大家好，我是来自于中国科学院国家天文台的苟利军。在上一讲中，我们回顾了古人如何观测星空并且发现天体运行规律的简单历史，在这一讲中，我们将了解一下古代所用的精密观测设备以及存放它们的皇家古观象台。

尽管古时的天文观测者都是利用肉眼进行观测，但是为了精确测量各种天体的运动以及天空中出现的各种“客星”，包括现代意义上的彗星、超新星和新星等，天文学家们还是发明了不同的设备。同时也建立了类似于现在的观测站，用于放置这些观测设备，这些地方在古代常被称作司天台或者观象台。尽管每个朝代都有自己的观象台，但保留到现在且完整的观象台并不多，比如有河南登封的元代古观象台和北京的明清古观象台。

古观象台的建立

制定历法的一个基础就是测量一年的长度，通常利用的方法就是测量太阳影子的长度变化，从影子最长的时刻到最短的时刻，然后再到最长的时刻，时长刚好就是一年。测量太阳影子通常所用的设备就是圭表。圭表中直立于平地上测量日影的标杆，叫作表，而朝着正南正北方向，平放用于测定影子长度的刻板叫作圭。通俗而言，就是在平直的表面上立一个垂直的杆子，当太阳照到这个表的时候，就会在圭上留下影子，通过观察正午时影子的长短变化就可以确定季节的变化。

根据考古和史书记载，应该在公元前2000年的陶寺遗址时期，人们就已经开始使用圭表测量一年的长度了，据猜测很可能是因为看到了人的太阳影子而想到的这个发明。根据现在的物理学原理，我们很容易知道，要想测量精确，就需要让表或者竖着的杆子尽可能长一些，这样每天投影出来的影子差别才会更大，更容易观测。根据目前出土或者保留下来的汉代和唐代圭表来看，表的标准长度通常都在2米左右。比如，史书记录的唐代僧人一行所用的圭表就是2米。

▲郭守敬圭表示意图，实物现位于河南登封元代古观象台

到了元代，著名天文学家郭守敬就想突破原来的限制，制造一个更大型的圭表，从而提高测量精度，这就是位于河南登封元代古观象台的四丈高表，高将近10米。大型圭表本身容易建造，但有一个需要解决的问题就是太阳是一个圆面，中心和边缘同时投射的影子会让边缘变得模糊，在圭表杆子长度不长时，这个问题不大，然而当圭表尺度很长的时候，就明显是一个急需解决的问题。不过郭守敬还是利用小孔成像的方式最终巧妙解决了这个问题，同时也让这个长圭表成为一个历史上最壮观的天文建筑和成就。而郭守敬也同时是元朝位于太史院司天台的创始人，明朝后来就在这个元朝的旧址上修建了观星台，也就是现在的北京古观象台。

▲北京古观象台

在确定了星宿或者星座之后，为了精确预测这些天体的运行规律, 中国人也发明了一些观测设备，比如浑仪，就是用来测量天体的精确位置的。它由一个或多个有刻度的圆环以及一个用于瞄准的窥管或窥衡组成，其主要用途是观测恒星的角距离。浑仪中的圆环代表了作为位置参考的坐标平面，有可能是当地的地平坐标，也有可能是我们所熟悉的黄道，也还有可能是地球的赤道，所以选择不同的坐标类型，就会出现不同的浑仪，因此也就有了地平浑仪、赤道浑仪和黄道浑仪之分。

中国人比较喜欢赤道坐标，也是因为中国强调皇帝的重要性。这些不同的浑仪在北京古观象台都有呈现。我们简单介绍一下北京古观象台，它建于明朝正统年间，也就是1442年，它是世界上最古老的天文台之一，目前存放了8架清朝制造的天文仪器，包括地平经纬仪、黄道经纬仪、赤道经纬仪、纪限仪等，除此之外，还有几件元明代复制品，包括明代原大铜制浑仪、元代1：3铜制简仪等。在这里说到了元代的观测设备，那么就必须要讲一下元代天文学家郭守敬对于观测设备的贡献，因为之前浑仪设计复杂，所以郭守敬对原来的设计进行了简化，简化后的设备就被称为简仪，同时他加大了设备的尺寸，这样就可以达到更高的精确度。让人赞叹的是，郭守敬的简仪结构与现代赤道式望远镜的结构竟然有着极其的相似性，只是原来用来瞄准天体的“窥衡”被换成了望远镜。明代复制的郭守敬简仪先前是一直被保存在北京古观象台，在抗战期间曾搬迁到南京紫金山天文台，并保存至今。郭守敬因为诸多天文成就也因此成为历史上最为知名的天文学家之一，为了纪念它对中国古代天文的贡献，2008年建成的Lamost望远镜后来就被命名为郭守敬望远镜。

古代的计时器

为了准确计量一天的时间，古人也发明了好多不同的设备，最早也是最简单的一天计时就有日晷。因为日晷计时有很大的限制，所以后来就出现了利用流体力学计时的方式：刻漏和沙漏。尽管古人掌握的科学知识很有限，但还是尽可能地发挥了他们的聪明才智，设计出了一些让人惊叹的设备，宋代苏颂设计的天文钟就是一个代表。苏颂所建造的水运仪象台，可以说就是集天文观测、天文演示和报时系统为一体的自动化天文仪器，不过它的体积非常庞大，高度一项就达到了12米，相当于现在的四层楼高，非常壮观。

▲宋代苏颂所建造的水运仪象台示意图

这个装置分为三层，最下边一层是报时和动力系统，第二层有一个浑象，第三层有一个浑仪。在设计以及建造的过程当中，这个装置还有几项另人瞩目的技术革新，包括可以控制水轮做均匀间歇转动的锚状擒纵装置，同时还可以驱动浑象一同转动的链传动装置。正是因为这些技术上的革新，而且很多细节并没有在苏颂1094年完成的《新仪象法要》中详细说明，以致于在后来一段时间之内很难被复制出来，甚至都很难被组装起来。这里有一个故事就是北宋都城在1127年被金国占领，金国将这个设备拆解运送回他们的金大都之后，都无法重新装上。这个说法有一点夸张，但的确说明其设备的精密程度很高。不过，2012年第28届国际天文学联合会大会在中国举办之前，由国家天文台、自然科学史研究所以及清华大学的科研人员共同攻关，成功制作出了缩小版的水运仪，让来参会的众多国际天文学家一睹中国1000多年前的技术成就。

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