平子讲堂丨制作浑天仪-南阳市张衡博物馆

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在浑天思想理论体系创立的同时，为了能够直观地演示各种天文现象，证实浑天说的正确性，张衡于117年发明制作了漏水转浑天仪。这是世界上有明确记载的第一台用水力推动而自行运转的天文仪器。《浑天仪图注》载：本当以铜仪日月度之，则可知也。以仪一岁乃竟，而中间又有阴雨，难率成也，是以作小浑。可见，张衡制作浑天仪并没有仓促动工，一次完成。考虑到浑天仪材质为铜，制作难度大，耗时长，他采用了先制作模型，再验证校准，最后制作实物的办法。张衡制作的模型叫做小浑，是一个比浑天仪小一些的木质圆球，上面标画着黄道、赤道、南北极及周天的各种度数。而这些位置、距离、度数是按什么依据标注，又是怎么测量和计算出来的呢？

《浑天仪图注》也给出了说明：办法就是从黄道冬至的位置作为起点，取一铁针，使其很直，然后从北极至南极用铁针穿起来作为中心轴。再用一条很薄的竹篾穿过轴的两端，并在竹篾的两头各穿一孔，令两孔之间的距离与小浑半个大圆弧的长度相等。将竹篾的两孔与南北两极相重合，竹篾则纵贯小浑，这时可以观察到竹篾两孔间的连线正好与圆球相切合，这是因为，从北极到南极针孔中心也正好等于一百八十二又八分之五度。把竹篾从中间分开，将其一端作为冬至点，让竹篾的中分线沿赤道每次移动一度，每一次均读出它与黄道相交的度值，从而得出赤道每增加一度时，黄道度少于或多于一度的数值。这个数值，即为黄赤道进退数。赤道度增率大于黄道度增率时，为进数，相反，则为退数。如果从北极开始数起，就可以知道每个位置距离北极的度数。这是我国古代最早、最详尽的关于测量黄赤道进退数的方法。

张衡这种先模型后实物的方法也是今天的科学研究中常用的方法之一，在当今的物理、化学、数学及建筑、工程、机械制造等领域也经常使用，它对建立一个新的理论，提高实际工作效率起到非常重要的作用。张衡在1800多年前的时候已经将此方法应用于实践之中，可见其对科学研究的认真执着、一丝不苟的态度。在小浑制作成功的基础上，张衡开始了浑天仪的制造工作。经过一年多的努力，公元117年，真正的浑天仪终于制造成功。

《晋书·天文志》载：至顺帝时，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。因其关戾，又转瑞轮蓂荚于阶下，随月虚盈，依历开落。

张衡所制浑天仪实际上是一台演示天象的仪器，与我们现代的假天球仪类似。它的构造可以从《浑天仪图注》中略知：它用精铜铸成，主体为一圆球形，代表天球。在天球拦腰处有一道铜圈，代表地平圈，使天球一半在地上，一半在地下。球体内有根铁轴斜穿球心，代表天轴，天轴与地平呈三十六度夹角。天轴与球面的两个交点，上为北极点，下为南极点。浑天仪上标有黄道圈和赤道圈，黄道圈象征太阳运行的轨道，赤道圈与黄道圈相交呈二十四度夹角。在黄道上刻有二十四节气点，代表每个节气时太阳所运行的位置。从冬至点起，把整个浑天仪分成三百六十五又四分之一度，每度又分为四个小格，太阳每天在黄道上移动一度。在浑天仪球体的外侧有两个圆环，一个代表地平圈，一个代表子午圈，天轴支架在子午圈上，球体可以绕天轴旋转。浑天仪上还标注有二十八宿、中外星官的名称及位置。

浑天仪制成后，安置于洛阳平昌门外的灵台，相当于今天的国家天文台。这座灵台始建于光武帝建武中元元年（公元56年），后经曹魏、西晋相继使用，连续使用时间达250多年。东汉时，灵台东西各有城垣，总占地面积4.4万平方米。中心建筑是一座方形高台，即灵台，高约20米，台基长宽各约50米，台的四周有两层上下平台，平台间有坡道，供工作人员行走，两层平台内各建有房屋10多间。东汉灵台属太史令管辖，有工作人员共43人，其规模宏大，项目齐全，分工明确，主要为朝廷提供星象观测和历法制定。张衡曾两度任太史令十几年，直接领导和参与了天象观测和天文研究工作。为了使浑天仪能自行运转，张衡设计了一组滴漏壶与之配合，利用古代的漏水技术为浑天仪转动提供动力。

滴漏壶是我国古代测知时刻的仪器，它用一个特制盛水的器皿，下面开有小孔，水通过小孔慢慢滴到刻有时刻记号的壶里，人们通过壶中水位的高低，可以知道是什么时刻。徐坚在《初学记》卷二十五中所录《张衡漏水转浑天仪注》残篇中云：“以铜为器，再叠差置，实以清水，下各开孔。以玉虬吐漏水入两壶，右为夜，左为昼”。同时期的李善在《文选注》中引用《漏水转浑天仪制》云：“盖上又铸金铜仙人，居左壶，为胥徒，居右壶，皆以左手抱箭，右手指刻，以别天时早晚。”

其中所谓叠置，当是指二具刻漏上下放置。所谓差置，是指上下二具刻漏放置不相重而有所错开，而所谓再叠差置，当是指有三层或三层以上刻漏装置错开叠放。至于蓄水壶分为左、右两把，则是因为古代夜间和白天的时刻制度有所不同，所以张衡干脆就分置二把，以示昼夜区别，同时，也便于刻漏的连续运行。由此可以看出，浑天仪的设计和做工不仅精密也相当复杂，更重要的是，张衡首次运用了多级刻漏，这也是目前所知第一篇记载了多级刻漏的文献。虽然刻漏技术早已有之，但张衡把它从计时装置改造为动力装置，并且从单级刻漏发展为多级刻漏，却是首创。这种天才式的发明创造，不得不让人叹为观止。

由于张衡严谨求精，其所制浑天仪在演示天象时达到了“皆如合符”的程度。据《晋书·天文志》记载：张平子既作铜浑天仪，于密室中以漏水转之，令伺之者闭户而唱之。其伺之者以告灵台之观天者曰：“璇玑所加，某星始见，某星已中，某星今没。”皆如合符也。意思是到了晚上，让人在密室之中观测浑天仪的运转，并将观察到的情况大声告诉在灵台之上的实际观天者。哪个星星已经出现，哪个星星已行至天中，哪个星星已经看不见了，这些与实际观测到的情况完全一致。由此可见浑天仪的精密程度，也说明张衡在长期的实测研究中已基本掌握了天空中各主要星体的运行规律。莫怪乎后人曾赞之曰：诸论天者虽多，然精于阴阳者少。张平子、陆公纪之徒，咸以为推步七曜之道，以度历象昏明之证候，校以四八之气，考以漏刻之分。占昝累之往来，求开验于事情，莫密于浑象者也。

东汉末年著名学者蔡邕为了研究天文知识，曾经到灵台参观过浑天仪，被浑天仪的精妙所折服。他对人说：我真想一辈子都躺在浑天仪里！北宋苏颂所制水运仪象台示意图张衡是把水力作为原动力引入天文演示仪器中的第一人，但做为漏水转浑天仪的核心部分——浑天仪，却不是张衡的首创。张衡也是在总结、参考和吸取前人研究成果的基础上而做出这项伟大发明的。

我国史书中关于浑天仪的创制记载远至上古，延及秦汉。《尚书·舜典》中有“在璿玑玉衡以齐七政”。《史记索引》引用东汉学者马融的话说：“璿，美玉也。玑，浑天仪，可转旋，故曰玑。”《史记集解》引用东汉末天文学家郑玄的话说：“璿玑玉衡，浑天仪也。运转者为玑，持正者为衡。”《玉海》引南宋学者张行成的话说：“舜之玑衡，浑天法也。”这些都是对“玑衡”的解释以推测浑天仪创制的年代。春秋战国时期，《周髀算经》、《甘石星经》等天文科学书籍中对岁时长度、二十四节气、天文南北线、太阳半径、北极四游、二十八宿距离以及入宿度、去宿度等问题均有论述，而这些问题又多为浑天说思想家所探究的内容。至西汉时期，关于浑天仪创制的记载已经非常明确了。

《宋书·天文志》载：“古旧浑象以二分为一度，凡周天七尺三寸半分。张衡更制，以四分为一度，凡周一丈四尺六寸。”即明确说明张衡之前已有浑天仪，而张衡对“古旧”时的浑天仪所标示的周天度数进行了更为精细的划分。综上可见，最迟于西汉武帝时，落下闳已经制造出了浑天仪。张衡的漏水转浑天仪是创新性运用科学仪器的卓越典范，它几乎囊括了当时所有先进的天文学知识，提供了极其优秀的观察和实测天象的方法，并对后世天文学的研究和天文仪器的制作有着很大的启发和借鉴作用。

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编辑 | 陈枳佑

校对 | 付会军

审核丨黄迎光

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