天文地理仪器设备
天文地理仪器设备
地震仪的鼻祖
公元132 年东汉都城洛阳发生了一件事，太史令张衡发明了一种仪器，
它能知道什么时候、哪里发生了地震。只要那个方向发生了地震，仪器上那
个方向的龙口就张开，龙口中的小铜珠就落入下方的蟾蜍口中而发出响声。
这件事引起朝中大臣们的纷纷议论，有不相信的，也有表示怀疑的。但时间
一久，人们对这件事也就淡忘了。过了几年，公元138 年的一天，张衡发明
的那架仪器朝西方向的龙口突然张开，小铜珠落人蟾蜍口中。这说明小钢珠
落人蟾蜍口中的时候西方发生了地震，但当时洛阳并没有人感觉到有什么震
动。于是满朝文武又是议论纷纷，说张衡的那架仪器不可靠。但过不多久，
现在甘肃境内的地方官府奏报来到，奏报称那里发生了一次强烈地震。这件
事使当时的人们对张衡的那架仪器十分信服，史籍中也称其“验之以事，合
契若神”。
张衡发明的那架仪器就是世界上第一架地震仪——候风地动仪。《后汉
书·张衡传》记载说“地动仪以精铜制成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊。”
其里部主要构件是中间一根高而细的铜柱，张衡称之为“都柱”。都柱在接
受到地震产生的地震波后，就向波源方向倾倒。在都柱周围架设有8 条通道，
使倾倒的都柱只能往一道中滑倒，其所倒方向即是地震发生的方向。尊外相
应地设置8 条口含小钢珠的龙，分别朝着8 个方向。每个龙头下面都有一只
蟾蜍张口向上，准备接住落下的小铜珠。都柱受地震波的震动而倾倒时，敲
动一个像弩机装置似的牙机，利用杠杆原理传动，使龙首张开口，小铜珠便
落入蟾蜍口中发出声响，人们就知道什么时候什么方向发生了地震。
张衡发明的候风地动仪虽然只能测知地震震中发生的大概方位，但在文
明发展史上却是一项了不起的发明。一直到19 世纪，世界才出现真正用来观
测地震的仪器。候风地动仪领先世界地震科技达1800 年，因此被公认为地震
仪的鼻祖。
著名的浑仪
浑仪是中国古代用于测量天体球面坐标的观测仪器。它是由一重重的同
心圆环构成，整体看起来就像一个圆球。有资料表明，在公元前4 世纪中叶，
中国就已经使用浑仪观测天象了，比古希腊约早60 年。
浑仪的最基本构件是四游仪和赤道环。四游仪由窥管和一个双重的圆环
组成。窥管是一根中空的管子，类似于近代的天文望远镜，只是没有镜头。
双重圆环叫四游环，也叫赤经环，环面上刻有周天度数，可以绕着极轴旋转，
窥管夹在四游环上，可以在双环里滑动。转动四游环，并移动窥管的位置，
就可以观测任何的天区
。赤道环在四游环外，上亦刻有周天度数，固定在与
天球赤道平行的平面上。这样，就可以通过窥管观测到待测量的天区或星座，
并得出该天体与北极间的距离，称“去极度”，以及该天体与二十八宿距星
的距离，称“入宿度”。去极度和入宿度是表示天体位置的最主要数据。
浑仪的改进和完善，经历了一个由简而繁，而又由繁而简的历程。从汉
代到北宋，浑仪的环数不断增加。首先增加的是黄道环，用以观测太阳的位
置。接着又增加了地平环和子午环，地平环固定在地平方向，子午环固定在
天体的极轴方向。这样，浑仪便形成了二重结构。唐代起，浑仪又发展成三
重结构。最外面的一层叫六合仪，由固定在一起的地平环、子午环和外赤道
环组成，因东西、南北、上下6 个方向叫六合，故名。第二重叫三辰仪，由
黄道环、白道环和内赤道环组成，可以绕极轴旋转。其中白道环用以观测月
亮的位置。最里层是四游仪。北宋时，又增加有二分环和二至环，即过二分
（春分、秋分）点和二至（夏至、冬至）点的赤经环。
多重环结构的浑仪虽是一杰出的创造，在天文学史上也起过重要的作
用，但其自身也存在着两大缺陷。一是要把这么多的圆环组装得中心都相重
合，十分困难，因而易产生中心差，造成观测的偏差。一是每个环都会遮蔽
一定的天区，环数越多，遮蔽的天区也越大，这就妨碍观测，降低使用效率。
为解决这两个缺陷，从北宋起即开始探索浑仪的简化途径。这个浑仪改革的天什么地什么
途径由北宋的沈括开辟，元代的郭守敬完成。沈括由两个方面进行改革，一
是取消白道环，借助数学方法来推算月亮的位置；一是改变一些环的位置，
使遮蔽的天区尽量减少。而郭守敬又取消了黄道环，并把原有的浑仪分为两
个独立的仪器，即简仪和立运仪。
简仪由四游仪、赤道环和百刻环组成。赤道环的位置移至旋转轴的南端，
这一方式，至今在各国的天文台上安装望远镜时，还广泛地被采用。百刻环
的安装是一创新，环上等分成100 刻，分为12 个时辰，每刻又分作36 分。
它固定在赤道环内，既可承托赤道环，又可得到真太阳时的读数。四游仪窥
管两端各设有十字线，这是后世望远镜中十字丝的肇始。
立运仪与简仪装于同一底座上，由两个圆环组成。一个是平铺的“经纬
环”，代表地平环，环面上刻有方位。一个是“立运双环”，中夹有窥管，
可测量天体的地平经度和纬度。
简仪和立运仪的设计和制造，在世界上领先300 多年。近代天文台的赤
道装置，测量仪器经纬仪等，都可从中到其原始形态。
还应该指出的
是，中国占代浑仪采用的是赤道坐标系统，比西方采用的
黄道坐标系统要先进得多，今天已为各国天文台所广泛采用。
现在，人们还可以在南京紫金山天文台，看到明代正统二年到七年
（1437～1442 ）间制造的浑仪和简仪。
张衡制造浑象
浑象是一种表现天体运动的演示仪器。它最初是在公元前2 世纪中叶的
西汉时，由天文学家耿寿昌创制的，而东汉著名科学家张衡在浑象的发展史
上做出了重要的贡献。
浑象的基本构成是一个可以旋转的中空圆球，上面按观测到的实际天象
布列星辰。转动圆球，即可演示天体的运动，其作用相当于近代的天球仪，
堪称天球仪的始祖。
张衡制造了第一台自动的天文仪器——水运浑象。它以一直径5 尺（约
1.18 米，东汉1 尺约23.5 厘米）的空心铜球表示天球，上面画有二十八宿，
中外星官，互成24 度交角的黄道和赤道等，黄道上又标明有二十四节气。紧
附于天球外的有地平环和子午环等。天体半露于地平环之上，半隐于地平环
之下。天轴则支架在子午环上，天球可绕天轴转动。同时，又以漏壶流出的
水作动力，通过齿轮系的传动和控制，使浑象每日均匀地绕天轴旋转一周，
从而达到自动地、近似正确地演示天象的目的。此外，水运浑象还带动有一
个日历，能随着月亮的盈亏演示一个月中日期的推移，相当于一个机械日历。
张衡的水运浑象对后世浑象的制造影响很大，宋代的水运仪象台则达到
历史上浑象发展的最高峰。历代制造的浑象大都已经毁亡，现存仅有两架，
一架在南京紫金山天文台，一架在北京建国门古观象台，均是清代铸造的。
除了天球仪式的浑象外，中国古代还创制有假天仪式的浑象，开了近代天象
仪之先河。
现在北京天文馆里，有一个大圆顶的天象厅。当你坐在里面仰观屋顶，
便会感到宛如置身于无涯的苍穹之中，看到繁星点点，其布列与实际天象一
致。假天仪的功能和作用即与此相似。假天仪何时发明，现尚有争议，有人
认为三国时即已问世。但有明确记载的，则以北宋时苏颂主持制造的浑天象
为最早。
浑天象是苏颂主持创制水运仪象台后的又一杰作。它的天球直径有一人
多高，在球面上相应于星辰的位置处凿有一个个镂空的小孔，外面的光线漏
进后，人坐在球内就好像看到天上闪闪发光的星星。天球亦是由水力机械带
动的，可控制其旋转与天体运行同步。与现代天象仪所不同的是，浑天象的
光源在外，表演内容比较单一，而天象仪的光源在内，且能表演众多复杂的
天象。
世界第一座天文钟
1092 年，在北宋都城开封的西南部，出现了一座形
状奇特的木构建筑
物。它就是“元浑天仪象”，一般通称之为“水运仪象台”，由当时著名
政治家、科学家苏颂所主持创制。这是中国古代最宏伟、最复杂的一座天文
仪器，在古代世界上也是绝无仅有的。
水运仪象台的形状呈正方形，上狭下广，高三十五尺六寸五分（约近11．3
米，宋代一尺约31．6 厘米），底宽二丈一尺（约6．64 米）。台分3 重，
第一、二重安装水力驱动系统和报时系统，第三重安装浑象。台顶平台上安
装浑仪，浑仪由“板屋”覆盖，板屋上装有9 块可以启闭的活动屋面板。由
此可以看到，整座水运仪象台集观测、演示、计时等功能于一体，实际上成
了一座小型的天文台。
水力驱动系统包括有提水机构、注水机构、回水机构和枢轮等部分，可
以使水周而复始均匀流动，并驱动枢轮运转。枢轮直径十一尺（约3.48 米），
是全台机械装置的原动轮。其顶部附设有一组杠杆装置，起着控制枢轮定时
转动，以及转动固定的距离的作用，相当于近现代机械钟表中的“擒纵器”。
它和欧洲17 世纪的锚状擒纵器非常相似，堪称擒纵器之始祖。
报时系统的前部建造成半座5 层木楼阁式建筑的形状。第一层是昼夜钟
鼓轮，轮上有3 个不等高的小木柱，可按时拨动3 个木人的拨子，拉动木人
手臂，一刻钟木人击鼓一次，时初摇铃，时正敲钟。第二层是昼夜时初正轮，
轮边有24 个司辰本人，随着转子的转动，木人按时在木阁门前出现，表示1
日12 个时辰的时初、时正，相当于现今的24 小时。第三层是报刻司辰轮，
轮边有96 个木人，每一刻出现一人。第四层是夜漏金钲轮，可以拉动木人击
钲报更，并可以按季节调整，以适应昼夜长短的变化。第五层是夜漏司辰轮，
轮边设有38 个木人，木人位置可以按节气调整，从日落到日出按更筹排列，
依次出现。
浑象为一球体，直径四尺五寸六分（约1.44 米）。球面上绘有283 个星
座，1464 颗星辰，并绘有银河，黄赤道和二分、二至的位置。浑象下有木柜，
使之一半露于柜外，一半隐于柜中。浑象经传动机构与驱动系统相连，可随
机轴由东向西转动，和天体的视运动一致，使球面上星辰的位置和实际天象
相合。
浑仪亦经由传动机构与驱动系统相连，可随天球转动，以观测天象。这
是现代天文台跟踪仪器——转仪钟的先驱。其覆盖的活动屋板，则开了现代
天文台自由启闭式屋顶的先河。
整个水运仪象台结构精密、巧妙，标志着中国当时的天文仪器和机械制
造的高超水平。现国内外学者已公认它是世界第一座天文钟，并认为是现代
天文钟的直接祖先。
最早的指
南针
李约瑟论证了磁罗盘是从中国传到欧洲去的论点。在欧洲的文字记载
中，首次提到磁罗盘是在公元1190 年。当时亚历山大·尼卡姆在《来自大自
然》一书中写道：“海上航行的水手们在晴天可以靠阳光导航，但是遇上阴
天或在漆黑的夜晚，就无法辨别此时船正驶向罗盘的哪个方位。于是，他们
就用一根针触一下磁铁，然后旋转此针，当针停止旋转后，针就指向北方。”
磁罗盘似乎不是经阿拉伯地区传人欧洲的。因为直到大约公元1232 年，
阿拉伯的文字中才出现关于磁罗盘的记载。记载描述了当时的水手用经磁石
磨擦过的鱼形铁片来辨别方向的情景。而这鱼形铁片是非常典型的中国式
样。由此看来，欧洲人和阿拉伯人通过在航海时与中国人的接触，大约是在
相同的时间内获得了航海磁罗盘。只不过欧洲人也许要比阿拉伯人早几十年
拥有磁罗盘。
我们可以从当时的书籍中发现能证实上述观点正确性的依据。中国中世
纪的科学家沈括在其著名的著作《梦溪笔谈》（约刊印于公元1086 年）中清
楚地写道：“术士用磁石磨一根针的针尖，针尖就能指向南方..在指甲上
或碗口上也同样可以指向，且其转动的速度很快。但这些支承物坚硬而平滑，
针容易坠落。最好用一根新蚕丝以芥子大小的蜡拴在针的中心位置，吊在一
个无风之处，它就会指向南方。其中有些针磨了以后可以指北。我家有指南
的也有指北的针。”
这段文字记载的年代要先于欧洲首次提到磁罗盘的年代整整一个世纪。
李约瑟评论说：“沈括提到的指南、指北两种针当然是在天然磁石的两极进
行了磁化的..沈括描述的实验条件说明了当时人们做了大量仔细的研究。
悬挂时仅用一根丝线可以避免因丝线相互缠绕所产生的影响；采用丝线意味
着线仅由一条纤维组成，而不像麻线（几乎可以肯定地说，在沈括所处的时
代，棉还不为中国所知），麻线是由多根短纤维在拉力作用下纺成的；采用
新的丝线则说明，线上的弹性应处处保持一致。”
朱于公元1117 年写的《萍洲可谈》一书中，也有关于中国人使用航
海磁罗盘的明确记载。该书同样是在欧洲首先提到磁罗盘之前写就的。朱
的父亲曾是广州港口的高级官员，后又做了广州的知州。在这部名称有些古
怪的书中，朱写道：“根据官对海船的规定，大船可载数百人，小船可载
百余人..舵手熟悉海岸构造；夜间根据星辰的位置掌舵行船，白天则根据
太阳的位置辨向驾驶。在阴天及无星月的夜里则看指南针辨向。他们还可以
用一根端部带钩的30 米长的绳子放下去，取海底的泥嗅一嗅，就知道他们到
达

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