05 天文钟的发展和应用

天文学研究的目标是整个宇宙。宇宙一词的英文“universe”起源于拉丁文，是指一个有次序的系统。在中文中，宇表示上下四方，宙表示古往今来，宇宙连起来就是整个的空间和时间。在天文观测中，时间是一个十分重要的尺度。随着时间的流逝，太阳、月亮、行星和恒星都按照它们各自特有的运动规律在天球上准时地升起和落下。从圭表开始，中国古代计时仪器一直远远领先于其他各国。圭表这种计时仪器在阴雨天或夜间就失去效用，为此人们又发明了漏壶、沙漏、油灯钟和蜡烛钟等不同的计时仪器，这些仪器的计时精度一般都比较差。

到公元100年左右，中国天文学家张衡制造了一台相对复杂的浑天仪。这个仪器使用漏水来驱动，仪器指示的星辰出没时间与天文观测的结果几乎完全相符。仪器上分别装有日、月两个轮环。首先通过水轮驱动仪器的主体——浑象。浑象每天转动一周，然后带动日环每天转动1/365周，日环再带动月环。仪器内还装有两个木偶，在一定的时刻，分别进行击鼓报刻的活动。

公元980年，天文学家张思训设计了更为复杂的浑象仪。据《宋史》卷四十八记载：“其制：起楼高丈余，机隐于内，规天矩地。下设地轮、地足；又为横轮、侧轮、斜轮、定身关、中关、小关、天柱；七直神，左摇铃，右扣钟，中击鼓，以定刻数，每一昼夜，周而复始；又以木为十二神，各直一时，至其时则自执辰牌，循环而出，随刻数以定昼夜短长；上有天顶、天牙、天关、天指、天抱（托）、天束、天条，布三百六十五度，为日、月、五星、紫微宫、列宿、斗建、黄赤道，以日行度定寒暑进退。”遗憾的是，浑象仪的实物和图像没有能留存下来。不过根据分析，这已经是世界上最早的一台具有擒纵机构（一种钟表机械结构）的天文钟了。

到公元1093年，我国宋朝的科学家苏颂在浑象仪的基础上制造了十分复杂的具有定时和报时作用的水运仪象台（图13）。水运仪象台是一座底座为正方形、下宽上窄的大型天文仪器，高度达十二米，底部宽七米，总共分为三层（图14）。上层为浑仪，供天文观测使用。中层是浑象，天球一半隐没在“地平”之下，另一半露在“地平”之上，靠机轮旋转，一昼夜转动一圈，真实再现星辰起落的天象变化。仪器的下层构造十分复杂，可以用于精确报时。整个下层又分为若干小层。第一小层负责报时。中国古代一天分为十二个时辰，每个时辰分为时初和时正。到了每个时辰的时初，就有红衣木人在左门摇铃；到了时正，就有紫衣木人在右门敲钟；每过一刻，就有绿衣木人在中门击鼓。第二小层负责报时辰名称。小层共有二十四个木人，手拿时辰牌，牌面写着子初、子正、丑初、丑正等。第三小层负责报告时以下的刻。每一时包括有四刻，例如：子正——初刻、二刻、三刻，丑初——初刻、二刻、三刻，等等。第四小层负责报告晚上的时刻。木人根据四季的不同击钲报更数。第五小层负责报告昏、晓、日出以及几更、几筹等情况。总共有三十八个木人，木人可以随着节气的变更而交替出现。这个仪器中所使用的钟表擒纵机构已经为世界所公认，这是判断仪器是否是钟表的重要标志。1200年以后，擒纵机构流传到欧洲，促进了现代意义的钟表技术的发展。

图13　水运仪象台

图14　水运仪象台模型

1582年伽利略发现长度一定的摆具有固定的摆动周期。不过更严格地讲，摆的周期仍然和它的振幅有关。只有当摆长在运动中满足特定的条件时，摆的周期才是固定不变的。为了实现这一点，可以在摆线上端用两个曲面来缩小这种摆在大振幅摆动时的摆长（图15），这样所获得摆的周期就是严格恒定的了。1658年惠更斯发明了精确的摆钟（图16）。不久应用发条作为动力，具有游丝摆的表正式出现，从此欧洲的钟表业呈现一派繁荣的景象。

图15　惠更斯《摆钟论》中摆的结构

图16　惠更斯绘制的游丝和摆轮示意图

时钟在欧洲重新发明后不久就达到了很高的精度。天文钟也开始应用于天文观测之中。利用天文钟最早获得的天文发现是太阳在一年之中到达正午的时间并不是完全一致。这是由于地球并不是沿着一个正圆形的轨道围绕着太阳来运动，所以太阳到达正午的时间有时快一点，有时则慢一点。

1665年巴黎天文台卡西尼借助精确的天文钟，发现了木星自转的周期是9小时56分。木星自转的发现使人们更加相信地球本身有自转的事实。卡西尼还测量了木星卫星围绕木星公转的周期，并编制了木星遮盖其卫星的时间表。不过他所编制的时间表并不特别精确。实际上，当地球在朝向木星运动时，木星掩星的时间会提前，而当地球在离开木星运动时，木星掩星的时间会退后。

1675年丹麦天文学家罗默注意到木星遮盖它卫星的时间有变化的现象，由此认为光线在空间传播需要一定的时间。他计算出光线通过地球轨道的时间大约是22分钟。如果知道地球轨道的直径，就可以知道光的传播速度。非常凑巧，当时正好已经知道了地球轨道的大致直径。根据当时数据，他计算出光的速度是每秒22.7万千米。这个数字和真正光速每秒30万千米有一定的差距，但差距并不是很大。