在星象与人事关系密切这一点上,东西方古代文明的人类可谓一拍即合。因此,为了能更好、更深入(也可能更离谱)地发现两者之间的联系,古代世界的人类就创造出众多用以观星的仪器。不仅用它来观察星星,更用以思考那个可能会让宇宙被更怪异、更难以说明的东西所取代的终极问题:宇宙为何存在。

浑天仪是干什么的(一文了解观星的仪器浑天仪)

金嵌珍珠天球仪,乾隆年间制作。

浑天仪

浑天仪这个名字,在中国,天然地会与张衡联系在一起。这位生活在公元二世纪的学者,不仅制造了中国历史上最出名的浑天仪,更开动自己睿智的大脑,回答了宇宙为何存在这个问题——尽管他的答案与标准答案肯定有着巨大的出入。在他的著作《灵宪》中,他解释说,在宇宙万物诞生之前,乃是一种“幽清玄静,寂漠冥默,不可为象,厥中惟虚,厥外惟无”,名曰“溟涬”的状态。宇宙初始阶段,则是“萌而未兆,并气同色,浑沌不分”的“庬鸿”状态。最后,“元气剖判,刚柔始分,清浊异位。天成于外,地定于内”,这个阶段的状态,被称为“太元”。由此“在天成象,在地成形”,人类由此诞生。其中,“人之精者”也就是那些被称为“圣人”的家伙,仰观天文,俯察地理,作为纲纪,以经天纬地。

张衡自然不便自诩为圣人——毕竟那时孔子的“圣人”地位还未完全确定,可堪圣人之名的唯有五帝三王以及本朝的最高统治者——但张衡在《灵宪》中所描述的宇宙起源万物生成的过程,却毫无疑问是效法圣人口吻之作。他更细细叙述了天地日月星辰的运行规律,对今人来说,最值得关注的当属他明确指出月亮与星星的光亮来自于反射的阳光。“月光生于日之所照,魄生于日之所蔽,当日则光盈,就日则光尽也。众星被耀,因水转光。当日之冲,光常不合者,蔽于他也,是谓暗虚。在星星微,月过则食。日之薄地,其明也。”他甚至还指出,星星在白天依然存在,只是因为阳光太强,犹如白昼中的火把,所以无法显示出它的光亮。

在没有望远镜的时代,张衡与他的同行是如何仅凭肉眼观测就发现这些原理的,始终是个谜。而他所制造的浑天仪,则是按照他心中所思创造的宇宙模型。在张衡的时代,宇宙观主要分为两种理论:浑天说与盖天说。盖天说起源最早,理论也发生了两次变化,从最早的“天圆如张盖,地方如棋局”到战国时代的“天似盖笠,地法覆槃”,大地从棋局到倒扣的盘子,弧度越来越大,一直大到认为天穹与地拱的曲率基本一致。弧度之所以一再增加,其原因就是地平说越来越难以解释理论与天文观察之间出现的差异。于是,浑天说应运而生。在浑天说的理论中,大地不再纠结于弧度的大小,其外被球体的浑天包围。尽管在今人看来,中国的浑天说与西方的地心说别无二致,都是古人错谬的宇宙观,但在当时,从天盖地到天包地,就已迈出了质变的一步。

浑天仪是干什么的(一文了解观星的仪器浑天仪)

瓷青纸简平星盘仪,康熙年间宫廷御制。

盖天说与浑天说

张衡虽然被认为是浑天说在汉代的集大成者,但他身处之时,正是浑天说与盖天说相行共存的时代,当时最重要的数理著作《周髀算经》即以盖天说为基础,即便是张衡,也不得不从中取法加以研习。因此,他在《灵宪》中对天地结构的描述含糊其辞,“天成于外,地定于内”“天圆以动”,这是浑天说的理论,但他又写道,“地平以静”“悬天之景,薄地之仪,皆移千里而差一寸”,这又是盖天说的理论。

但在题名张衡所撰的《浑天仪图注》中,张衡却又似乎是个彻底的浑天说派,他写道“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡中黄,孤居于内,天大而地小……天转如车毂之运也,周旋无端,其形浑浑,故曰浑天也”。然而这段记述,出自晋代葛洪的引文,考虑到这位著名道士伪托名人造作伪书的前科不少,所以《浑天仪图注》是否真为张衡所撰,不得不令人疑窦丛生。

然而,浑天说与盖天说之间最大的区别,不在于地的形状,而在于天的运行。盖天说认为日月星辰是在大地上空围绕一个中心旋转;而浑天说则认为天球包裹着大地,日月星辰附在天球之上运转,天体是会随着天球到大地的下面或是背面去的。至于大地是平的还是圆的,至少在张衡的时代,并不是争论的焦点。

浑天仪,顾名思义,是按照浑天说所构建的宇宙模型。今天,我们见到的浑天仪,是许多圆环套在一起,组成一个中空的球体,模仿天球,雕刻着细密的纹饰,其外观形式,只要去南京紫金山天文台参观就可以看到。尽管这台制造于明代的浑天仪,在理论上是张衡原版浑天仪的徒子徒孙,但两者之间却存在着不小的差异。明代的浑天仪需要用人力运转,但张衡制造的浑天仪却以水力推动运转。而最大的不同点是,如今我们认识的浑天仪是观测天象的仪器,而张衡制造的浑天仪却更像是一个模仿宇宙运行的玄妙机器。《晋书》如此记载张衡的浑天仪:

“张衡又制浑象,具内外规,南北极,黄赤道。列二十四气,二十八宿,中外星官及日月五纬,以漏水转之于殿上室内。星中、出、没与天相应。”

浑天仪是干什么的(一文了解观星的仪器浑天仪)

广州浑天仪。

失传后的复原

由于张衡浑天仪的图纸和记录皆已失传,所谓的《浑天仪图注》又来源不明,所以这台宇宙仪器究竟是以何种原理进行运作,成为一个谜题。我们只知道张衡制造的浑天仪并非中国的第一架浑天仪,《晋书》中提到“古旧浑象以二分为一度,凡周七尺三寸半分也。张衡更制,以四分为一度,凡周一丈四尺六寸一分”。可见张衡的浑天仪是在更古老的原型基础上进行改造的成果。最古老的浑天仪可能只有两个圆环:固定与赤道平行的赤道环和可以绕着极轴旋转的赤极环(也被称为“四游环”),两者上都刻有周天度数。但张衡的浑天仪上,却除了赤道与赤极外,还有黄道、“列二十四气,二十八宿,中外星官及日月五纬”,林林总总繁复的图文,要想全部体现出来,需要一个巨大的天球——张衡的浑天仪难道是一个带好几个圆环的巨大天球吗?

后世历代学者一直想仿造张衡能自行运转的浑天仪,但最终的结果却只是在一个又一个不能自行运转的仪器上增补改造。北魏的斛兰在底座上添置了十字水趺,用以校正仪器的水准。唐代的李淳风将张衡浑天仪外的地平、子午和赤道三圈固定在一起,合称“六合仪”,将里面可以旋转观测的四游环和上面窥看星象的窥管,合为“四游仪”。在这两层之间,加上了黄道环、白道环(“白道”即月球运行的轨道)和赤道环,合为“三辰仪”。这最终成为了如今我们所见到的浑天仪的范本。南京紫金山天文台的浑天仪,虽然是张衡浑天仪的徒子徒孙,但却是李淳风改进浑天仪的嫡传。

今天去那里的参观者,大可以想象在浩瀚的星空下,古代的司天监官员,费力地转动着那几个巨大的圆环,透过窥管观测浩瀚的星空。

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