标题：浑仪
简介
浑仪（armillary sphere，上古时称璿玑玉衡，简称玑衡。）
浑仪[1]是以浑天说为理论基础制造的、由相应天球坐标系各基本圈的环规及瞄准器构成的古代天文测量天体的仪器。 浑仪是我国古代的一种天文观测仪器。在古代，“浑”字含有圆球的意义。古人认为天是圆的，形状像蛋壳，出现在天上的星星是镶嵌在蛋壳上的弹丸，地球则是蛋黄，人们在这个蛋黄上测量日月星辰的位置。因此，把这种观测天体位置的仪器叫做“浑仪”。 
最初，浑仪的结构很简单，只有三个圆环和一根金属轴。最外面的那个圆环固定在正南北方向上，叫做“子午环”；中间固定着的圆环平行于地球赤道面，叫做“赤道环”；最里面的圆环可以绕金属轴旋转，叫做“赤经环”；赤经环与金属轴相交于两点，一点指向北天极，另一点指向南天极。在赤经环面上装着一根望筒，可以绕赤经环中心转动，用望筒对准某颗星星，然后，根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该星在天空中的位置。后来，古人为了便于观测太阳、行星和月球等天体，在浑仪内又添置了几个圆环，也就是说环内再套环，使浑仪成为多种用途的天文观测仪器。[2]
详述
浑仪是我国古代天文学家用来测量天体坐标和两天体间角距离的主要仪器。浑仪的关键部位是窥管，这是一根中空的管子，好象现代的望远镜，但是没有镜头。人眼在管的一端，通过空管看见天上一个小的部分，将窥管放置于不同方向就能看到天上不同的区域。用来支撑这个窥管，使它能指向天上任何一个方位的是四游仪。四游仪的结构是这样的：一个双重的圆环，把窥管（又称望筒）夹在中间，窥管可以在这个双环里滑动，这个双环平面内的任何方向都可以看到；这个双环又可以绕两个支点转动，双环所在平面可以扫过全天球；借助双环的旋转和窥管的旋转，两种运动的结合就可以使窥管指向天球上任何一个方向。历史上制造过许多浑仪，这种四游仪都是其中不可缺少的部分。除了四游仪和窥管外，浑仪的其他部分就是代表各种天文意义的环圈和支承结构。一般说来，有地平圈，代表地平面；有子午环，经过天顶过南北方向的环；有卯酉环，东西方向的环；赤道环；黄道环；白道环等。
历史
史籍记载浑仪的制造始于汉落下闳。他是蜀郡人，汉武帝时应召到京师长安参与制订《太初历》。落下闳以他制造的浑仪观测天象，测定了二十八宿的距度、五大行星的运动情况等等，为制定《太初历》取得了第一手资料。
浑仪并不是落下闳最先发明的，他说：年轻的时候就能做这种仪器，那时只根据尺寸制作而已，不知道其中的道理，以后越做越明白，做得也好了，至今已七十岁，才知道了一点其中奥妙，可我又快要老死了。这说明在落下闳年轻的时候，社会上就已出现了浑仪，他并不是首创者。也许，他的家族是世代做浑仪的工匠或发明家。
汉初的浑仪结构不会复杂，大概只有一个赤道环，一个赤经双环夹着窥管，能测得天体的赤经和去极度。赤经以28宿距星为各个标准点，以入宿度的形式表达出来。用这架只有赤道坐标的仪器来度量太阳月亮的运动，发现两者的运动都不均匀，这同西汉天文学家们的想法不同，于是大家都在找原因，后来发现，日月的运动都是沿黄道的（当时月亮依白道而行的认识还未达到），它们即使在黄道上均匀运动，以赤道来度量当然就是不均匀的了。
公元104年，东汉和帝下令贾逵另制一架仪器，用来测量日月的运动，他在浑仪上增设了黄道环，以黄道来测量日月运动，这就是我国历史上第一架黄道铜仪。
贾逵用他的黄道铜仪来测量日月的运动，发现太阳的运动显得均匀了（其实也应该是不均匀的，因他的仪器精度不够，当时也没有这样的认识），而月亮的运动仍是不均匀的。贾逵根据自己的实际观测，大胆地得出结论：月亮的运动是不均匀的。这一发现是改进仪器得到的第一个结果，它导致了历法的进步，也丰富了人们对天体运动的知识，为以后太阳运动不均匀的发现打下了思想基础。
构成
浑仪是中国古代用于测量天体球面坐标的观测  浑仪仪器。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，比古希腊早约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。
改进完善
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，都可从中找到其原始形态。
还应该指出的是，中国古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。
浑天说理论
浑天说是我国古代的一种重要宇宙理论，认为"浑天如鸡子，天体圆如蛋丸，地如鸡中黄"，天内充满了水，天靠气支撑着，地则浮在水面上。天的大圆分为365.25度，浑天旋轴两端分别称为南极、北极，赤道垂直于天极，黄道斜交着天的大圆，黄赤道交角为24度。
浑仪发明史
浑仪正是以此为基础而设计的。我国浑仪的发明大约是在公元前四世纪至公元前一世纪之间（即战国中期至秦汉时期）。早期的浑仪比较简单，经过历代天文学家的改进，到了唐代，由天文学家李淳风设计了一架比较精密完善的浑天黄道仪。整个仪器分为三层，外层叫六合仪，包括地平圈、子午圈和赤道圈。中层叫三辰仪，是由白道环、黄道环和赤道环构成。里层叫四游仪，包括一个四游环和窥管。现存明制浑仪基本就是这种结构，所不同的是取消了三辰仪中的白道环，而加上了二分环和二至环。由于浑仪的圈环过于复杂，遮掩天区，影响观测，所以元代的天文学家郭守敬将其简化，创制了简仪。
浑仪演变史
“浑仪”是我国古代的一种天文观测仪器。在古代，“浑”字含有圆球的意义。古人认为天是圆的，形状像蛋壳，出现在天上的星星是镶嵌在蛋壳上的弹丸，地球则是蛋黄，人们在这个蛋黄上测量日月星辰的位置。因此，把这种观测天体位置的仪器叫做“浑仪”。
最初，浑仪的结构很简单，只有三个圆环和一根金属轴。最外面的那个圆环固定在正南北方向上，叫做“子午环”；中间固定着的圆环平行于地球赤道面，叫做“赤道环”；最里面的圆环可以绕金属轴旋转，叫做“赤经环”；赤经环与金属轴相交于两点，一点指向北天极，另一点指向南天极。在赤经环面上装着一根望筒，可以绕赤经环中心转动，用望筒对准某颗星星，然后，根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该星在天空中的位置。
后来，古人为了便于观测太阳、行星和月球等天体，在浑仪内又添置了几个圆环，也就是说环内再套环，使浑仪成为多种用途的天文观测仪器。
  南京紫金山天文台的明朝浑仪
相关典籍
浑仪、浑象与极星天文家有浑仪(1)，测天之器，设于崇台(2)，以候(3)垂象(4)者，则古机衡(5)是也。浑象，象天(6)之器，以水激之，或以水银转之，置于密室，与天行相符，张衡(7)、陆绩(8)所为，及开元中置于武成殿者，皆此器也。皇祐中，礼部试(9)《机衡正天文之器赋》，举人皆杂用浑象事，试官亦自不晓，第(10)为高等。汉以前皆以北辰居天中，故谓之“极星”。自祖亘以机衡考验天极不动处，乃在极星之末犹一度有余。熙宁中，余受诏典领历官，杂考星历，以机衡求极星。初夜在窥管中，少时复出，以此知窥管小，不能容极星游转，乃稍稍展窥管候之。凡历三月，极星方游于窥管之内，常见不隐，然后知天极不动处，远极星犹三度有余。每极星入窥管，别画为一图。图为一圆规，乃画极星于规中。具初夜、中夜、后夜所见各图之，凡为二百余图，极星方常循圆规之内，夜夜不差。余于《熙宁历奏议》中叙之甚详。选自《梦溪笔谈·极星测量》[3]注释(1)浑仪：也叫浑天仪。我国古代测定天体位置的一种仪器，在支架上固定着两个互相垂直的圈，分别代表地平和子午圈；在其内还有若干个能绕一条和地轴平行的轴转动的圈，它们分别代表赤道、黄道、时圈、黄经圈等；在可转动的圈上附有可绕中心旋转的窥管，用以观测天体。
(2)崇台：高台。崇：高。
(3)候：伺望，侦察，这里是“观测”的意思。
(4)垂象：（天空）显现的星象。
(5)机衡：有的版本校作“玑衡”。玑衡，璇玑玉衡的简称。据胡道静先生考证，东汉一部分人认为璇玑玉衡就是浑天仪，后人研究认为这是错误的。尽管文献记载中浑天仪的历史可追溯到唐尧时代（见《隋书-天文志》引《春秋文耀钩》），但是都不可靠。李约瑟的《中国科学技术史》根据先秦时代“以管窥天”的相关成语推测，当时的观测仪器仅是一个简单的望筒，直到两汉时代，它的规格才渐渐完备起来。另外，古代常将浑象和浑仪两者总称为浑天仪，直到隋唐以后才比较明显地将它们加以区别。
(6)象天：模拟天象。象：象征，这里有“模拟”、“演示”、“验证”的意思。
(7)张衡：东汉科学家、文学家，字平子，河南南阳西鄂（今河南南阳石桥镇）人。他精通天文历算，创制了世界上最早用水力推动的浑象仪和测定地震的地动仪，并第一次正确地解释了月食的成因。他在文学方面也是才华出众的，所创作的赋和在文学史有一定的地位。
(8)陆绩：字公纪，三国吴郡吴县（今江苏苏州）人，精通天文、历算，曾制造过浑象仪。
(9)礼部试：唐代的进士考试本由吏部员外郎主持，到开元二十四年（736年），改由尚书省的礼部侍郎主持，通称省试。此后历代沿袭，科举遂为礼部专职，因此称在京城举行的会试为礼部试，亦称礼闱。
(10)第：科举考试的等第，这里用为动词，是“考官判定名次”的意思。
祖亘：即祖暅，祖冲之之子。
典领历官：沈括于宋神宗熙宁五年（1072年）提举司天监之职，“典领历官”即指此事。
复出：指所观测的北极星移动并离开了窥管的视野。
凡历三月：一共经过了三个月时间。
别：另外。
圆规：这里指圆圈。
循：这里指极星按圆圈路线移动。
《熙宁历奏议》：沈括于熙宁八年（1075年）上呈《奉元历》时所写的奏议。原文翻译天文学家有浑天仪，是观测天文现象的仪器，设置于高台上以观察天象，即古代所称的玑衡。又有浑象，是模拟天球的仪器，用水冲击，或用水银泄漏作动力，使它转动，设置于密室之中，以与天球的运行相符合，张衡、陆绩所造及唐开元中置于武成殿的天文仪器都是这种器物。本朝皇祐年间，礼部举行贡举的省试，用了《玑衡正天文之器赋》的考题，举人们都杂用浑仪、浑象的典故，主持考试的官员自己也不明白二者的区别，遂将这类答卷列入高等名次的评定范围。汉代以前，人们都以为北辰星处在北天的正中位置，所以称之为“极星”。自从祖暅用玑衡加以观测验证，才发现北天极点不动的位置，实在北极星所在天区的尽头，其视觉定位距北极星还有一度多。熙宁年间，我受命提举司天监，掌领历法官的职事，曾杂考星象历法，用浑天仪观测考求北极星的位置。夜初时分，北极星在窥管中，不多时候就游出于窥管之外了。以此知道窥管太小，不能容纳北极星游动转行的范围，于是渐渐扩展窥管来观测它。如此历时共三个月，才使得北极星完全在窥管中游动，始终看得见而不会再隐去。然后知道北天极点不动的位置，距离北极星最远还有三度多。当时每当北极星进入窥管，就另外画一张图。图为一正圆形，于是画北极星的运动位置于圆形中。凡是初夜、中夜、后夜所见的位置都具备，分别画在图上。这样共制出二百多张图，北极星才一直在设定的圆形内循环运动，运行轨迹夜夜不差。我在《熙宁历奏议》中，对此有详细的叙说。[3]