五、浑天仪的创制

我国是世界上天文学发达最早的国之一，我们的祖先经过对天象的长期观测和研究，到汉朝时，关于天体运动和宇宙结构，已经先后出现了几种不同的学说，其中有代表性的是盖天说、宣夜说和浑天说三个学派，它们的思想渊源有的可以追溯到春秋战国时代。

盖天说创立最早，成书于公元前一世纪的《周髀算经》便是这一学派的代表作。其中论述道：天与地是平行的。天象盖笠，地象棋盘。天在上，地在下，日月星辰都附在天盖上。盖不停地运动，因而日月星辰也在转动，从而把地球的自转说成是天盖的转动。用盖天说来解释天的视运动，已被越来越多的天文观测事实所否定。只是由于古人活动范围狭小，科学水平低，所以一般人较易接受这种直观的盖天说，以至于在西汉仍然流行。

浑天说是西汉中期新兴的一种学说。浑天说认为天是浑圆的，日月星辰会转入地下。这种学说把天比作蛋壳，地比作蛋黄，地包含在天内，日月星辰都在蛋壳上不停地转动。这种说法虽不是很恰当，但用浑天说的理论就能较客观地解释夜晚看不到太阳的现象，这种学说也逐渐为人们所接受。

宣夜说由东汉前期的郄萌作了系统的总结和明确的表述。他指出“日月众星，自然浮生虚空之中，其行止皆须气焉”，这就是说日月众星不是附着于天体的，而是悬浮在宇宙空间，并依靠气的作用而运动；此外他还说天没有一定的形状，进一步论证了不存在一个“固体”的天球。宣夜说没有对天体运动的规律作更具体的论证。到东汉末年，宣夜说便已失传。

张衡根据自己对天体运行规律的认识和实际观察，认真研究了这三种学说，认为浑天说比较切合实际。于是，他在《灵宪》中也用了相当大的篇幅阐述了他的浑天思想。在《灵宪》中，张衡保留了旧的地平概念，提出了天的直径问题。他还进一步明确提出在“天球”之外还是有空间的，浑圆的天体并不是宇宙的边界。他说：“过此而往者，未之或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷。”就是说，我们能够观测到的空间是有限的，观测不到的地方是无穷无尽、无始无终的宇宙。这段话明确地提出了无限宇宙的思想，是十分可贵的；但张衡表述的浑天学说是一种以地球为中心的宇宙理论，在当时历史条件下，它只能比较近似地说明了天体的运行。

在张衡的另一部著名的天文学著作《浑天仪注》中，他进一步阐发了他的浑天学说。张衡指出：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄、孤居于内，天大而地小，天表里有水。天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，

载水而浮。”他还指出天体每天绕地球旋转一周，总是半见于地平之上，半隐于地平之下，等等。这里，张衡明确地指出大地是个圆球，形象地说明了天与地的关系，但“天表里有水”等说法，却是一个重大的缺陷。

在张衡的浑天学说中，他还指出了赤道、黄道和北极的地位，讲出了为什么夏季日长夜短，冬季夜长日短的原因。这是我国天文史上的辉煌成就。张衡以他的浑天学说为基础，在天文学上作出了一系列创造性的贡献，

他根据浑天学说创制的浑天仪就是其中最为突出的杰作。

我国古代所创制的天文仪器中，用于测量天体位置的叫浑仪，用来演示天体结构和周日周年视运动方位的叫做浑象，后者类似于现在的天球仪。这两件仪器在汉代通称为浑天仪。而张衡所造的浑天仪，就是后一种浑象仪器。早在浑天说创立之始，人们就计划着制造浑天仪来观测星辰。西汉武帝时的落下闳，大约是第一个着手制造浑天仪的人。宣帝时耿寿昌铸铜为象，永元15 年（公元 103 年）贾逵创制了黄道铜仪，也都是浑天仪。张衡的浑天仪又称水运浑象，是世界上第一台用水力推动的大型天文仪器。

张衡创制浑天仪的成功，是在公元 117 年（汉安帝元初 4 年），那时他四十岁。为了制造这架仪器，张衡耗费了很多心血，先后用了一年多的时间。在铸造正式的浑天仪之前，他经过了仔细的研究和观察，设计出了一个图案，然后用竹条劈成薄薄的竹蔑，把这些竹蔑刻上度数，再把它们编成圆环，穿联起来，制成一个仪器的模型以作为试验。经过多次修改试验准确了，然后再用铜铸成正式仪器。因为这个仪器是根据浑天说的理论来制造的，所以张衡就把那个用竹蔑编成的模型叫做“小浑”，铜铸的就定名为“浑天仪”。

据史书记载，这座铜铸浑天仪主体是一个球体模型，代表天球，每弧度长为 4 分，圆周长为一丈 4 尺 6 寸 1 分，直径 4 尺 6 寸 5 分。球体里面有个铁轴贯穿球心，轴的方向就是天球运转的方向，也是地球自转轴的方向。轴和球面有两个交点——天球上的北极与南极。北极高出地平线 36 度，表示当

时京师洛阳的地理纬度。球的表面上刻有 28 宿和中外星官。球的外面有地平圈和子午圈，天球半露在地平圈之下，天轴即支架在子午圈之上。另外还有黄道圈和赤道圈，互成 24 度的交角。在赤道和黄道上，各列有 24 个节气，并且从冬至点起，刻分成 365．25 度，每度又分 4 格，太阳每天在黄道上移一度。

为了使浑天仪能够按照时刻自己转动，张衡把浑天仪和计时用的漏壶联系起来。滴漏壶是我们祖先用来测知时刻的仪器，它用一个特制的器皿装水，这器皿下面有小孔，水通过小孔，一滴一滴流到刻有时刻记号的壶里，因而可以由壶里水的深浅知道是什么时刻。张衡就是利用漏壶滴水的力量来推动齿轮，齿轮再带动浑天仪，通过恰当地选择齿轮的个数和齿数，巧妙地使浑象一昼夜转动一周。这样，他就使浑天仪上所刻的天文现象，按时刻自动地呈现出来。人们要想知道某天某时刻的某颗星所在的位置，只需在屋子里看浑天仪便知。某颗星出现了，某颗星正在中天，某颗星不见了，这些现象，

同真正的天象完全一样。

浑天仪的贡献是巨大的。首先它把观测天象所在地的地理位置跟天球联系起来。现在我们已经知道，一个地方的地理纬度等于该地的北极出地高度。根据后人《浑天仪图注》的说明：“北极乃天之中也，在正北出地 36 度。”

拿浑天仪上的 36 度折算现今地理纬度，恰好跟洛阳地区的纬度很相近；其次，浑天仪上的周天 365．25 度跟东汉当时的《四分历》所用的岁实 365．25 天完全吻合。同时，张衡在浑天仪上所用的黄、赤交角 24 度也是很接近实际

的；再次，《浑天仪图注》里说：“各分赤道、黄道为 24 气，一气相去 15

度 16 分之七，每一气者黄道进退一度焉。⋯⋯三气一节，故 46 日而差令 3

度也。”这 3 气 1 节差 3 度，即黄、赤道差的计算法，一直到隋代都没有改变，这是张衡的在历法上一项重要贡献。

浑天仪应用的齿轮系和凸轮机构在当时可以说是相当复杂的。水运浑象实质上还可以被认为是一个天文钟，通过它的等速旋转，可以报告时刻。此后，张衡还采用漏壶的原理，创造了另外一种仪器，叫做“瑞轮■荚”。这个瑞轮■荚装有机械，接联在漏壶上，也依靠水力转动。它能够按照阴历上的朔日、上弦、望日、下弦、晦日等顺序，一次又一次地循环旋转开合着。因为在瑞轮上从每月初一起，每天转出一片■荚来，这样到十五日共出现十五片；然后每天再转入一片，到月底落完。瑞轮■荚可以表示日期，又能告诉人们月亮的圆缺变化。张衡制造的瑞轮■荚，在世界科学史上算是第一架具备了机械能的计时器，以后经唐朝的一行、梁令瓒和宋朝的张思训、苏颂、韩公廉等人的改进和发展，终于制成了世界上最早的天文钟。在 1800 多年前，我国就能够制造出这样复杂而精巧的仪器，是很值得我们自豪的。

张衡创制的浑天仪原来被安放在东汉政府观察天象的地方——灵台，一直保存到魏晋时代。西晋末年发生战乱，浑天仪被移往长安。公元 418 年，刘裕率军攻进长安城，获得了这架仪器，但已经残缺不全。此后，它就不知下落了。

幸亏曾经有人替浑天仪写了两部说明书，一部是《浑天仪图注》，另一部是《漏水转浑天仪注》。这两部说明书各有一部分保存下来，使后人可以按照其中的说法，重新制造出浑天仪来。

南朝宋文帝元嘉 13 年（公元 436 年），太史令钱乐之曾铸造浑仪和小浑天，和张衡的浑天仪大体相同；唐朝初年，李淳风、梁令瓒等人重新改制了浑天仪；北宋苏颂、元代郭守敬都相继制造浑天仪。他们在制法上都有改进，机械的精巧程度也是一代胜过一代。现今陈列在南京紫金山天文台的浑天仪是明朝正统 3 年（公元 1438 年）钦天监监正皇甫仲仿照元朝郭守敬的浑天仪造成的。