、加工和裝配，都提出非常高的要求，而且，這些構(gòu)件都是大件，所以，其鑄造的難度是很大的。加上渾儀不光是一件非常實用的大型天文儀，而且，還是一件精美絕倫的大型工藝美術(shù)品，其上的升龍、鰲云等附件，既復(fù)雜，又美觀，雕塑藝術(shù)水平很高，因而，鑄造難度同樣很高，所以，明代渾儀能因件而異，采用泥型鑄造和失蠟法鑄造等不同方法，成功地鑄造出各個高質(zhì)量大型鑄件，說明了當(dāng)時我國鑄造工藝水平的高超。而且，渾儀還是一件藝術(shù)水平很高的大型文物，是古代大型藝術(shù)鑄造的珍品。

這樣一件精美絕倫的大型儀器，又是非常地實用，于明代正統(tǒng)七年（1442年）制成后，曾在北京古觀象臺內(nèi)，被用來觀察、測量天體，連續(xù)工作了幾百年，為我國和世界天文學(xué)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。但命運又使得這件精美的大型儀器遭到巨大的劫難，1900年，八國聯(lián)軍侵占北京，明代渾儀和清代制造的天體儀等5件大型天文儀器，都被德國侵略軍搶掠到德國柏林波茨坦離宮，直到1921年，才歸還我國，重新安置在北京古觀象臺內(nèi)。但到了1933年，又因日本侵略軍進(jìn)逼華北，迫不得已，又將明代渾儀等7件儀器運到南京，安置在紫金山天文臺內(nèi)。終于在新中國成立后，得到了國家的重點保護(hù)。

3 明代簡儀

簡儀是元代著名天文學(xué)家郭守敬，在元朝至元十三年（1276年）創(chuàng)制的。簡儀是對渾儀革新和發(fā)展的產(chǎn)物，是我國儀器制造史上一次大飛躍，被譽(yù)為世界近代天文儀器中赤道裝置的先導(dǎo)，歐洲直到1598年，才由丹麥天文學(xué)家第谷發(fā)明了與之相類似的天文裝置，比我國晚了300多年。明代的簡儀，就是仿制元代郭守敬的簡儀，現(xiàn)存放在南京市紫金山天文臺。明代簡儀見圖2所示，是明代正統(tǒng)二年（1437年）欽天監(jiān)監(jiān)正皇甫正和仿制的，儀器的長度4.4m，寬2.98m，通高3.4m，重約16t，是我國現(xiàn)存最大的古代天文儀器。儀器由立運儀、四游儀、赤道儀、龍柱、云架、框形基座等部分組合而成，共有34個構(gòu)件，采用榫卯結(jié)構(gòu)，把構(gòu)件組合成一體。

圖2 明代簡儀

由于天文學(xué)的發(fā)展需要，觀測項目越來越多，因此，渾儀的結(jié)構(gòu)，也隨之愈加復(fù)雜，環(huán)圈也越來越多，從而，造成環(huán)圈相互交錯，遮掩了很大一部份天區(qū)。為了克服渾儀的缺點，郭守敬對渾儀大加簡化，不僅取消了白道環(huán)和黃道環(huán)，并將儀器分解為互相獨立的赤道裝置和地平裝置，每個裝置的結(jié)構(gòu)都很簡單，這樣，觀察時不再被遮擋視線，除了北天極附近外，整個天空可一覽無余。因為是對渾儀的簡化，故得名為簡儀。簡儀的赤道裝置，只保留了渾儀中的四游、赤道、百刻3個環(huán)，并把赤道環(huán)和百刻環(huán)移到了四游環(huán)的南端，使圍繞極軸旋轉(zhuǎn)的四游環(huán)，以及可繞四游環(huán)中心旋轉(zhuǎn)的窺管，可以無遮攔地觀測天體。所以，這赤道裝置也就相當(dāng)一架赤道經(jīng)緯儀，可用來測量天體的入宿度和去極度，定真太陽時。而簡儀的地平裝置，叫做立運儀，由一個固定的地平環(huán)和一個直立的可以旋轉(zhuǎn)的立運環(huán)組成，可同時測量天體的地平方位和地平高度，也就是測定天體的地平經(jīng)緯度。

明代簡儀重達(dá)16t，其大多數(shù)青銅鑄造的構(gòu)件，尺寸大，要求高，而且，簡儀不但是高度實用的大型天文儀器，也是一件藝術(shù)水平高超的精美絕倫的工藝美術(shù)品，其龍柱、支架等都很美觀，所以，其構(gòu)件的鑄造難度都很大，能成功鑄造出來，充分說明了當(dāng)時鑄造工藝水平的高超。而這一件精美的大型天文儀器，于明代正統(tǒng)七年（1442年）制成后，一直在北京古觀象臺內(nèi)，為觀察、測量天體工作了幾百年，但命運也和明代渾儀一樣，多災(zāi)多難。清康熙五十四年（1715年），法國傳教士紀(jì)理安在監(jiān)制地平經(jīng)緯儀時，竟將觀象臺內(nèi)遺存的不少元、明古儀，當(dāng)作廢銅使用，幸被發(fā)現(xiàn)，才使明代渾儀和簡儀保留了下來。1900年，八國聯(lián)軍入侵北京，明代簡儀和清代赤道經(jīng)緯儀等5件大型天文儀器，被法國侵略軍搶掠到法國駐華使館，只是迫于輿論壓力，才于1902年歸還我國，重新安置在北京古觀象臺內(nèi)。但到了1933年，又因日本侵略軍進(jìn)逼華北，不得已，又將明代簡儀等儀器運到南京，安置在紫金山天文臺內(nèi)，終算安定下來。

4 清代天體儀

明代后期，政治腐敗，科學(xué)技術(shù)停滯不前，而西方國家，隨著資本主義經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步很快，不僅趕上而且超過了我國。所以，在清朝初期的康熙年間，清廷任用比利時傳教士南懷仁，作欽天監(jiān)監(jiān)正，采用西洋方法觀測天象，在康熙八年（1669年），南懷仁用了4年時間，設(shè)計并督造了天體儀，赤道經(jīng)緯儀、黃道經(jīng)緯儀、地平經(jīng)儀、象限儀和紀(jì)限儀等6件大型天文儀器，這是我國古代首批中西結(jié)合的天文儀器。

圖3 清代天體儀

天體儀，通常也叫天球儀，是由我國古代的渾象發(fā)展而來，是一種表演天體運動的天文儀器。渾象是把太陽、月亮、二十八宿等天體以及赤道和黃道都繪制在一個圓球面上，人們可不受時間限制，隨時了解當(dāng)時的天象，可惜漢代到明代的天體儀（渾象），都沒能保留下來。北京古現(xiàn)象臺現(xiàn)存的天體儀，則是清康熙八年到十二年（1669年—1673年）制造的，儀器的長、寬各為2.66m，高為2.63m，重為3.85t，是一架大型天體儀，見圖3所示。它主要由一個直徑2m的空心銅球以及子午圈、地平圈等組成，地平圈和于其垂直相交的子午圈，使用時是固定不動的，銅球可在內(nèi)轉(zhuǎn)動，而子午圈最高點的銅制火球，代表天頂。銅球上刻有赤道圈和黃道圈，兩圈的交角為23°31＇30＂，球上還布列1870余顆星，分為282個星宮。銅球的軸線方向，即地球自轉(zhuǎn)軸的方向，北端指向北天極，南端指向南天極，用球體轉(zhuǎn)動表示天球的周日視運動，它轉(zhuǎn)動一周，就是一晝夜，在北天極上裝有固定在子午圈上的時盤，而其指針，則隨天球轉(zhuǎn)動，以指示時刻。天體儀的使用方法，有60項之多，但主要用于黃道、赤道和地平3個坐標(biāo)系統(tǒng)的相互換算，以及演示日、月、星辰在天球上的視位置。例如：既可求某時刻某星體的地平高度和方位角，也可求某節(jié)氣太陽出沒的時刻和方位，等等。

清代天體儀雖然由我國古代渾象發(fā)展而來，但也吸收了西洋天文學(xué)的成就，采用了西方通用的360。制，而舍棄了我國傳統(tǒng)的三百六十五又四分之一度制，還首次標(biāo)出了南天極附近的星座，是中西文化結(jié)合的佐證。

天體儀各構(gòu)件由黃銅鑄成，整臺儀器精致、美觀，自清康熙十二年（1673年）制成后，曾長期安置在北京古觀象臺內(nèi)，但在1900年時，亦曾被德國侵略軍搶掠到德國柏林波茨坦離宮，直到1921年，才歸還我國，雖然儀器基本完好，至今仍能運轉(zhuǎn)，但天體儀上，還是殘留了當(dāng)年侵略軍留下的幾個彈痕。所以，這架天體儀不僅對學(xué)術(shù)研究和普及天文知識有用，也是對全國人民和青少年進(jìn)行愛國主義教育不可多得的實物資料，是很珍貴的大型金屬文物。

至于保存在南京紫金山天文臺內(nèi)的一件天體儀，則是因康熙時造的天體儀被德國侵略軍搶走后，北京古觀象臺于清末光緒三十一年（905年）制造的，尺寸和重量都要比康熙天體儀小，球上只布列1449顆星，屬中型天文儀器。

5 清代赤道經(jīng)緯儀

北京古觀象臺上的赤道經(jīng)緯儀和黃道經(jīng)緯儀，是清代8大銅儀中最主要的兩臺天文觀測儀器，都是清康熙八年到十二年（1669年—1673年）期間制成的大型天文儀器，其外形和大小也很相似，放置在北京古觀象臺頂南側(cè)的東、西兩端。中國自古以來，天文觀測儀器都是以赤道坐標(biāo)為基本坐標(biāo)系統(tǒng)，故作為主要天文儀的赤道經(jīng)緯儀，是放置在觀測天體的最佳位置處，并與最西頭的黃道經(jīng)緯儀遙相呼應(yīng)。

圖4 清代赤道經(jīng)緯儀

赤道經(jīng)緯儀，見圖4所示，長為2.3m，寬1.78m，高3.2m，重為2.72t，儀器的測量部分，由子午圈、赤道圈、赤經(jīng)圈和象限弧組成，坐在一個半圓的云座中，由一條昂首翹尾的蒼龍托起，而蒼龍的4個龍爪，分別連結(jié)在十字形底座的一端，每端各有螺栓，用以調(diào)整儀器的水平。子午圈鑲于云座內(nèi)，在子午圈、赤道圈里面的赤經(jīng)圈，可以繞極軸作360°轉(zhuǎn)動。赤道經(jīng)緯儀有14種用途，但主要是通過赤道圈和赤經(jīng)圈上的游表，來測量天體的赤道經(jīng)度和緯度，以及真太陽時等天文數(shù)據(jù)。

赤道經(jīng)緯儀除極軸是鋼軸外，其它所有的構(gòu)件，都是由黃銅鑄造而成，其中作為儀器支承部分的“蒼龍”，其雕塑工藝和鑄造工藝水平非常出色，“蒼龍”昂首張口，躬身翹尾，十分對稱地穩(wěn)穩(wěn)托住整個測量儀器，4個龍爪又牢牢地和基座相連，既穩(wěn)固實用，又非常美觀，藝術(shù)高超，造型設(shè)計實屬一流水平，而“蒼龍”和“云座”，這兩件大型藝術(shù)鑄件，使整座儀器成為一件優(yōu)美、華麗的工藝美術(shù)品。

6 清代黃道經(jīng)緯儀

黃道經(jīng)緯儀，長2.3m，寬1.77m，高3.34m，重2.75t，于清康熙八年到十二年（1669年—1673年）制成。圖5為黃道經(jīng)緯儀的圖片。儀器的測量部份由子午圈、黃道圈、黃道經(jīng)圈和極至圈等組成，坐于半圓的“云座”之中，而承托“云座”的支座，則是兩條背向而立的“蒼龍”，其兩條龍尾，則對稱地翹起在兩側(cè)，而龍爪亦同樣和十字形基座牢牢相連。黃道經(jīng)緯儀是我國第一架獨立的黃道坐標(biāo)系統(tǒng)觀測儀器。所謂“黃道”，就是太陽在天空中一年位置的變動，在天球上畫出的大圓，叫黃道。以黃道為基礎(chǔ)，用黃經(jīng)、黃緯表征天體位置的，叫黃道坐標(biāo)系。用黃道坐標(biāo)系來測量太陽、月亮的位置，比用赤道坐標(biāo)系方便。所以，黃道經(jīng)緯儀主要用來測量太陽、月亮等天體的黃道經(jīng)度和緯度，測定節(jié)氣等。

圖5 清代黃道經(jīng)緯儀

圖6 黃道經(jīng)緯儀局部

赤道經(jīng)緯儀和黃道經(jīng)緯儀是兩臺比較相似的天文儀器，在保證非常實用的前提下，又非常注意其藝術(shù)裝飾，除云座外表雕鑄出美麗的云紋外，更采用中國傳統(tǒng)的“龍”作裝飾，而龍的造型又別出心裁，赤道經(jīng)緯儀只用一條昂首、躬身、翹尾的蒼龍，來承托“云座”和儀器的整個測量部分。而黃道經(jīng)緯儀則采用兩條背向而立的蒼龍來承托“云座”及其上的測量部分，其中每一條蒼龍，都雕鑄得生動活潑，栩栩如生，可參見圖6所示。從圖中可看出，這條騰飛在云霧之中的蒼龍，既起到支承“云座”的實際作用，又有非常優(yōu)美的藝術(shù)形象。張口的龍頭幾乎和翹起的龍尾相對，造型設(shè)計別具匠心，看起來非常美觀，具有很高的藝術(shù)水平。而蒼龍、云朵、“云座”和各個測量圈的成功鑄造，都具有很高的難度，所以，這些優(yōu)美的大型藝術(shù)鑄件，體現(xiàn)了我國古代藝術(shù)鑄造的高超水平。

7 清代地平經(jīng)儀

北京古觀象臺的地平經(jīng)儀，見圖7所示，儀器的長、寬各為2.57m，高3.18m，重為1.81t，亦制于清康熙八年到十二年（1669年—1673年）。相對來說，該儀器比較簡單，其測量部份是一個直徑2.07m的銅鑄地平圈，一個平躺在圈內(nèi)的橫表，以及一個與橫表垂直的立表，通過旋轉(zhuǎn)橫表，來測量天體的地平經(jīng)度（地平方位角）。所以，地平圈是地平經(jīng)儀的主體。

圖7 清代地平經(jīng)儀

但是，地平經(jīng)儀的支承部分，則裝飾得非常華麗，共塑有5條美麗的銅龍。在十字形底座的四端，南、北、西三端，各豎立一根屈身直立的龍柱，東端為一般紋飾的銅柱，由這4根柱子共同支承該儀器的主體部分——地平圈。地平圈按裝成水平位置，其內(nèi)圈，按裝一個可在圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)360度的橫表。地平圈的東、西兩端，又向上各豎一根銅柱，由兩條升龍盤延而上，在1.5m處，轉(zhuǎn)成相向伸延，快到中心附近時，2條銅龍各伸出一爪，合捧一個火球，球心稱作天頂，天頂和地平圈中心的聯(lián)線，正好是鉛垂線方向，此處按裝一個立表，正好和橫表相垂直，立表下端插在地平圈中心的固定立柱上，亦可作360°旋轉(zhuǎn)。所以，整臺儀器共有5根銅鑄龍柱，銅龍的造型非常優(yōu)美，特別是儀器上部2條銅龍的造型，非常類似于我國傳統(tǒng)的二龍戲珠圖案，可謂該天文儀器的一大創(chuàng)造，這些銅鑄龍柱，都是非常優(yōu)美的大型藝術(shù)鑄件，使得地平經(jīng)儀不僅是一件實用的天文儀器，更是一件優(yōu)美、華麗的工藝美術(shù)品。

8 清代璣衡撫辰儀

北京古觀象臺上的璣衡撫辰儀，見圖8所示，是我國古代最后制成的一臺大型天文儀器。儀器的長度為2.16m，寬為3.69m，高度為3.36m，重達(dá)5.35t.從清乾隆九年（1744年）開始，欽天監(jiān)參照明代的渾儀，重新設(shè)計制造一臺大型天文儀器，先設(shè)計了叫“三辰公晷儀”的初始模式，幾經(jīng)修改，前后長達(dá)10年，直到清乾隆十九年（1754年），才把儀器設(shè)計、制造完成，并定名為“璣衡撫辰儀”，交付使用。這是清代8大銅制天文儀中，唯一由中國人自己設(shè)計制造的一臺大型天文儀器。該儀器兼收中、西方天文儀之精華，是“仿渾儀之舊，取西洋之精，用銅鼓鑄而成”的大型天文儀。璣衡撫辰儀類似于漢、唐以來歷代制造的渾儀，用途亦相同，但簡化了古代渾儀的結(jié)構(gòu)。璣衡撫辰儀雖然仍和渾儀一樣，由3重部件組成，但外層的六合儀，取消了渾儀的地平圈，中間一層的三辰儀，則取消了渾儀的黃道圈，內(nèi)層為雙層的赤徑圈，相當(dāng)于渾儀內(nèi)層的四游儀，這樣一來，的確比古代渾儀的結(jié)構(gòu)簡化多了，而且，擴(kuò)大了觀測區(qū)域，提高了觀測精度。同時，在測量參數(shù)方面，采用西洋的360°制和96刻，來取代我國古代傳統(tǒng)的360°又1/4制和100刻，提高了測量精度，體現(xiàn)了中西文化的結(jié)合。所以，在我國古代渾儀的發(fā)展史上，璣衡撫辰儀亦占有重要的地位。而且，儀器支承部分的裝飾也極為精致、華麗，除中間的立柱，作為儀器的支承外，外圈還有東、西兩根龍柱相托，而3根立柱上的浮雕，非常漂亮，特別是游龍的雕鑄、樓刻極其精致，云紋采用剔透形式，氣魄宏偉，非一般儀器的外部裝飾可比擬。儀器的構(gòu)件主要由黃銅鑄造而成，立柱則是珍貴的大型藝術(shù)鑄件?？傊^衡撫辰儀的設(shè)計巧妙，制造精美、細(xì)膩，而一些構(gòu)件的雕鑄，極為精致，其藝術(shù)水平和鑄造工藝水平，非常高超，而儀器又是古代渾儀發(fā)展史上一個新的高點，在清代的天文觀測中起了不少作用，所以，該儀器亦是我國古代大型天文儀中的瑰寶。

圖8 清代璣衡撫辰儀

9 天文儀構(gòu)件的鑄造情況

我國古代大型天文儀器的設(shè)計和制造，不斷取得成功，無疑是我國古代天文學(xué)能取得偉大成就的重要基礎(chǔ)，而這些大型天文儀器的零件和部件，則大多是鑄銅件，其有關(guān)鑄造情況值得一提，現(xiàn)以明代渾儀和簡儀的構(gòu)件為例來進(jìn)行說明。

明代渾儀上的三重圓環(huán)，外圈的六合儀是固定不動的，而內(nèi)圈的三辰儀、四游儀都可旋轉(zhuǎn)，測量天體的入宿度和去極度時，一定要保證儀器的轉(zhuǎn)動，靈活自如。而且，為了保證測量的精確度，對儀器各構(gòu)件的鑄造和加工精度，都要提出非常高的要求。所以，其鑄造方法也要因件而異，大圓環(huán)沒有采用失蠟法鑄造，因大圓環(huán)的蠟?zāi)Ｒ子谧冃?，而且，大圓環(huán)鑄造后還要精加工，故采用傳統(tǒng)的泥型鑄造較為合適；但4條升龍和鰲云等構(gòu)件，紋飾的復(fù)雜程度較高，故用失蠟法鑄造，可不須機(jī)加工，就能保證其造型優(yōu)美，外表光潔，紋飾清晰[7]。當(dāng)將上述主要部件和附件裝成一體后，既實用又美觀，使渾儀不僅是一架先進(jìn)實用的天文儀器，而且，還是一件藝術(shù)水平很高的大型文物，也可以說，是古代大型藝術(shù)鑄造的珍品。渾儀各零件的材質(zhì)，據(jù)測定，其很多零部件，都由鉛錫青銅鑄造而成，其中，各支承件的化學(xué)成分為：w（Pb）：7.83%～24.35%，w（Sn）：1.8%～10.517%，w（Cu）：65.44%～88.09%.所以采用鉛高錫低的鉛錫青銅，而不是常用的錫鉛青銅，是因為鉛高，流動性好，有利于復(fù)雜的支承件的澆鑄；而六合儀、三辰儀的陽經(jīng)圈、陽緯圈、赤道圈等測量構(gòu)件，則采用鉛鋅黃銅，其化學(xué)成分為w（Pb）：6.61%～19.64%，w（Zn）：1.66%～11.93%，w（Cu）：74.0%～85.78%.因黃銅比青銅熔點低，而組織致密，黃銅中加入鉛，有利于打磨，使測量件表面光潔[7]。

明代簡儀的大多數(shù)構(gòu)件，也都采用鉛錫青銅鑄造而成，據(jù)測定，簡儀的23塊樣品中，有22塊為鉛錫青銅，其化學(xué)成分為：w（Pb）：10.16%～28.59%，w（Sn）：6.01%～12.48%，w（Cu）：62.25%～84.21%[8].而其鑄造方法也和渾儀相似，圓環(huán)等采用泥型鑄造，而龍柱、云架等，則采用失蠟法鑄造。不過，因為構(gòu)件比渾儀的構(gòu)件更大些，故難度亦更大。例如：立運儀的支架（云架），是云紋環(huán)繞的圓柱體支架，高3.07m，直徑12.5cm，重約1.1t，以傾斜角51°30′斜置，支架呈半圓“A”字形，半圓弧長約6.73m，對這種件大而要求高的鑄件，鑄造時難度很大。但在明代，就是用我國傳統(tǒng)的失蠟法將其鑄造成功，在古代實為罕見。同時，長2.67m的赤道圈支架，以及4根龍柱，也都采用失蠟法整鑄而成。而框架形的基座（水趺），長4.4m，寬2.98m，高0.17m，重達(dá)3t以上，上有水準(zhǔn)槽，四周及內(nèi)壁還雕鑄有龍紋、云紋，這樣大尺寸的構(gòu)件，表面質(zhì)量要求又高，竟也能整體鑄就，真不簡單。這些大的高難度鑄件，既美觀、實用，藝術(shù)水平又高，所以，簡儀幾乎成了高難度大型藝術(shù)鑄件的組合體了[9]。

[1]林劍鳴.秦漢史（下冊）[M］.上海：上海人民出版社，1989.

[2]北京天文館.中國古代天文學(xué)成就[M］.北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1987.

[3]白壽彝.中國通史（第6 冊）[M］.上海：上海人民出版社，1995.

[4]王仲犖.隋唐五代史（下冊）[M］.上海：上海人民出版社，1990.

[5]周寶珠，陳振.簡明宋史[M］.北京：人民出版社，1985.

[6]伊世同.北京古觀象臺的考察與研究[J］.文物,1983（8）.

[7]凌業(yè)勤.中國古代傳統(tǒng)鑄造技術(shù)[M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1987.

[8]李秀輝，昊坤儀.北京科技大學(xué)冶金史室.渾儀、簡儀合金成分及材質(zhì)的研究[J］.文物，1994（10）：76-83.

[9]譚德睿，陳美怡.藝術(shù)鑄造[M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1996.