浑天仪

浑天仪（armillary sphere），是浑仪和浑象的总称。浑仪是一种观测仪器，可以用来测量天体球面的坐标；浑象是古代用来演绎天象的仪器。一般认为落下闳制造了浑仪，耿寿昌制造了浑象，后张衡完善制造了水运浑象和“水运浑天仪 ”。

“浑天”一词最早出自西汉文学家扬雄的《法言·重黎》一书中，并且提出浑天说是由历算学家落下闳营建，鲜于姓妄人对浑天仪的有关常数进行了测度，西汉天文学家耿寿昌用铜器制作了一个演示其形象的仪器，即“浑象”。后至东汉时期，天文学家张衡对“天浑说”进行了完善，并制成了浑天仪，而且采用的是水运浑天的方法，即用水力带动球体转动的“水运浑象”，后至唐宋时期，对于浑天仪的理论更加完善，并研制出相对更复杂也更完善的天文和天象表演仪，如郭守敬的简仪等。后明清时期，“浑天仪”的理论不仅得到完善，而且还有纯金打造的浑天仪制成。至现代，浑天仪依旧还有留存，如南京紫金山天文台就留有一具朱祁镇正统年间仿造元代浑仪的复制品（浑仪）。

张衡所制的“浑天仪”不仅是世界上第一台用水力推动的大型天文仪器。还被称为“世界上第一架自动天文仪器”。浑天仪也是中华文化和科技的重要象征。

历史发展

发展背景

西汉，天文学家落下闳在负责改《太初历》的过程中提出了“浑天说”。后“浑天说”在西汉末年得到发展，有浑天家提出“天地各乘气而立，载水而浮”，而关于此问题，张衡在《浑天仪图注》中论述详明，提出“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内。天大而地小，天表里有水”，浑天说与浑天仪的创制有密切的联系。另外，在张衡之后，也有人提及“浑天说”，如东汉文学家蔡邕提出“《周髀算经》术数具存，考验天状，多所违失。惟浑天近得其情。”

早期发展

“浑天”一词最早出现于西汉文学家扬雄所著的《法言·重黎》中，其记载“或问浑天”并提出“ 落下闳营之，鲜于姓妄人度之，耿中丞象之。几乎几乎，不可违也。或问盖天，曰：盖哉盖哉，应难未几。” 扬雄提出，浑天说是由历算学家落下闳营建的，治历使者鲜于妄人对它的有关常数（如基本点、基本圈等）进行了测度，西汉天文学家耿寿昌于汉宣帝时期，利用铜器制作了一个演示其形象的仪器，即“浑象”。另外，根据史籍《益部耆旧传》所记载落下闳 “于地中转浑天”，其可能也已制造出“浑仪”。

研究制作

东汉时期，天文学家张衡吸收前人的思想，不断完善“天浑说” 其所著的《灵宪》中就有着早期的“浑天”思想，提出浑天说的天球概念的范围限定在人类所生活的天地之中，与无限的宇宙区分开来。张衡在之后的《浑天仪图注》中，进一步发展了浑天说，认为天是球形，大地不是方形，如鸡蛋蛋黄，打破了盖天说和早期浑天说天圆地方的观点。

浑天仪器的制造是与浑天说理论相伴生的。浑天仪器有“浑仪”与“浑象”两种，“浑仪”是观察天文现象与天体运行的测量仪器，“浑象”则是根据“浑仪”观测所得结果而制成的天球模型，即天球仪。张衡所制的浑天仪的外部轮廓具有球形，并采用水运浑天的方法，即用水力带动球体转动的“水运浑象”，也是一种演示天球星象运动用的表演仪器。后张衡为了说明浑天仪的原理及使用方法，还写下《浑天仪图注》与《漏水浑天仪注》两书。

后期发展

唐宋时期，因部分学者根据浑天仪原有的基础上发展出相对更复杂也更完善的天文和天象表演仪。如贞观初年，天文学家李淳风获准制作用以测定七曜行度的浑仪，并于贞观七年（633年）完成。同时，李淳风还撰成《法象志》七卷，评论历代浑仪的得失，其新制浑仪亦被置于皇宫的凝晖阁内。李淳风造的浑仪分为三重，除保留了前代的六合仪与四游仪外，还在中间增加一个三辰仪。三辰仪克服了东汉黄道铜仪无法解决的困难，可同时得到赤道、黄道、白道三种坐标的读数。北宋时期，苏颂和韩公廉又发明了元祐浑仪，设置在水运仪象台的上层。

元朝时期，天文学家郭守敬对浑仪进行了改良得到了更加简化的“简仪”，取消了黄道环，把测量赤道坐标和地平坐标的两组装置分成简仪和立运仪两个独立仪器，而郭守敬的改良不仅简化了仪器的使用，还改善了仪器因圈层过多而遮掩星星的现象。简仪上的刻度，最小达到了度，所测二十八宿位置的准确度也得到提升。

明朝时期，浑天仪的理论得到完善，文学家汤若望完善了“浑天仪说”，并运用于黄赤经纬、诸曜出没、五纬见伏等方面，同时，朱祁镇正统年间也制作一台“浑仪”。清朝康熙，还制有黄金做成的浑天仪，即金嵌珍珠天球仪，该天球上珍珠的大小代表地球上观测到该星辰的亮度，但为迎合皇帝至高无上的思想，内务府造办处在帝座上用的珍珠非常大，与星辰的亮度不符。

现存情况

至现代，浑天仪依旧还有留存，中国现存最早的浑天仪制造于明朝，陈列于南京紫金山天文台。北京古观象台还留有中国历朝唯一存世的浑象，即演示浑天宇宙和日月星辰东升西落的天体仪，其由比利时传教士南怀仁于清代康熙十二年（1673年）监制而成。

组成构造

浑天仪，指的是浑仪与浑象的统称，其中浑仪指的是测量天体位置的仪器浑仪与演示天球旋转的天球仪浑象的通称。浑象指的是根据浑天说制造的演示天象位置及其视运动的仪器。

浑仪

浑仪的基本构造是由多个代表天球上坐标圈的同心圆环套叠而成，并有瞄准天体的装置，内有窥管，亦称望管，用以测定昏、旦和夜半中星以及天体的赤道坐标，也能测定天体的黄道经度和地平坐标。浑仪由早期四游仪和赤道环组成。圆环上刻有代表圆心角的分划刻度。可以在瞄准天体后，从相应的圆环上读取天体的黄道、地平、赤道坐标值。浑仪大多以铜制成，也有用铁、木制的。

成熟的浑仪由三层环规构成，外层称六合仪，由固定在基座上的地平、子午、赤道三个环规组成作为仪器的支架。中层称三辰仪，由黄道、赤道和白道三个环规组成，整组环规可绕浑仪的极轴转动，其中赤道和黄道环连接在一起，黄道环上钻有249对小孔，白道环以销钉固定在一对孔上，并可依次固定在其他一对孔上以适应黄道和白道交点的不断移动。最内层称四游仪，由支撑在六合仪上南北极点的极轴及一对赤经双环和瞄准管组成两赤经双环平行，夹着瞄准管，并可绕极轴转动，而瞄准管则可绕过两赤经环中心的短轴转动，以瞄准天空中任一目标。

浑象

浑象是古代用来演示天象的仪表，最早为西汉耿寿昌所创制，张衡对其进行了改进，整体结构为一个铜制的球体，在球表面上刻或缀有星宿、黄赤道等天文坐标圈，球可绕支架上的南北天轴旋转，类似现代的天球仪。

天球模型

浑天天球模型包括周天365.25度的分法，南北极的入地及出地角度（均为36度）、赤道圈与黄道圈的位置关系（黄赤交角 24度）、二分、二至点的位置、北极恒显圈及南极恒隐圈（去极均为36度）等基本点和基本圈，与球面天文学中的天球模型基本一致，所不同的是浑天天球不是假想球面，而是实有其体，而且也没有北极高度随地理纬度变化的概念。

水运浑天

张衡创制的浑天仪主体为几层均可运转的圆圈的铜铸仪器，用于模拟天球。其每弧度长度为4分，圆周长为一丈4尺6寸1分，直径4尺6寸5分。该仪器由内外多层结构组成，各层均可转动。球体外部设有地平圈和子午圈，其中一半隐没于地平圈下方，另一半显露于地平圈上方；天轴架设于子午圈之上，与地平圈呈36度斜交，此角度既为洛阳地区的北极仰角，也对应洛阳的地理纬度。球体内部有铁轴贯穿球心，轴的方向与天球运转方向一致，对应地球自转轴方向；轴与球体接触的两个端点，分别对应天球的北极和南极。球体表刻有28宿及中外星官。其核心运作机制包含：采用稳定的漏壶流水作为动力来源，通过齿轮传动装置驱动铜球匀速绕极轴旋转，以此模拟星体东升西落的运行轨迹。

另外还有黄道圈和赤道圈，互成24度的交角；在赤道和黄道上，各列有24个节气，并且从冬至点起，刻分成365.25度，每度又分4格，太阳每天在黄道上移一度。仪器的构造，几乎囊括了当时所有先进的天文学知识。

使用方法

张衡所制造的浑天仪是世界上第一架水力发动的天文仪器，记载使用方法为“（张衡）用铜铸成的浑天仪，内有几层圆圈，都可转动，立黄道与赤道，相交成二十四度，又立南北两极；分全球为三百六十五度又四分之一，布置日月五星，二十八宿及所有星辰，用滴漏使仪器自行转动，某星始出，某星方中，某星今没。” 《隋书·天文志·天体》中记载使用方法为“于密室中，以漏水转之，与天皆合如符契也。（在密室中用漏水驱动，仪器指示的星辰出没时间与天文观察的结果相符）”

应用及影响

应用

浑天仪在古代天文学中是浑天说理论的具体体现，通过模拟日月五星位置，预测天象，占卜凶吉。虽然浑天仪无法真正将天上所有的星象运动全部展示出来，但可以以此为基础加之太阳的影长计算时刻、求各地方北极出地之度、及太阳高弧距地平等，而且一切的方位都与天上相同。

影响

浑天仪是中国古代天文学中最为重要的仪器之一，它的发展与天文学中的各项成就密切相关。其发展折射出古人对宇宙认识的累积。同时，中国有世界上最早的赤道天文坐标系，除了在表示形式上存在差异，中国古代的赤道天文坐标系与近现代通用的几乎完全一致。赤道测量坐标系在观测仪器浑仪中充分使用，浑仪的雏形圆仪就是一个纯赤道式的装置，成型的三重浑仪中的赤道环也是用来测量赤道坐标。

随着数学方法的进步，浑仪在构造上得到了突破，为后世郭守敬制作简仪提供了重要基础。在现代世界，浑天仪也是中华文化和科技的重要象征。而且浑仪的成型及改良过程中也包含了前人的想象，具有一定研究价值。浑天仪也被称为“世界上第一架自动天文仪器 ”。