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渾天儀是渾儀和渾象的總稱。渾象，相當於現在的天球儀，是中國古代一種表現天體運動的演示儀器，類似現代的天球儀。公元前4世紀，周朝戰國時的石申、甘德最早製作渾象。 渾象與渾儀不同，渾象主要用於表演天象的變化；渾儀則用於測量天體黃、赤道坐標的觀測儀器，渾儀發明者是我國西漢的落下閎，東漢時期偉大的科學家張衡進行改進。北宋蘇頌發明將渾象與渾儀合一的自動化機械化天文演示設置——水運儀象台。 中國現存最早的渾天儀製造於明朝，陳列在南京紫金山天文台。

理論背景

渾天說是中國古代的一種重要宇宙理論，認為「渾天如雞子，天體圓如蛋丸，地如雞中黃」，天內充滿了水，天靠氣支撐着，地則浮在水面上。渾儀和渾象是反映渾天說的儀器，即是「物化」和「渾天說」。

組成構造

渾天儀是渾象和渾儀的總稱。

渾象的構造是一個大圓球上刻畫或鑲嵌星宿、赤道、黃道、恆隱圈、恆顯圈等，類似天球儀。

渾儀是一觀測儀器，內有窺管，亦稱望管，用以測定昏、旦和夜半中星以及天體的赤道坐標，也能測定天體的黃道經度和地平坐標。渾儀由早期四游儀和赤道環組成。從漢代到北宋渾儀增加了黃道環、地平環、子午環、六合儀、白道環、內赤道環、赤經環等。北宋的沈括取消白道環、改變一些環的位置。元代郭守敬取消了黃道環，並把原有的渾儀分為兩個獨立的儀器：簡儀和立運儀。

歷史發展

中國天文學發展的歷史是悠久的。到漢代已有蓋天、宣夜和渾天等學派。蓋天說認為，天如蓋，蓋心是北極，天蓋左旋，日月星辰右轉。宣夜說認為天無定形，日月星辰「自然浮生虛空之中」，並不附着於「天體"」之上。渾天說認為天如蛋殼，地如蛋黃，天地乘氣而立，載水而行。

宣夜說後來不幸失傳了，蓋天、渾天兩說並行，競相爭鳴，比較科學的渾天說漸占上風。同時，觀測天象的儀器也不斷出現，如武帝時洛下閎製造了渾天儀，宣帝時耿壽昌又造了渾天儀，和帝時崔瑗的老師賈逵更製造了黃道銅儀。

張衡繼承和發展了前人的成果。任太史令後，他更加勤奮地「研核陰陽」，終於「妙盡璇璣之正」。元初四年（公元117年），一件成就空前的銅鑄渾天儀，被張衡造了出來。渾天儀主體是幾層均可運轉的圓圈，最外層周長一丈四尺六寸。各層分別刻着內、外規，南、北極、黃、赤道，二十四節氣，二十八列宿，還有「中」外「星辰和日、月、五緯」等等天象。儀上附着兩個漏壺，壺底有孔，滴水推動圓圈，圓圈按着刻度慢慢轉動。於是乎各種天文現象便赫然展現在人們眼前。這件儀器被安放在靈台大殿的密室之中。夜裡，室內人員把某時某刻出現的天象及時報告給靈台上的觀天人員，結果是儀器上、天上所現完全相符。

銅儀的兩側附有玉虬（龍）各一，吐水入壺，左為夜，右為晝。壺上分別立着金銅仙人和胥徒，「皆以左手抱箭，右手指刻，以別天時早晚」。更有妙者：台階下還有內裝機關與兩壺相聯的瑞輪、莢，靠着滴水的推動，依照月亮出入圓缺的變化，不停地旋轉開合，表示着朔、望、弦、晦等日期，有如活動日曆一般，可見這件渾天儀及其附器，與近世的假天儀有許多相似之處。在此儀誕生的前一年，張衡先用竹篾製成一個模型，名曰「小渾」，進行了一系列的試驗和校正，然後才鑄作大儀。渾天儀是張衡血汗的結晶。他接着寫了《渾天儀圖注》和《漏水轉渾天儀注》兩本說明書，又撰成《靈憲》一部，繪製《靈憲圖》一份。

張衡與渾天儀

在說到渾天儀的時候，大多數人腦子裡第一個想到的人物可能都是張衡。張衡以發明地動儀而聞名於世，但是渾象和渾儀都不是由他所發明創造的，而是由他進行了改進。就好像提到蒸汽機，幾乎所有人想到的都是瓦特，並且認可他就是蒸汽機的發明者，在我們小學的課本里，還有專門講瓦特受水壺燒開時水蒸氣頂起壺蓋的啟發而發明蒸汽機的故事。但事實上，早在公元1世紀，古希臘數學家希羅就發明了汽轉球，這就是蒸汽機的雛形。而瓦特生於1736年，中間足足差了17個世紀。在瓦特之前，也有一些科學家們對蒸汽機的發明進行過發明，只不過他們所製造的蒸汽機都沒有效率，直到瓦特這裡，才真正意義上創造出有使用價值的蒸汽機。張衡之於渾天儀，也是這個道理。

渾象最初是由我國西漢天文學家耿壽昌發明於公元前2世紀中葉。耿壽昌又稱耿中丞，因為耿壽昌在西漢宣帝時任大司農中丞。大司農中丞大概相當於現在的省農業局局長。在古代，農業生產不像現在都是機械化，在古代耕種需要人為，但收穫就需要看天了。因此，古代的農業生產和天象息息相關。這就要求農業方面的官員要精通天文學。耿壽昌把從渾天說認識到的天球形象化地表現出來，基本形狀是一個大圓球，象徵天球，圓球上布滿星辰，畫有南北極、黃赤道、恆顯圈、恆隱圈、二十八宿、銀河等等，另有轉動軸以供旋轉，還有象徵地平的圈或框，象徵地體的塊，利用大圓球的旋轉來模擬天象變化，這就是最原始的渾象模型。只是非常可惜，耿壽昌製造的渾象和著作都未能保留下來，有關渾象的最早記載為東漢張衡的《渾天儀圖注》。

渾象

到了東漢，張衡發明了水運渾象，對後世製造渾象影響頗大，到了宋朝，渾象的發展到達了歷史頂峰。宋朝的著名發明家沈括，在他的著作《夢溪筆談·象數 一》曾記載：「渾象，象天之器，以水激之，以水銀轉之，置於密室，與天行相符，張衡、陸績所為。」這裡說的渾象，就是指由張衡所改進過的渾象。

張衡在前人製造渾象的基礎上也製作了一架水運渾天儀，以水力推動，與天球轉動合拍，這是在我國古代歷史上一個很著名的創造。張衡的儀器由於年代久遠無法得見，但張衡比耿壽昌幸運的是，他所造渾象的式樣已被歷代繼承下來。

渾儀

渾儀的發明和改進跟張衡關係不大，另有一批古代科學家對此作出了傑出的貢獻。渾儀在沈括的《夢溪筆談·極星測量》中同樣有記載：天文家有渾儀，測天之器，設於崇台，以候垂象者，則古機衡是也。

渾儀同樣是以渾天說為基礎，由相應天球坐標系各基本圈的環規及瞄準器構成。渾儀的發明最直接的推動者當屬跟耿壽昌同屬於西漢的落下閎，他也是渾天說的提出者之一。渾儀的構造相對渾象要複雜一些。

落下閎所設計的渾儀，由最基本的構件四游儀和赤道環所組成。四游儀由窺管和一個雙重的圓環組成。窺管是一根中空的管子，雙重圓環稱為四游環，也叫赤經環，環面上刻有周天度數，可以繞着極軸旋轉，窺管夾在四游環上，可以在雙環里滑動。轉動四游環，並移動窺管的位置，就可以觀測任何的天區。赤道環在四游環外，上亦刻有周天度數，固定在與天球赤道平行的平面上。這樣，就可以通過窺管觀測到待測量的天區或星座，並得出該天體與北極間的距離，稱「去極度」，以 及該天體與二十八宿距星的距離，稱「入宿度」。去極度和入宿度是表示天體位置的最主要數據。

在公元前4世紀中葉，中國就已經使用渾儀觀測天象了，比古希臘早了差不多60年。提到渾儀，不得不提另外兩個人物，一個是唐代的李淳風，一個是元代的郭守敬。李淳風以和袁天罡合作的《推背圖》聞名於世，很少有人知道，他曾在落下閎所創的渾儀的基礎上，設計了更為複雜和精密的渾天黃道儀。在原先的雙重環 上，又增加了一個環，發展成三重結構。最外面的一層叫六合儀，由固定在一起的地平環、子午環和外赤道環組成;第二重叫三辰儀，由黃道環、白道環和內赤道環組成，可以繞極軸旋轉;最裡層是四游儀。

郭守敬跟李淳風所做的改進正好相反，他簡化了渾儀。郭守敬取消了黃道環，並把原有的渾儀分為兩個獨立的儀器，即簡儀和立運儀。到今天，現存的渾象僅有兩架，一架在南京紫金山天文台，一架在北京建國門古觀象台。這兩台都是清代所鑄造的，其中位於建國門古觀象台的渾象是有清朝著名天文學家南懷仁所建。在紫金山天文台，也可以看到明代正統二年到七年間製造的渾儀和簡儀。感興趣的朋友們，如果時間方便，可以過去一窺這些精巧儀器的真顏。

漏水轉渾天儀

張衡所造的水運渾天儀，又稱漏水轉渾天儀，實際上就是一個渾象。那是一個大圓球，周長為1丈4尺6寸1分，相當於4分為1 度，周天共365.25度，上面標有二十八宿中外星官、南北二極、黃赤二道，北極周圍有恆顯圈，南極附近有恆隱圈，還有二十四節氣，日、月、五大行星等。

水運渾象

漢朝（前202年）大司農耿壽昌於前52年發明了渾象，而東漢學者張衡（78年～139年）是第一位將一組由水車傳動複雜齒輪用於驅動渾像這種動機付諸實現的科學家。這種水車的動力是由流入的水鍾提供持續不斷的壓力產生。後來張衡在儲水器與流入容器間加了個額外的補償水箱改進了水鍾。

水運儀象台

水運儀象台原圖鏈接來自 騰訊網 的圖片

蘇頌在宋元祐七年（1092年）製成「水運儀象台」。

水運儀象台是一個類似於天文台，高約12米，寬7米，上下分三層；上層是渾儀（天體測量之用），中層是渾象（天體運行演示），下層是司辰（自動報時器），全程用水力推動，可精確報時，李約瑟指這是歐洲天文鐘的直接祖先。蘇頌於紹聖初年著《新儀像法要》一書，詳述水運儀象台的整體功能、零件150多種，60多幅插圖。

落下閎

落下閎，中國古代西漢時期的天文學家，太初曆的主要創立者。漢武帝時任待詔太史，渾天說創始人之一。落下閎完善了古代天文學說渾天說，奠定了我國古代先進的宇宙結構理論基礎。他在天文學上的貢獻，承前啟後，對於推動中國天文學的發展，起到了重要作用。另外需要注意的是，落下閎，不姓落，而是複姓落下，名閎。

史書記載

西漢宣帝甘露二年（公元前52年），大司農耿壽昌「鑄銅為象，以測天文」。

東漢賈逵、傅安等在圓儀上加上黃道環，稱為「黃道銅儀」（公元103年詔書造「黃道銅儀」）。

117年東漢天文學家張衡創製渾象，用漏壺滴出的水發動齒輪，帶動渾象繞軸旋轉，並使渾象的轉動與地球的周日運動相等，可以將天象準確的表示出來。

早期曾有木儀，《隋志》引吳太史令陳苗的話說：「先賢制木為儀，各曰渾天。」以後多為金屬鑄造。

十六國的前趙劉曜光初六年（323年），史官丞南陽孔挺曾鑄造銅渾儀。北魏道武帝天興初年（398年），太史令晁崇修渾儀，用以觀測星象。至明元帝永興四年（412年），下詔造候部鐵儀。

南北朝時，到宋文帝元嘉十三年（436年），太史令錢樂之鑄造了一座渾天銅儀，實際上是一座渾象，即天球儀。元嘉十七年（440年）時，錢樂之又製作了一座小渾天。它的形制，亦是「象天運，而地在其中。」 依舊是「安二十八宿中外星官備足」。宋以後的梁代亦製作過渾天象。渾天象、渾象、渾天儀等，在名稱上的區分並不嚴格，它們都是形象化的星圖。它的功能與作用都比星圖多，製作亦比星圖困難。

南宋史學家李心傳於《建炎以來朝野雜記》甲集卷四有以下的記載：

渾天儀，古器也。舊京凡四座，每座約用銅二萬斤。至道儀在測驗渾儀所，皇祐儀在翰林天文局，熙寧儀在太史局天文院，元祐儀在合台。紹興三年，工部員外郎晉陵袁正功獻渾儀木樣，命有司制之，太史局請折半製造，計用銅八千四百餘斤。詔工部侍郎提舉，後以巡幸不克成。時資州龍水縣士人張大橶以木為蓋天，言可備軍幕中候驗。七年汞，席大光為制置大使，獻諸朝。其後，上在容中自作渾儀，然制差小。十四年四月，遂命有司制之，內侍邵諤領其事，久之乃成。三十二年，以授太史局焉。

視頻

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