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图文 制造浑天仪和瑞轮冥荚

时间:2005-06-27  字体:        访问次数:

张衡不但是浑天论的完成者,而且还根据此种理论和实际天象观测知识,于公元117年在洛阳研制成功了观察天象的新型仪器——浑天仪。这是世界上第一台用水力推动的大型天文仪器。

张衡观测天象的地方叫灵台,座落在洛阳平昌门南,灵台就是当时的天文台。这里的总管是灵台丞,属太史令管辖,上面有候气的、候风的、候日的、候星的等40多人,机构庞大,分工细密。张衡利用这一有利条件经过了无数次的观察、研究、测验,于公元116年(东汉安帝元初3年)首先制作出一个浑天仪的模型叫小浑。

从《浑天仪图注》记载可以看出小浑是一个较浑天仪小些的木质圆球,在圆球上先画出一大圆为赤道,再画一个与之成24度交角的大圆为黄道,在黄赤道上均分成365又1/4刻度,两者的起始都在冬至点。在赤道北极及其相冲处(即南极),各用针穿一孔,作为圆球旋转轴的两端。取一长条竹篾,在其两头的中央各穿一孔,令这两孔之间的距离与圆球半个大圆弧的长度相等,将竹篾的两孔与南北两极相重合,竹篾则纵贯圆球,这时竹篾两孔间的连线必与圆球相切合,这是因为从北极到南极针孔中心间也正好等于182又5/8度,即半个大圆弧。沿中分线把竹篾削去一半,必须使中分线正好是竹篾两端孔中心的连线。从冬至点起,令竹篾的中分线沿赤道每隔一度移动一次,每一次均读出它与黄道相交的度值,就可以得知赤道每增一度时,黄道度或少或多于一度的数值。这多少之数即为黄赤道进退数。赤道度增率大于黄道度增率时,为多,为进数;;相反,为少,为退数。这是我国古代量度黄赤道进退数具体方法的最早、最详尽的记载。

小的浑天仪模型制成后,作为试验,试验准确了,然后再用铜来铸成正式仪器。在张衡谨慎、细心操作下,耗费了许多心血,经过了一年多的努力,这个仪器终于制造成功了。因为这个仪器是根据浑天理论来制造的,所以张衡就把那个用竹蔑编成的模型叫做“小浑”,铜铸的就定名叫做“浑天仪”。张衡的浑天仪在好些地方和近代的假天仪相似,不过近代的假天仪当然比它精密得多。

张衡制造的浑天仪是依据浑天原理而制成。其形状是个球形的东西,相当于现在的天球仪。浑天仪分做内外几层,每层都可以转动,中间有个铁轴贯穿球心,轴的方向就是地球自转的方向,轴和球体的接触有两个交点,即天球上的北极和南极。球的一半隐没在地平圈的下面,另一半显露在地平圈上面。在球的表面排列有二十八宿和其它恒星,球面上还有黄道圈和赤道圈,二者成24度夹角,分列有二十四节气。从冬至点起(古代以冬至作为一年的开始),把圆分成3651/4度,每度又细分成四个小格。球体外面有两个圆圈,一个是地平圈,一个是子午圈,外圈圆周长为一丈四尺六寸一分。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。这架仪器的构造,几乎囊括了当时所有先进的天文学知识。

为了使浑天仪能够按照时刻自己转动,张衡又设计了一组滴漏壶。滴漏壶是古代测知时刻的仪器,它用一个特制盛水的器皿,下面开个小孔,水一滴一滴流到刻有时刻记号的壶里,人们只要看到壶里水的深浅,就可以知道是什么时刻。当时没有发明钟表,我们的祖先就用它来测定时刻。张衡运用这个原理,设计了一组滴漏,巧妙地应用两个壶和浑天仪配合起来,利用壶中滴出来的水的力量来推动齿轮,齿轮再带动浑天仪运转,通过恰当地选择齿轮个数,巧妙地使浑天仪一昼夜转动一周,把天象变化形象地演示出来,人们就可以从浑天仪上面观察到日月星辰运行的现象。

张衡制成青铜浑天仪后,把它安装在一间密室里,用流水的力量使它转动。然后,让一个管理人关闭在室内,高声向站在观象台上的观察者报告说:浑仪上哪一颗星正在升起,哪一颗星正在达到天顶,哪一颗正在落下去。一切都准确地同天象相符。

在浑天仪和滴漏壶之外,张衡还创造了一种机械日历,叫做“瑞轮冥荚”。《晋书·天文志》记载:“至顺帝时张衡又制浑象……,以漏水转之于殿上室内。星中出没,与天相应。因其关戾,又转瑞轮冥荚于阶下,隋月虚盈,依历开落。”冥荚是传说中的一种树,每天生一个荚,生到第15个以后,又每天掉一个荚,掉完以后再重新生长。受此启发,张衡创造了瑞轮冥荚,其内装有机关,在一个立轴上装上十五个具有凸轮作用的拨板,使它们依次分别作用十五个冥荚,各按着应有的时刻升起和降落。然后把瑞轮冥荚放在浑天仪殿房外面阶台旁边。接联到滴漏壶上去,也是利用漏水转动和浑天仪联动。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,到月落为止。因为阴历是和月亮的运行配合的,所以这种仪器不仅可以表示出日期,它还可以表示出月亮圆缺的增减情形,也就是按照阴历中的朔日、上弦、望日、下弦、晦日等顺序,一次又一次地循环旋转开合着,使人们从瑞轮冥荚上可获得类似活动日历的效用。

总之,张衡的《灵宪》和浑天仪都是我国古代天文学方面极其重要的科学成就。它一方面总结了古代天文学的珍贵成果和丰富经验,另一方面刻意创新表示了运用科学仪器的卓越典范。尤其是浑天仪,这种精密的科学仪器提供了极其优秀的观察天象的方法,对以后天文学的研究产生了很大的启发和借鉴作用。