04 目视天文仪器的发展

浑仪到了宋代，大约在公元1000年左右，已经发展得十分复杂。最初的浑仪只有两层结构，后来发展成三层。它的最外层是固定的地平环、子午环和赤道环组成的六合仪。中间是表示日、月、星的三辰仪，分别是黄道环、白道环和赤道环。这三个环可以在六合仪中围绕着一根垂直于赤道环的极轴旋转。在三辰仪的内部是四游仪，由赤经环和窥管所组成。早期的张衡和后期的苏颂还将水力驱动应用到这种很复杂的浑仪之中，形成了可以准确报时的天文钟。我国古代的天文钟将在下一节中进行详细介绍。

宋代的沈括认为在浑仪中，白道环的意义不大，所以将白道环去掉。这样的浑仪就和现在在南京紫金山天文台山顶上所保存的浑仪结构基本相同。到了公元12世纪，郭守敬又一次对浑仪进行了重大改革。他将十分复杂的浑仪全部分开，制造了精确实用的简仪（图7）。简仪的制造将望远镜发明前的天文观测仪器发展到了一个顶峰。简仪共包括两个部分，一部分是赤道装置，另一部分是地平装置。这一改变去除了浑仪中一环套一环的繁复状态。

图7　国古代的简仪

在简仪的赤道装置中，北高南低的支架支持着极轴。极轴平行于地球两极的连线。极轴的南端有一个固定圆环，称为百刻环。百刻环内部是一个随着赤纬双环一起旋转的赤道环。赤纬双环中间是经过改造的窥管，称为窥衡。为了避免窥管内壁的反光，原来浑仪中的窥管被两端为方孔的窥衡所取代。同时在方孔中增加了在现代望远镜上常常使用的十字丝。这是十字丝在天文光学仪器上的首次应用，它对于提高天文测量的精度有着十分重要的意义。

在简仪的地平装置中，有一个和地面平行的地平环和垂直于地平环的立运双环。在立运双环之中同样是可以旋转的窥衡。这种地平式支撑形式已经成为现代光学天文望远镜和许多光学测量仪器的标准结构形式。

郭守敬是世界历史上十分重要的天文学家、数学家、水利专家和仪器制造专家。登封观星台就是他设计并建造的。他精确测量回归年长度为365.2425日。这个数字和现在公历年的长度相同，与实际的回归年仅仅相差26秒，领先于西方天文学家整整300年。同样，在简仪制造上的成就也比西方领先了300多年。当时的西方，普遍使用的仍然是十分复杂、缺少效率的浑仪。浑仪简化这一工作是在几百年以后第谷的时代才实现的。在郭守敬一生中，总共制造了20多种大型天文观测仪器，并编写了很多重要的科学书籍。

公元13世纪以后，欧洲的古典天文仪器有了较快发展。16世纪末，光学望远镜即将发明的时候，欧洲古天文仪器的制造水平达到了一个新的高峰。这个方面的改变和进步与一位丹麦天文学家密切联系在一起，他就是第谷·布拉赫。

第谷是在天文学家哥白尼去世后第三年——1546年诞生的。他是一个非常重要的实测天文学家。他既有充裕的时间，又有足够的金钱，从而发展了当时最高精度的天文观测仪器，积累了一批十分精确的天文观测资料。

在16世纪的德国，用佩剑进行决斗是一种很流行的活动。决斗起源于古代奴隶制国家巴比伦、古希腊等，而后盛行于中世纪的欧洲。最初，决斗是神明裁判的一种方式。所谓神明裁判，就是由神来判定诉讼双方哪一家有罪。其方法是对诉讼当事人进行各种考验，有水的考验，有火的考验。此外，即是采用决斗的方式。使用水的考验时，决斗者双手紧缚被抛入河中，如果淹死则证明有罪，而未淹死则证明无罪。使用火的考验是将诉讼双方的手放在烧红的铁块上，或伸入到沸水锅中，经过几天以后再进行检验，伤口愈合者被认定无罪，伤口未愈合者被认定有罪。决斗裁判也是如此，胜者无罪，败者有罪。当时的人们坚信上帝会明察秋毫，时时处处惩罚罪犯，在决斗时，上帝会进行干预，使正义的一方获胜，使有罪的一方惨败。如果某人在决斗中失败身亡，法律将不追究对方的责任。人们把决斗的结果，看作是上帝的判决。

第谷非常固执，他与别人决斗时失去了自己的鼻子。为了掩盖这个决斗的伤疤，他花费巨资定制了一个十分精致的银质鼻罩。第谷可能是有史以来唯一一个没有鼻子的名人，他的银鼻子也成为他性格上的象征。他非常擅长于在当时流行的天体运行理论中找出漏洞。他发现在那个时代，即使最优秀的天文学家对行星在某一天的确切位置所做的预测大多数也非常不精确。同时天空中也常常会出现一些十分有趣的天文现象，比如火星在轨道上会向着和预测相反的方向运动，彗星也会穿过通常行星所在的天穹，而月亮则会跳出所预言的日食轨道。

在第谷的时代，所有的天文理论都是建立在对遥远天体位置十分有限的、极度少量的非常不精确的观测资料基础上的。这些理论可能会很出色地推测或验证天体已经发生过的运动，这相当于检测昨天的天气情况。而第谷则发现很多真正的天象预测则总是不能在预定时间点上发生。由于有这个经验，第谷对观测精度精益求精，他把一生中的大部分时间都花费在对天文观测仪器的精度改进之上。

如同历史上绝大多数科学家、画家或艺术家在他们成名之前均获得不少赞助、遗产或者经济支持一样，第谷本人出身贵族家庭，又获得了国王的特别赞助，他是国王聘用的数学家，待遇十分优厚。丹麦国王腓特烈二世把哥本哈根附近的一座小岛——文岛，连同它上面的居民都赠送给他，同时为他提供了十分宽裕的科研和生活费用，所以他经济实力雄厚。他在文岛上建立了自己的天文台，不断地研制新的天文观测仪器。经过二十多年的不断建设，这个天文台成为当时欧洲最大的一个天文观测基地。

第谷在文岛天文台中建造了一系列十分庞大又相当精确的仪器：有简仪、象限仪、六分仪等等。这些仪器的测量精度已经达到1角分左右（角分是表示角度大小的单位，整个圆周有360度，每一度有60角分，而每一角分又包含60角秒）。第谷在他的巨大的观测仪器中，将圆周中的一度又细分为六个等分，然后用一条斜线将外圆弧的六个等分点和内圆的相临近的另一个等分点连接起来，并且将这根斜线划分为十个等分（图8）。这样他就获得了接近1角分的测量精度。第谷以前的天文仪器常常是用木头制造的，而文岛天文台内的观测仪器大部分用青铜制造，它们的精确程度达到了当时工艺水平可获得的最高精度。

图8　第谷发明的角度差分刻度的原理

利用这些精确的观测仪器，第谷坚持每天晚上都要亲自观测行星、恒星和天空中的其他天体。他详细地记录这些天体位置的变化。在1572年和1577年，第谷进行了两次非常重要的观测。第一次他发现一颗仙后座内的新星，第二次他仔细观测了一颗回归的彗星。那时，多数哲学家认定彗星的本质是地球大气中的一种扰动。他用一种视差观测方法无可争议地证明了他所观测的新星和彗星都要比月亮高很多、远很多。这就证明天空并不像亚里士多德等哲学家所认为的那样永远以地球为中心。此外，他还得出结论：如果彗星位于天穹上，那么它们肯定要在天穹上移动。这就打破了以前所认为只有行星能够在天空中运行的观念。第谷的观测结果改变了当时为宗教服务的正统天文理论。他的学术思想可以总结为一句话：如果要了解宇宙如何运行，你就应当拥有非常精确的天文观测仪器。

在第谷以前，根据当时的天文观测，哥白尼发展了关于地球围绕太阳旋转的日心说。1543年哥白尼发表了《天体运行论》。这个新学说从根本上动摇了西方宗教势力维持了一千多年的地心说理论。

开普勒是第谷的最后一个天文助手。他在第谷所获得的大量精确测的数据基础上，于1609年和1619年先后发表了《新天文学》和《世界之和谐》两本天文论著。在这两本书中，开普勒创立了行星运动的三大定律。这些定律指出，行星不但围绕太阳在旋转，而且它们的轨道并不是一个圆，而是一个椭圆，太阳则位于椭圆的一个焦点上。后来伽利略制造了光学天文望远镜，根据他自己的观测成果，进一步发展了日心说的理论，从而为牛顿力学体系的创立提供了必要的条件。

在天文光学望远镜发明前，主要的天文观测仪器一共有那些呢？它们主要是浑仪、简仪、天文钟、天球仪、星盘、方位仪、角度仪、象限仪、六分仪和八分仪等等。

第谷制造的简仪——大赤道经纬仪（图9）曾经在中国和丹麦共同发行的古天文仪器邮票中亮相。这是一台尺寸很大的仪器。仪器的主轴是一根和地球的自转轴相平行的极轴。在极轴上有一个直径很大的赤经盘，赤经盘的两面都有可以沿盘中心旋转的窥管。在观测恒星时，通过窥管进行观测后，再将赤经盘反转，使用另一面的窥管再次进行观测，从而可以精确确定恒星的坐标位置。由于第谷仪器的赤经盘直径很大，所以它的刻度十分精细。

星盘是一种利用星图来决定当地时间或者利用当地时间来确定恒星位置的一种小型天文仪器。它一般是一个大小为15到20厘米、厚度为6毫米的青铜圆盘（图10）。在铜盘的边缘是24小时的刻度，正上方是中午12点时间，正下方是午夜12点时间。铜盘上面是根据所在地的纬度可以看到的24小时天区星象的完整视图。圆盘上有一个可以旋转的空心套盘。套盘有一个偏心轴，当沿着轴心旋转到一定时刻时，就可以在旋转的偏心圆环内获得所在地当时天空星像的分布情况。因为在星盘上刻有当时天空中的恒星位置，所以有些星盘上还有供观测特定恒星的窥衡用以认证当时的时间。

图10　星盘的构造

象限仪一般尺寸很大，固定在墙面上，由圆周的四分之一所构成，是一种专门测量恒星高度角的仪器。象限仪安装在南北方向的子午面上（图11）。如果在象限仪上增加一个在垂直方向上的转轴，则可以同时测量恒星的方位角，称为方位仪。

图11　第谷制造的巨大的象限仪

角度仪（图12）是圆形的一角。它配备有两组窥衡，其中一组固定在圆面上，另一组则可以在圆面上转动。在使用时，它需要两个人同时对天上两颗不同的星进行观测。通过这种观测，可以获得这两颗星之间非常精确的角度距离。

图12　测量两个恒星之间角度的角度仪

中国古代天文仪器对世界天文学的发展有着十分重要的贡献。这些贡献主要包括：（1）首先发明了用于恒星观测的赤道式坐标系统。（2）最早发明了古恒星观测仪器——浑仪。（3）发明了以管窥天的提高观测分辨率和减少背景辐射的天文观测方法。（4）最早使用了地平式的天文仪器的支撑系统。（5）建立了最早且连续不断的天文观测记录。（6）绘制了最早的详细星图。（7）在天文仪器中最早使用十字丝来提高仪器的分辨能力。