中国古人是怎么进行天文测量的?
最近几天在鼓捣我的天文望远镜,一架102毫米的折射镜,配套赤道仪、导星和拍摄系统、控制电脑和支持软件。与这架如今入门级别的望远镜相比,中国古人几乎是两手空空。那他们是如何实现观星,并且做出精确的记录的呢?咱们中国古人观星的辅助性仪器有圭表、日晷、浑仪、简仪、漏壶等。
1、圭表
圭表是由直立的表和沿子午线水平放置的圭两部分组成。它除了能测定太阳过中天的时刻(正午)、夏至、冬至和回归年的长度外,还可以测定黄、赤交角和地理纬度。
中国留存最早的圭表在河南登封的周公测景台。《周礼》中记载:垒土为圭,立木为表,测日影,正地中、定四时。相传3000年前,周文王的第四子在阳城,今天河南登封告成镇一带设立了测景台,现仍存唐代"周公测景台"石碑一块。
河南登封周公观景台遗址
所谓的"正地中"是指古人认为,如果某地表高8尺夏至影长1尺5寸,则在大地的中央,登封正好能满足这一条件。
周公测景台遗址的主要建筑是元朝郭守敬(1231-1361)所建的圭表。表身似一城楼,上置一横木,高9.75米,相当于仪器指针;圭身由青石平铺而成,长31.19米,上有通长水沟一条,注满水后可以检验圭面水平度。
郭守敬
为了提高表影的清晰度,郭守敬发明了一种叫"景符"的装置。这是一个可以移动的铜片,中间有小孔,至于表端横木在圭面上的投影前面。利用小孔成像原理,同时获得横木和太阳的像。测量的时候通过调整景符的位置,让横木的像平分太阳像,就可以准确测定影子的长度,可以精确到2毫米以内。
郭守敬的圭表还可以观测一般天体过中天时的天顶角,这时候需要利用叫做"窥几"的附属设备,用人眼对天体直接观测,当天体、横木、人眼成一直线时测量"投影"的长度。
日晷2、日晷
日晷与圭表类似,也是在太阳照射下观测标杆(晷针)影子的仪器,不同的是它的晷面有两维刻度,可以读出一天之内的时间。日晷按晷针方向的不同可以分为地平式和赤道式两种。另外一种为球面日晷,其晷面为一凹球面,其上刻有赤道或地平坐标网。河南登封的周公测景台博物馆中有一台"仰仪",就是一种球面日晷。
明代浑仪3、浑仪
浑仪在汉朝就出现了,随着时间的发展也越来越复杂,到了唐代,浑仪有多重轴系,包括子午环、地平环、赤道环和白道环等。
浑仪相当于多轴望远镜,是中国古代重要的天体测量仪器。由于当时还没有望远镜,因此是通过"窥管"的细长管子直接瞄准天上的星。窥管两端可沿外围环圈滑动使其绕环圈中心转动(类似现代望远镜经纬仪或者赤道仪的第二转轴),这样就构成了一个坐标系的自由度。
这个圈的外面还有更大的两个环圈,环圈之间都用一个对外伸小轴连接。如果将里面两轴固定,则窥管可以沿第二个坐标系转动。
郭守敬简仪4、简仪
由于浑仪轴系特别复杂,环圈特别多,挡光多,并且操作不便,观测受到比较大的限制。郭守敬将其简化,保留了赤道环和地平环,并将其拆分为两个独立的部分,称为"简仪"。
中国天眼结语
中国古代天文学在16世纪前取得了辉煌的成就,不但发明出来上面那些精妙的天文仪器,更借助它们对很多天体和天文现象做出了精确的记录,更在编订历法方面取得了辉煌的成就。但令我们遗憾的是,中国古代在天体物理等理论方面没有任何贡献。如今,我们正走在实现中国梦的伟大征途中,中国人有能力在新时代为天文学贡献自己的智慧,期待隔着屏幕的你,传来好消息。