四、苏颂以前的水运浑天仪

公元 1086 年，苏颂奉命检验皇家所有的新旧浑仪。他乘汇报结果之便提出了制造水运仪象台的建议，建议得到批准后他马上组织一个班子进行设计制造。

浑仪是一种天文仪器，又叫做浑天仪。浑天仪是根据中国古代天体结构的一种学说制造的。

中国古代一共有三种天体结构学说：

第一种天体结构学说是宣夜说。宣夜说认为天不是物质造成的，没有一定的形状，没有止境。但是这种学说早已失传，只有晋代的虞喜（281—356） 是信仰宣夜说的，他写了一篇《安天论》，可惜原著已经散失，只是在《晋书·天文志》里叙述了《安天论》的一些要点。从这些要点中可以看出，虞喜的《安天论》认为，宇宙是没有边际的，又是很安定的；天和地无方圆不同之理；所有天体都有自己的运动周期，以自己的轨道运行，并不是附着在一个固定的球壳上。

第二种学说是盖天说，西汉中期，我国古代的第一部算学著作《周髀算经》就持有这种学说，认为天像一个盖着的斗笠，地像一个扣着的盘子，但是，这种说法漏洞太多，史官多不采用。

第三是浑天说，这种说法认为天地之间就像一枚鸡蛋那样，由蛋清裹着蛋黄，天体的运行就像车毂的运行一样，周旋而没有尽头，它的形状是浑浑噩噩的，所以叫浑天。这种说法对于天体结构的设想比较接近于实际，多被史官采用。

西汉的落下闳为制历需要，亲自制造了一架符合他的浑天说观点的观测仪器，即浑仪。据推测，落下闳的浑仪由赤道环和其他几个圆环同心安置构成。直径 8 尺。有的环固定，有的则可绕转，还附有窥管以供观测。

东汉的张衡（78—139）撰写了一篇天文学的代表作《灵宪》，他在《灵宪》中把天描述成是恒星所在的地方，它是一个偏心率极小的椭球。天上有一个北极，恒星正好在这个位置上。日、月、五星都绕它旋转。天还有个南极，是在地底下，人不可见。

张衡在落下闳浑仪的基础上创制了一个能够精确表演浑天思想的“浑天仪”，成为东汉中期浑天学说的代表人物之一。

张衡的“浑天仪”，就是水运浑象，类似于现在的天球仪。这台仪器用精铜铸成，主体是一个球体模型，代表天球。球体可以绕天轴转动。天轴和球面有两个交点，一个是北极（应该称为北天极），一个是南极（南天极）。在球的表面上遍列有 28 宿（我国古代天文学家引入的区分和描述天球上为数众多的恒星的一种表示方法。意思是日、月的住处。月亮在恒星间移行一周需要 27 天半左右，古代天文学家把日、月、五星运动所经过的天区的可见恒

星分成 28 组，起名叫：角、亢、氐、房、心、尾、箕、斗、牛、女、虚、危、室、壁、奎、娄、胃、昴、毕、觜、参、井、鬼、柳、星、张、翼、轸）和其他恒星。球面上还有赤道圈（平面和天轴垂直。由于天轴和地球的自转轴一致，所以天球赤道圈平面和地球赤道平面是重合的）和黄道圈（古人认为太阳绕地旋转，黄道是太阳在天球上视运行的轨道，实际上就是地球绕太阳公转轨道平面和天球相交的大圆），二者成 24 度夹角，分列有 24 节气，从冬至点起（古代以冬至作为一年的开始），把圆周分做

365 1 度，每度又细分成4个小格。球体外面有两个圆环，一个是地平圈，

4

一个是子午圈（通过南北极和天顶的圆环）。天轴支架在子午圈上，和地平斜交成 36 度，就是说北极高出地平 36 度，这是洛阳地区的北极仰角，也是洛阳地区的地理纬度。天球半露在地平以上，半隐在地平之下。

为了使浑象能够自行运动，张衡采用齿轮系把浑象和计时用的漏壶联系起来，利用漏壶流水的力量发动齿轮，带动浑象运转。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，把天象变化形象地演示了出来。

张衡还创制一种机械日历，叫做“瑞轮荚”。这个仪器也是用漏水转动的，和浑象联动。它从每月初一起，每天转出一片木叶，到 15 日共转出

15 片。然后每天再转入一片，依次减少，到月底落完。因为阴历是和月亮的运行配合的，所以瑞轮 荚可以表示出日期，又能告诉人们月亮的圆缺变化。

张衡的水运浑象是有明确记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器， 其中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认为是一个天文钟，通过它的等速旋转，可以报告时刻。

唐代的一行（俗名张遂，683—727）同机械专家梁令瓒合作，改进和发展了张衡的水运浑天仪。

一行和梁令瓒制造的水运浑天仪（浑象）也是用水力驱动的能模仿天体运行的仪器。不仅在球形的浑象上遍列各星宿和黄、赤道等，而且还在浑象外安装两个圆环，上边各装一个球标，分别代表日、月。利用水力推动齿轮系，使浑象每昼夜自转一周。日标除每昼夜回转一周外，沿黄道还日行一度， 365 天沿黄道移动一周；29 天多，日、月相合一次。这种水运浑天仪很有规律地演示出日、月、星象的运转，比张衡的水运浑象更加精巧、复杂。

另外，一行和梁令瓒的水运浑天仪上还设有两个木人，用齿轮带动，一个每刻（古代把一昼夜分做一百刻）自动击鼓，一个每辰（合现在两小时） 自动撞钟。可以说它是现代钟表的祖先，比公元 1370 年西方出现的威克钟要

早 6 个世纪。

北宋时代对天文仪器的制造非常重视。宋太宗太平兴国年间（976—984） 的张思训也改进和发展了张衡的水运浑天仪。此外，宋政府至少还造了 4 架观测用的铜浑仪。

公元 995 年制造的一台，置于测验浑仪刻漏所。

公元 1010 年制造的一台，置于宫内龙图阁。

公元 1052 年制造的一台，置于翰林天文院。

公元 1074 年制造的一台，置于太史局。

1081 年，有人向宋神宗提出，应当有人来鉴定这 4 台铜浑仪，看哪一台最为准确。宋神宗为此专门任命一位天文学家欧阳发为详定浑仪官。欧阳发详定的结果是，这几架仪器都不行，应该重造。宋神宗又下诏命欧阳发再铸一套浑仪、刻漏和晷表（测日影的仪器）。但不知道这套浑仪是否开铸和铸成。

1086 年，哲宗登位后，由太皇太后高氏听政，又提出了详定浑仪的事。这次的任务交给了苏颂。苏颂召集了政府内的许多天文学家，查阅了各种文书档案，再到各天文机构进行了实地调查。这次鉴定的结果是：公元 995 年、

1052 年所造的两架浑仪，都很实用，否定了公元 1074 年所造的仪器，认为

这台浑天仪“环、器怯薄、水跌低垫，难以行使。”没有对公元 1010 年制造的那台进行鉴定。

苏颂趁汇报鉴定结果的便利机会，提出了他的新建议。他说，从汉代张衡以来直到本朝太平兴国年间的张思训都造过一种水运浑天仪。把这类演示用的仪器和观测用的铜浑仪配合起来，才能使天文仪器的妙用得到最大的发挥。

因此，他提出了建造一架把铜浑仪和水运浑天仪结合在一起的仪器—— 水运仪象台。

1087 年 8 月，朝廷批准了制造水运仪象台的建议，并且命令苏颂组织一个专门的机构——水运浑仪所，来从事仪器的制造。