漏壺·竿影·玉儀·渾天

春秋晚期的天文學(xué)已是有儀器，有數(shù)學(xué)，能做短期預(yù)報(bào)。最早的儀器是漏壺和圭表。圭表就是立竿測(cè)影設(shè)備。表本名“儀”，原指作標(biāo)準(zhǔn)的立柱。竿影的位態(tài)隨時(shí)間變化，可以指示時(shí)間，但一年中每日的竿影變化不同，加上夜里和陰天沒有日影，所以計(jì)量比一晝夜小的時(shí)間要另找別的物理過程。中國古代找到的是“漏壺”。給一個(gè)底上有漏孔的陶壺裝一定量的水，從開始到漏到規(guī)定深度，是個(gè)定長的時(shí)間。調(diào)整一次漏水量，可以做到兩日的正午之間漏完100壺。這樣的“一壺”時(shí)長是864秒，誤差小于1% ，累計(jì)100壺的誤差平均小于86秒，約為1～2分鐘，不比19世紀(jì)普通的廉價(jià)機(jī)械鐘表差。

近世出土的漢初文物有兩個(gè)日晷，一個(gè)出自內(nèi)蒙古托克托地方，現(xiàn)藏國家博物館；一個(gè)出自洛陽金村，現(xiàn)藏加拿大。還有山西右玉出一殘角。三件形制完全一樣，說明那是當(dāng)時(shí)流行較廣的器物。（圖1）石質(zhì)方盤邊長約270毫米，厚35毫米，面上刻圓圈，直徑234±2毫米。中心有孔，應(yīng)是用以插小表的，下邊有69根輻射狀線條，角度間隔是圓周的1%。

要給這東西判定科學(xué)史含義，須先有相關(guān)史事的年譜知識(shí)。李約瑟《中國科學(xué)技術(shù)史·天文卷》和李鑒澄文《晷儀—我國現(xiàn)存最古老的天文儀器》（《中國古代天文文物論集》，文物出版社，1988年版）都討論了這件事。他們不知道渾天說取代蓋天說的革命過程，也就未能說清這幾件文物的歷史內(nèi)涵。這種日晷的制造早于渾天說問世不久，即公元前108～前104年漢武帝太初改歷以前，而其表面上的等角度分劃卻意味著這個(gè)表面與天赤道平行放置，這在渾天說之前的平天說是不會(huì)有的事。那么便只可能是它的發(fā)明者獨(dú)立地想到：既然太陽運(yùn)動(dòng)速度不變，又以竿頂為軸心造成光線投影，竿影自然就是在以竿頂為圓心的圓周上作等速運(yùn)動(dòng)，也就是相等的弧長對(duì)應(yīng)相等的時(shí)間。這位發(fā)明家一定用精確的一日百分的漏壺做過驗(yàn)證。

可以推測(cè)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)了渾天說的產(chǎn)生，渾天說以天為球殼形。當(dāng)時(shí)居主導(dǎo)地位的平天家以為天是與地面平行的平面，日、月、星等天體都在天平面上，所以各天體以竿頭為中心在地平面上的投影便是天體方位的幾何相似形（圖2）。然而漢初日晷的發(fā)明卻更符合人們對(duì)時(shí)間長短的直覺經(jīng)驗(yàn)，而且天的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不變，也與“天行健”的傳統(tǒng)觀念一致。可是在這日晷上的太陽路徑卻是個(gè)斜置的圓！如果保留竿頭投影與天體方位幾何成比例相似形的原則，這就意味著天不是平面，而是球面（圖3）。

按百分圓周刻69根線，那不可能是地平式日晷或定方向的儀器。李鑒澄說：應(yīng)給它命名為“晷儀”，因?yàn)樗褪恰稘h書·律歷志》說的“定東西，立晷儀”之所指。他說錯(cuò)了，《漢書》的晷儀是《周髀》的表竿，而此物的名字應(yīng)該是“玉儀”。按緯書《考靈耀》：

分寸之晷，代天氣生。以制方圓，方圓以成。參以規(guī)矩，昏明主時(shí)。乃命中星，觀玉儀之游。

（錄自明孫編《古微書》。諸書引此文僅九字：“觀玉儀之游，昏明主時(shí)。”）

內(nèi)蒙古出土那件的確是玉的，是顯含昏明時(shí)刻的計(jì)時(shí)器，還有方圓規(guī)矩紋飾，皆與此文恰合。

由此推知：渾天說是在精確的時(shí)空計(jì)量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合舊宇宙學(xué)的部分概念建立的。赤道日晷是渾天說產(chǎn)生的前奏。先是用它測(cè)日行，導(dǎo)致天形的空間概念突破，再把赤道日晷改造為測(cè)星的赤道渾儀。渾儀取代玉儀之后，赤道日晷廢了，而圭表（地平日晷）卻保留下來。

有測(cè)赤道度功能的赤道儀不需轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，也不需望筒，只要有可供瞄準(zhǔn)定位的小棒，這種小棒是“儀”字的根據(jù)。渾天家早期觀測(cè)技術(shù)和儀器以繼承蓋天舊法為主，稍加改造就可以適應(yīng)渾天模式。大概就是把《周髀》所說地面365尺大圓縮小后斜置，使與赤道平行，正如漢初玉儀那樣。阜陽汝陰侯墓出土有二十八宿天文式盤（圖4），年代比太初早約70年，幾乎與玉儀同時(shí)，構(gòu)形也很接近。那上面的圓有東西南北十字線，中心有孔可插小表，圓周分365.25等分格，各有一小孔，可插小游儀。用這些儀可以按二十八宿做天體赤經(jīng)測(cè)量。

我們可以設(shè)想如圖5：圓心孔所插的儀表有個(gè)高度，以頂端作中心，過此中心與底板圓面平行的面是赤道面；另有二十八支小表，各對(duì)應(yīng)二十八宿距度星，按距度分插于周邊之孔，而其高度對(duì)應(yīng)于該距星緯度，或表長一樣，而在對(duì)應(yīng)星高處做標(biāo)識(shí)。若表高皆等，且高于最高距星，則可在赤道的高度上加個(gè)與各表?xiàng)U垂直交合的圓圈，代表赤道，并起加固作用。這樣，我們所看到的是個(gè)簡化的渾天模型，又有測(cè)度功能。

回頭看玉儀，那可能是與夜間測(cè)星并行的白晝測(cè)日的赤道儀。或是，像呼和浩特那樣高緯度區(qū)推行，恒星方位變化大，不能套用中原的數(shù)據(jù)，便只測(cè)日高了。也可能是因?yàn)楹阈菙?shù)據(jù)繁多，制造不便，民間便只做測(cè)日的百刻。因其不受地區(qū)限制，便于推廣。

揚(yáng)雄《法言》說：渾天是“洛下閎營之，鮮于妄人度之，耿中丞象之”。這“營”字是否包括設(shè)計(jì)和制造儀器？“度”字無疑有測(cè)量之義，必然涉及儀器。“象”可能是立體球形的渾象，也可能只是一張圖，即便是立體模型也不一定很完備，比如說，既無支架更無轉(zhuǎn)軸。

桓譚《新論》：“揚(yáng)子云好天文，問之于黃門作渾天老工……”這“渾天”或指某種儀象，或指各種渾天儀器用具，但不可能是后來的渾儀。老工對(duì)曰：“殊不曉達(dá)其意。”可以想像當(dāng)時(shí)渾天觀念很不普及，陳述和演示絕非完善通俗。

《隋書·天文志》引虞喜之言，以及《史記索隱》引《益部耆舊傳》說：洛下閎“于地中轉(zhuǎn)渾天”，這“渾天”應(yīng)是一種有測(cè)度功用的器物，否則不必在地中，因?yàn)橐罍喬炷Ｊ剑辉诘刂械臏y(cè)量因?yàn)橐暡畈痪馐遣缓弦蟮摹５膊粫?huì)是后代那種多圈式渾儀，很可能兼有一些演示功能，即帶有如渾象的星圖。當(dāng)然，這句“于地中轉(zhuǎn)渾天”的來源也可疑。我們以出土玉儀和廿八宿天文盤為依據(jù)，推想洛下閎所轉(zhuǎn)的“渾天”是圖5式樣。

到東漢張衡之前，天文官們發(fā)現(xiàn)：原始的圓盤赤道儀太粗疏，要更精確地測(cè)定日月方位，不能只按赤道的度數(shù)記錄，還得按日行軌道——黃道測(cè)度。于是大儒賈逵建議造“黃道儀”，但是他沒有設(shè)計(jì)出一套實(shí)用的機(jī)械系統(tǒng)，結(jié)果是《后漢書·律歷志》說的：“儀與黃道轉(zhuǎn)運(yùn)，難以候，是以少循其事。”就是說：那儀器很難使用，沒法利用它測(cè)量數(shù)據(jù)。這個(gè)難題由張衡解決了，那就是后世流行的多圈式渾儀。我們推想了它的樣子，并做了小復(fù)原模型，如圖6。詳見李志超《天人古義》“儀象創(chuàng)始研究”（大象出版社，1998年版）。

（作者單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史與科技考古系）