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簡儀
來源:互聯網

簡儀(Simplified Instrument),是元代天文學家郭守敬于元至元十三年(公元1276年)創制的一種測量天體位置的儀器。

簡儀是郭守敬在改革、簡化測天工具渾儀的基礎上創造出來的。簡儀把地平坐標(由地平圈和地平經圈組成)和赤道坐標(由赤道圈和赤經圈組成)分為兩個獨立的裝置:赤道裝置和地平裝置,因為每個裝置都很簡單,故名“簡儀”。簡儀除了北天極附近以外,整個天空可一覽無余。其赤道裝置中,四游雙環的兩面刻著周天度數,中間夾著窺管,窺管可以繞四游雙環的中心旋轉。只要轉動四游雙環和窺管,就可以觀測空中任何方位的一個天體。地平裝置中,陰緯環代表地平圈,環面上刻著方位;垂直立于陰緯環上的立運雙環,則代表地平經圈,它可以繞軸旋轉;雙環中間夾有窺管,窺管可以繞立運環的中心旋轉。地平裝置能夠同時測量天體的地平方位和地平高度。

現代化天文臺內大望遠鏡的赤道裝置,尤其是英國式的類型,以及近代工程測量、地形測量及實用天文測量所用的經緯儀、航空導航用的天文羅盤等近代儀器最早的基本型式,都可說是脫胎于簡儀。簡儀是中國首先發明的赤道裝置,要比歐洲人使用赤道裝置早500年左右,比西方丹麥天文學家第谷·布拉赫(TychoBrahe)的同類儀器早300多年。

歷史發展

創始于戰國初期的渾儀是中國天文儀器中最重要的測天工具,但是它有兩個缺點:一是裝配復雜,二是環圈交錯,彼此遮掩,觀測不便。于是,從北宋開始,就出現改造渾儀的趨勢,金元時,簡儀應運而生。完顏璟承安四年(公元1276年),有個名叫丑和尚的人向朝廷進呈天文儀器的圖紙,其中有“簡儀”一項,后來是否做成,沒有下文。

元至元十三年(公元1276年),天文學家郭守敬在改革、簡化渾儀的基礎上,創制了測量天體的新型天文儀器——簡儀。簡儀不但取消了渾儀的白道環,還取消了黃道環,而且把地平坐標(由地平圈和地平經圈組成)和赤道坐標(由赤道圈和赤經圈組成)分為兩個獨立的裝置:赤道裝置和地平裝置,因為每個裝置都很簡單,故名“簡儀”。

康熙五十四年(公元1715年),德國傳教士紀理安為了制造地平經緯儀,把渾儀、簡儀等儀器當作廢銅進行熔毀。現存于南京紫金山天文臺的簡儀,是明英宗正統二年(公元1437年)按郭守敬所制儀器仿制的復制品,明清兩代欽天監曾用于觀測,后留于北京古觀象臺,抗日戰爭前遷往南京。

發明者

郭守敬(公元1231年—公元1316年),字若思,順德邢臺(今河北省邢臺)人,元朝時期天文學家、水利工程專家、數學家、儀器制造家。在天文方面,郭守敬主持制定了《授時歷》,主持了大規模的天文數據測定,設計制作簡儀、景符、窺幾、仰儀等多種天文觀測儀器,還在元大都修建了天文臺;在數學方面,郭守敬使用“割圓求矢術”“割圓求矢術”等方法開辟了通往球面三角形的途徑;在水利方面,郭守敬主持疏浚了多處河道,為元大都的水利建設提供多條建議,還主持鑿通了通惠河,連通南北的運輸。

結構

明制簡儀總高2202毫米、總重 14噸,主要由兩個互相獨立的裝置:赤道裝置和地平裝置、以及基座和支架組成。

赤道裝置

赤道裝置只保留了渾儀中的四游、赤道、百刻三個環。該裝置北高南低的兩個支架托著正南北方向的極軸,圍繞著極軸旋轉的是四游雙環。四游雙環中間夾著窺管,窺管可以繞四游雙環的中心旋轉。

簡儀南端的赤道環面上裝有兩根銅條,銅條中心恰在赤道環中心。它們被稱為界衡。每條界衡的兩端分別用細線和北極軸相連接,從而構成了兩個三角形,這兩個三角形平面也就是兩個赤經平面。

地平裝置

地平裝置又叫立運儀,安放在赤道裝置北面支柱的橫梁底下,包括一個固定的地平環(陰緯環)和一個可以旋轉的立運環以及一個窺衡(望筒)。

基座

簡儀以長方形的銅鑄框架為基座,框架的四角和中梁部位有四條龍柱和四條云柱為支承件。經過對實體特征進行觀察可得:基座長4396毫米、寬2971毫米。

支架

極軸傾斜北高南低。北極軸在二根最長的云柱交叉呈“A”形的支架頂端,云柱中部鑄有橫梁,梁中部裝立運環軸栓,二條龍柱支承在橫梁兩端。南極軸及百刻環用二根云柱交叉呈X支架和二條龍柱支承。

赤道環X形支架聲望兩柱交叉處有南極洲軸座,柱上端靠龍柱支承,柱下端嵌入在基座內。柱長2550、2670毫米,柱的截面近似圓形,直徑146、140毫米,兩柱交叉的下半部鑄有橫梁,長1410毫米,截面近似圓形直徑134毫米。橫梁支撐赤道環,且此處素面無紋,其余表面云紋、獸紋。紋飾連貫清晰。在橫梁與立柱的交結處,各鑄有一獸物,翹首張口趴附在架柱之間。

立運環A形支架中,兩云柱相交與北極圈相連,中間有一橫梁,梁長2102毫米,近似圓形截面直徑120毫米,兩側立柱成弧形,長為2644毫米,直徑約125毫米。A形支架紋飾布局,藝術風格、結構特點與X架相同。

使用

赤道裝置的三道環圈中,四游環的兩面刻著周天度數,是測定去極度用的,利用四游環和赤道環及附屬器件界衡,可以測定入宿度;利用百刻環、四游環和界衡又可測定地方真太陽時;通過數字計算,可以歸算出黃道坐標,所以黃道圈就省略了。四游環獨立于赤道環之上,再也不會出現多環掩映、影響觀測的現象。另外,郭守敬還在赤道環和百刻環之間平放了四個圓形短銅棍,使兩環接觸之間由原來的滑動磨擦變為滾動摩擦,轉起來更有力。同時,郭守敬還在赤道裝置上安裝了一個候極儀,以校正儀器極軸的正確方向,大大提高了觀測的精確度。

地平裝置中,陰緯環代表地平圈,環面上刻著方位;垂直立于陰緯環上的立運雙環,則代表地平經圈,它可以繞軸旋轉;雙環中間夾有窺管,窺管可以繞立運環的中心旋轉。地平裝置能夠同時測量天體的地平方位和地平高度。

影響和成就

影響

現代化天文臺內大望遠鏡的赤道裝置,尤其是英國式的類型,是從簡儀脫胎而來。近代工程測量、地形測量及實用天文測量所用的經緯儀,從其型式來看,方位角和仰角的地平裝置,也是簡儀陰緯環和立運環的結構。而航空導航用的天文羅盤,其構造也與簡儀屬于同一類型。因此,簡儀可稱所有這些近代儀器最早的基本型式,而現存明制簡儀則是最完整的原型。

成就

簡儀是中國首先發明的赤道裝置,要比歐洲人使用赤道裝置早500年左右,比西方丹麥天文學家第谷·布拉赫(TychoBrahe)的同類儀器早300多年。簡儀的結構,不僅在當時居于世界領先地位,而且也是現代赤道式天文望遠鏡的鼻祖。英國著名的科技史專家李約瑟博士在《中國科學技術史》中引用根舍贊嘆中國古儀的話說,歐洲人看作是文藝復興后天文學主要進步之一的赤道儀,中國人在三個世紀以前就已經使用了。

歷史上的簡儀

后世紀念

紀念郵票

2011年12月10日,中國郵政與單買聯合發行《古代天文儀器》特種郵票1套2枚,分別為:《簡儀》和《大赤道經緯儀》。郵票圖案采用雕刻形式,表現元代天文學家郭守敬創制的“簡儀”和丹麥古代天文學家第谷·布拉赫發明的“大赤道經緯儀”。

郭守敬紀念館

郭守敬紀念館是位于河北省邢臺市信都區郭守敬大街正北達活泉公園內,由邢臺市人民政府籌資興建。郭守敬紀念館分館外建筑、主體建筑、附屬建筑三個部分,主要景觀設施中包括簡儀。

參考資料 >

畫說北京丨古觀象臺的世紀星霜.澎湃新聞.2024-06-29

中國歷史紀年簡表.中國政府網.2024-07-08

古觀象臺-古臺展覽.北京天文館.2024-07-02

紫金山天文臺組織研究生到紫金山園區參觀學習.中國科學院紫金山天文臺.2024-07-01

2011-30 古代天文儀器.中國集郵.2024-06-26

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