三、创制仪器观天文

我国是天文学很发达的国家之一。西汉以后，国家天文台的组织和设备已达到相当完善的地步。它的主要任务之一是编制历法。我国的古代历法，内容是十分广泛的。它包括日月运动及其位置的推算、逐年的日历编制、五大行星位置的预报、日食、月食的推算等等。历法关系到生产、生活甚至政治活动等很多方面。因此，对这项工作历来都是相当重视的。一种历法用久了，误差就会逐渐显著，因而需要重新修改。跟着每次重大历法的修改，总会带来一些创造革新的进步，象基本天文数据的精密化、天文学理论的新成就或计算方法上的新发明等等。历法的发展可以说是中国天文学发展史上的一条主线。

元朝初年沿用当年金朝的“重修大明历”。这个历法是 1180 年（金世宗大定 20 年）修正颁行的。几十年来误差积累日渐显著，发生过好几次预测与实际天象不符的事。再一次重修是迫切需要的事了。

元世祖迁都大都（今北京），采纳了已死大臣刘秉忠的建议，决定改定旧历，颁行元王朝自己的历法。于是，元政府下令在新的京城里组织历局，调动了全国各地的天文学者，另修新历。

忽必烈把建立太史局的具体工作，交给了当时负责教育工作的王恂，王恂认为当时的治历人员都只知编历的方法，不明制历的原理，在他的建议下，元政府把已告老回乡的许衡召回来，主持改历工作。为了郑重其事，又派昭文馆大学士张文谦，总管改历工作。郭守敬虽然在水利部门任职，但他精通天文历算，早已众所周知，在老同学王恂的推举下，忽必烈将郭守敬抽调出来，到太史局与王恂一起主办改历事宜。从此，在郭守敬的科学活动史上又揭开了新的一章，使他在天文学领域里有机会发挥出高度的智慧和才能。

治历一开始，郭守敬首先指出：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表”。就是说治历的根本在于实际观测，观测要有工具，就得先准备适用的仪表。这同许衡的见解是一致的。郭守敬首先与许衡到大都南城外金朝时期

的司天台，检查那里的仪器设备。其中浑仪还是北宋时代的东西，是当年金兵攻入北宋的京城汴京（今河南开封）以后，从那里搬运燕京来的。这台浑仪当年远道颠沛，在转运途中免不了有些损伤，加上长期放置，更是环圈锈结，转动不灵。而且，这座浑仪原是在开封使用的，仪器的北极出地高度是当时所测得的地理纬度 35 度。大都的地理纬度比开封高得多。金朝将这座仪器运到中都后，并没有把仪器指向天球南北极方向的轴的位置很好加以调整。如果仍使用这座旧浑仪，测得的数据自然不会准确。郭守敬通过夜晚的观测来检验这座浑仪，查得其南北极轴的方向，与天球北极差了大约四度。按地理位置，中都与开封的北极出地高度，相差应有五度多，可见仪器已经走了样。郭守敬就把它加以改造，暂时使用。台上的圭表也由于年久失修，变得倾侧歪斜，不成样子。使用这样的仪器，怎样测得制历所需的大量天文数据呢？郭守敬对这些旧仪器一件件做了仔细的检查，并加以必要的校正和修复。经过一番修整之后，必需的测量工作，总算可以进行了。但是，在实际观测中，郭守敬感到这些陈旧的仪器操作起来很不方便，存在着好些不足之处，测量的精度又很不准，不能满足他的严格要求。他对浑仪原是颇有研究的，年少时还亲自做过一架竹篾扎的浑天仪。在对旧仪器的缺点作了深入的分析之后，他下决心按照自己的理想重新设计和制造新的天文仪器。以适应实际观测的需要。那时郭守敬已经 46 岁了，职位也相当高了，可是他依旧象以前那样，积极从事实际具体工作。在许衡的赞助下，他殚精竭虑设计出一件又一件新仪器，太史局又招进了一批技术优秀的工匠，以便进行冶铸和制作。

自古以来，人们就注意到冬至那天，太阳在南天的位置最低，正午时投射在地面上的影子也最长。人们根据冬至前后影子的长短来定出冬至的日子和时刻，而测太阳影长的仪器就是圭表。它是我国最古老也是最简单的天文仪器之一。“表”并不是我们现在用的钟表，而是一根直立的铜制标竿。早先曾用过木竿，更原始的还有采用石柱的。“圭”是从表跟向北方延伸的一条石板，上面有着读数用的刻度，实际上是一条正南北方向的长尺。它是以古代早期量地以及夏至日正午日影用的尺演变而来的，古代称之为土圭。每天正午，当太阳走到天空正南方时，表的影子刚好落在圭面上。一年中，日影最长的那天是冬至，日影最短的那天是夏至。多少年来，我们的历算家就是从仔细测量冬至与夏至前后若干天的日影长短变化，推算出每年冬至与夏至的准确时刻。接连测量若干年的冬至时刻，就可算出一年的回归长度。回归年就是太阳从天上的冬至点（或春分点）运行到下一年冬至点（或春分点）所需的时间。用圭表测量的日影长度，说起来简单，做起来却不那么容易。要得到比较精确的数据，也不那么简单。

首先是表影边缘不那么清晰。阴影越靠近边缘越淡，到底什么地方才是影子的尽头，这条界线很难分清楚。影子的边界不清楚，影子就量不准确。使用圭表时的第二个难题就是测量影长的技术不够精密。古代量长度的

尺只能量到分，往下可以估计到厘，即 1/10 分。按照千年来的测量方法，测定冬至时刻表影的长，如果量错一分，就足以使按比例推算出来的冬至时刻有一个或半个时辰的出入。这个误差是很大的。

还有，旧圭表只能观测日影。星、月光弱，旧圭表就不能观测星影和月影。

郭守敬凭着他深厚的数学基础与渊博的科学知识，仔细探讨了前人的成

果，深入思考了这些问题。他一边使用传统的圭表进行观测，一边在实践中摸索改进其不足之处。他终于取得了成功。

为了解决误差大这个问题，他首先想办法把圭表的表竿加高到五倍于原来的高度，因而观测的表影也加高到五倍于原来的高度，因而观测的表影也加长到五倍。表影加长了，按比例推算各个节气的误差就大大减少了。

其次，他创造了一个叫“景符”的仪器，使照在圭表上的日光通过一个小孔，再照射到圭面上，这样，阴影的边缘就很清楚，可以量取准确的影长，比以前测量的结果又增加了两位有效数字，因而他的工作是极为精密的。

郭守敬的圭表改进工作大概完成于 1277 年，这年冬天已由它来观测日影。因观测的急需，最初的表竿是木制的，后来才攻成用金属制的。可惜，这座圭表已毁灭，我们已无法再看到它了。幸而现在河南省登丰县还保存着一座砖石结构的观星台，其主要部分是郭守敬制造的圭表。这圭表与大都的圭表又略有不同，它因地制宜，就利用这座高台的一边作为表，台下用 36

块巨石铺成一条长 10 多丈的圭面。当地人给这圭表起了一个很豪迈的名字，叫“量天尺”。

圭表的改进只是郭守敬开始天文工作的第一步，以后他还有更多的创造和发明！下面就谈一谈他对浑仪的改进。

早在战国时代，我国便已有了自己的测天仪器——浑仪。浑仪也叫浑天仪，是由 7、8 层环圈套叠起来的一种大型仪器，形状象征着天球。天球是什么东西呢？当人们抬头观看四周天空时，天穹似半个圆球覆盖着大地，地平线下似乎还有半个圆球。太阳和月亮好象在这个圆球上东升，西落，并且不断地在星空背影上交换着位置，星星也好似是缀附在这个圆球面上转动。这种从视觉反映出来的表面现象，并不代表着实际运动。为了便于记录、计算和探讨天体运行的现象，就把这天穹叫天球，实际上是不存在的。浑仪便是模拟天球的测天仪器。仪器上的各个环，有的代表地平线和南北子午线，有的代表着赤道和黄道等等。仪器中心有轴，两头指向天球的北极和南极。这些环，有些是固定的，有些则能转动。有的环上刻有刻度、时刻或方位。最里面的一道叫四游环，能围绕南北极的枢轴旋转。双环中间夹着一根空长管，外方内圆，能在环缝之间转动，叫做窥管。窥管犹如近代的天文台上的望远镜，只是没有透镜罢了。若是东西转动四游环，同时南北向转动窥管，能从窥管中瞄准天球上的任何一点，随便观测哪个天体。

浑仪的作用虽大，却美中不足。用它进行观测，主要靠那根窥管和四游环。然而，这内环之外，还有 6、7 道重重套叠围箍着的外环！外层几道环称为 6 合仪，中层几道环称为三辰仪，最里面的四游环亦叫四游仪。这些环都有 1、2 寸的宽度。人在窥管下好端端地观测时，常常发现要瞄准的天体被一道环挡住了，实在不方便。有时，会把一个难得的或很巧的观测机会错过去，那是很遗憾的。这种仪器自发明以来，由简单趋向复杂，已经有着大约 16 个世纪之久。郭守敬根据自己的实际观测经验，针对浑仪的不足之处做了大胆的革新创造。

郭守敬改造浑仪的主要想法是简化结构。他把这些重重叠叠套装的圆环省去一些，以免互相掩蔽，阻碍观测。那时候已发明了球面三角法的计算，有些星体的运行位置可以从数学计算求得，不必在这浑仪中装上圆环来直接观测。这样，就使得郭守敬在浑仪中省去一些圆环的想法得以实现。

郭守敬只保留了浑仪中最主要也是最必需的两个圆环系统；并且把其中

的一组圆环系统分出来，改成另一独立的仪器；把其它圆环完全取消。这样就根本改变了浑仪的结构。再把原来罩在外面作为固定支架用的那些圆环完全撤除，用一对弯拱形的柱子和另外四条柱子承托着留在这个仪器上的一套主要的圆环系统。这样，圆环就四面凌空，一无遮拦了。这种结构，比起原来的浑仪来，又实用，又简单，所以取名叫“简仪”。简仪的这种结构，同现代称为“夹图式望远镜”的结构基本上是一致的。在欧洲，象这种结构的测天仪器，要到 18 世纪以后才开始从英国流传开来。

郭守敬简仪的刻度分化也空前精细。以往的仪器只能读到一度的 1/4，这简仪却可读到一度的 1/36，精度一下子提高了好多。这架仪器一直到清初还保存着，可惜后来被在清朝钦天监（掌管天文历法的官署）中任职的一个法国教士纪理安拿去当废铜销毁了。

郭守敬用这架简仪作了许多精密的观测，其中的两项对新历的编纂具有重要的意义。

一项是黄道和赤道的交角的测定。赤道是指天球的赤道。地球是悬在空的天球之内，设想地球的赤道面向四周伸展出去，和天球的边缘相割，割成一个大圆圈，这个大圆圈就是天球的赤道。黄道是指地球绕太阳作公转的轨道平面延伸出去，和天球相交所得的大圆。天球上黄道和赤道的交角，就是地球赤道面和地球公转轨道面的交角。这是一个天文学基本常数。这个数值从汉代以来一直认为是 24°，1000 多年来，始终没有人怀疑过。实际上这个交角年年都在不断地减少，只是每年减少的数值很小，只有半秒，短期时间察觉不到罢了。可是变化虽小，积累了一千多年也会显出影响来的。黄、赤交角的数值的精确与否，对其它计算结果的准确与否很有影响。因此，郭守敬首先对这沿用了千年的数据进行了检查。果然，经过他实际测定，当时的黄、赤交角只有二十三度九十分。这是用古代角度制算出的数值。根据现代天文学理论的推算，当时的这个交角实际上应该是 23°31′58″。郭守敬测量的角度实际上只有 1′25″.3 的误差。不过，这样的观测，在郭守敬当时的时代，是很难能可贵的。

另一项观测就是 28 宿距度的测定。我国古代在测量 28 宿各个星座的距离时，要用一颗星作为标志，这颗星称为“距星”。因为要用距星作为标志，所以距星本身的位置一定要定得很精确。从这一颗距星到下一颗距星之间相距度数叫“距度”。这距度可以决定这两颗星之间的相对位置。28 宿的距度，从汉朝到北宋，一共进行过五次测量。它们的精度是逐次提高的。最后一次是在宋徽宗崇宁年间（1102—1106 年）进行观测的，这 28 距度数值的误差平均为 0°.15′，到郭守敬时，经他测定的数据，误差平均值只有 4′.5，比崇宁年间观测的误差降低了一半。这是一个了不起的成就。

为了测定制历所需的天文数据和以后进行经常性的天文观测并充实司天台的设备，光依靠简仪和高表，还是不够的。在许衡的帮助下，从至元 13 年（1276 年）起到至元 16 年（1279 年）的这 3 年中，郭守敬一共设计制作了大大小小 10 多种天文仪器。据记载，除以上两件外，还有：候极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪、星晷、定时仪、正方案、丸表、悬正仪和座正仪等许多件。这些仪器有的还留下了一些较详细的关于其结构、形态与作用的记述，至今可想见其当时的功效和创造的匠心，但也有些不知其究竟了。除了仪器之外，郭守敬还复制了仰规复矩图、异方浑盖图和日出入永短图等一批天文图，辅助仪器的使用，使操作人

员得以与实测结果相印证。由于元代禁止民间学习和藏有天文典籍，这些天文图也未能流传下来。现在我们再介绍一下一种较为重要的仪器。

“仰仪”，是个铜制的中空半球，形状象一口仰天放着的锅。半球的口上刻着东西南北方向。半球上面刻着与观测地纬度相应的纵横线网格。半球口上用一纵一横的两根竿子架着一块小板，板上开一小圆孔，孔的位置正好在在半球的球心上。太阳光通过小孔，在球面上投下一个圆形的象，映照在所刻的线格网上，立刻就可读出太阳在天球上的位置。人们可以避免用眼睛逼视那亮度极高的太阳本身，就能确定太阳的位置，这是很巧妙的。更妙的是在发生日食时，仰仪面上的日象也发生相应的亏缺现象。这样，从仰仪就可直接测出日食的方向，亏缺部分的多少，以及发生各种食象的时刻等等。虽然伊斯兰天文家在公元 11 世纪时就已经利用日光通过小孔成象的办法来观测日食的亏缺，但他们只是利用一块有洞的板子来观测，帮助测定各种食象的时刻罢了，还没有象仰仪这样可以直接读出数据的仪器。

王恂、郭守敬等同一位尼泊尔的建筑师阿你合作，在大都兴建了一座新的天文台，台上就装备着郭守敬所创造的那些仪器。这座天文台是当时世界上最完善的天文台之一。

在郭守敬的建议下，元世祖派了 14 位天文学家，到当时国内 26 个地点

（大都不在之内），进行了几项重要的天文观测。在其中的几个地点，特别测定了夏至日的表影长度和昼、夜的时间长度。这些观测结果，为编制全国适用的历法提供了科学的数据。这一次观测的规模之大，在世界天文学史上也是少见的。

经过王恂、郭守敬等人的共同努力，到 1280 年（元世祖至元 17 年）春天，一部新的历法宣告完成，取名“授时历”。同年冬天，正式颁发了根据

《授时历》推算出来的下一年的日历。

很不幸，《授时历》颁行不久，王恂就病逝了。那时候，有关这部新历的许多算草、数表还都是一堆草稿，不曾整理。几个参加编历的主要人员，退休的退休，病逝的病逝，于是最后整理定稿工作全部落到郭守敬的肩上。他又花了两年多的时间，把数据、算表等整理清楚，写出定稿。其中的一部分就是《元史、历志》中的《授时历》。

在《授时历》里，有许多革新和创造。第一，废除了过去许多不合理不必要的计算。例如，避免用很复杂的分数来表示一个天文数据的尾数部分，改用十进制小数等。第二，创立了几种新的算法，例如插入法及球面三角法则等。第三，总结了前人的成果，使用了一些较为进步的数据，例如采用南宋杨忠辅所定的回归年，以一年为 365.2425 日，与现行的公历的一年时间完

全一致。《授时历》是 1281 年颁行的；现行的公历却是 1576 年才由意大利人利里奥提出来。《授时历》确是我国古代一部很进步的历法。郭守敬把这部历法写成定稿，流传到后世，把许多先进的科学成就传授给后人，这件工作，对后人来说是很有意义的。

王恂去世不久，郭守敬升为太史令。在以后的几年间，他又继续进行了天文观测，并陆续地把自己制造的天文仪器、观测天象的经验和结果等编写成为宝贵的书籍。他的天文著作共有百余卷之多。然而封建帝王元世祖虽然支持了改历工作，却并不愿把真正的科学知识流传到民间去，就把郭守敬的天文著作统统锁在了深宫秘府中。那些科学遗产几乎全都被埋没了，这是多么令人痛惜的事！