天文鐘

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天文鐘（astronomical clock，horologium，或orloj）是一個擁有特殊機械和錶盤（Dial (measurement)）的鐘，用以顯示天文資訊，例如太陽、月球、黃道帶星座及主要行星的相對位置。

## 定義

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這個詞大致用來指任何除了時間外，還能顯示天文資訊的時鐘。這可能包括太陽和月球在天空中的位置、月齡與月相、太陽在黃道和當前的黃道星宮、恆星時，以及其它天文資料，例如月球交點表示食，或旋轉星圖。此術語不應與「天文標準鐘」混淆，後者是天文台中使用的高精密擺鐘，而非一般的擺鐘。

天文時鐘通常使用地心說模型來代表太陽系。錶盤中心通常標示著一個圓盤或球體，代表位於太陽系中心的地球。太陽常以金色球體表示（最早出現於公元前2世紀的安迪基西拉機械裝置），每天繞地球繞一圈，即繞著一個24小時模擬錶盤（24-hour analog dial）旋轉。這種觀點既符合日常經驗，也符合哥白尼革命前歐洲的哲學世界觀。

## 歷史

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安迪基西拉機械裝置是已知最古老的類比電腦，也是天文鐘的前身。多個齒輪與齒輪組的複雜組合可執行如確定太陽、月球、行星的位置，預測食及其它天文現象，以及追蹤奧林匹克運動會的日期等功能。2011年與2012年的研究使一組專家研究提出歐洲天文鐘源自安迪基西拉機械裝置的後裔。

11世紀，中國北宋刑部尚書蘇頌與韓公廉在元祐四年（1089年）初製成水運儀象台，由穩定的水流提供在基座的樞輪最原始的動力。蘇頌以整合擒縱機構來運作，經由鏈條傳動（Chain drive）輸送，推動報時系統、渾象（用於演示夜空狀況）與渾儀（用於天體測量）的運轉。蘇頌的水鐘具備完善的自動化動力與演示系統，並著有《新儀象法要》一書，詳細講述製造過程；在1956年，英國科學史學者李約瑟稱此為「中國的天文鐘」。當代穆斯林天文學家和工程師也製造了多種高精度天文鐘，用於他們的天文台，例如14世紀初，伊本·沙提爾（Ibn al-Shatir）所製作的星盤鐘。

歐洲機械鐘的早期發展尚未完全清楚，但普遍認為在1300至1330年間，已存在機械鐘（由配重而非水力驅動，並使用擒縱器），主要用於兩個目的：用於訊號與通知（例如禮拜及公共活動的時間安排），以及太陽系建模。後者是必然的發展，因為星盤被天文學家和占星家使用，且自然地將發條驅動裝置應用於旋轉板上，以產生太陽系的工作模型。美國歷史學家，普林斯頓大學的成員，林恩·湯森·懷特二世寫道：

大多數最早的鐘錶並非計時器，而是宇宙圖案的展示 … 顯然，機械鐘的起源來自一個複雜的天文館、赤道儀和星盤領域。

英國數學家兼神職人員沃林福德的理查於1330年代在聖奧爾本斯發明的天文鐘，以及中世紀義大利醫師兼天文學家喬瓦尼·唐迪·達爾·奧羅洛焦於1348年至1364年間在帕多瓦的記錄都是同類型傑作。這些建築現已不存在，但其設計與建造的詳細描述仍然保存下來，現代也有複製品。沃林福德的時鐘可能顯示太陽、月球（月齡、月相及節點）、恆星和行星，此外還有幸運輪和倫敦橋潮汐狀態指示器。德東迪的鐘為七面結構，擁有107個活動部件，顯示太陽、月亮及五顆行星的位置，以及宗教節慶日。

這兩款鐘以及類似的鐘錶，可能比設計師期望的準確度低。雖然齒輪比計算得非常精細，但其製造技術在當時的機械能力上有些未能達到標準，且從未可靠運作。此外，與複雜且先進的輪子不同，幾乎所有這些鐘錶的計時機構直到16世紀都是簡單的擺輪與葉片擒縱機構，每天誤差至少半小時。

天文鐘既是作為示範品或展覽品，也用於教育或資訊。製造天文鐘最大的困難在於，打造這些傑作的鐘錶匠必須持續維護天文鐘，以展示他們的技術與贊助人的財富。一個有序、天命宇宙的哲學訊息，與哥德時代的世界觀相符，有助於解釋它們的受歡迎程度。

18世紀對天文學日益增長的興趣，重新喚起了對天文鐘的興趣，不再是哲學訊息，而是鐘擺調控時鐘，能顯示精確的天文資訊。

## 屬性描述

雖然每座天文鐘各有特色，但它們有一些共通特徵。

### 一天中的時間

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大多數天文鐘的外緣有一個24小時類比錶盤，編號從I到XII再從I到XII再編號回去。當前時間會以金色球體或指針末端的太陽圖案表示。當地正午通常位於撥盤的頂端，午夜則位於底部。分針則很少使用。

太陽指示器或指針顯示太陽大致的方位和高度。方位角（從北方方位角）則表示南端，兩個VI點分別為東方與西方。高度方面，頂端為天頂，兩個VI和VI點定義地平線。（這種設計是針對用於北半球的天文鐘。）當然，這種解釋在分點時最為準確。

如果XII不在錶盤頂端，或數字是阿拉伯而非羅馬數字，則時間可能會顯示為在 義大利時辰（亦稱為波希米亞時或古捷克時）。在此系統中，日落時分為1點，計數持續整夜至隔日下午，日落前一小時達到24點。

在文章開頭展示的布拉格時鐘照片中，太陽指針顯示的時間約為上午9點（羅馬數字為IX），或約為第13小時（阿拉伯數字的義大利時間）。

### 日曆與黃道帶

年通常以十二星宮（星座）的12個符號表示，這些符號排列在24小時錶盤內的同心圓，或繪製在一個位移的小圓上，該圓是黃道帶，是太陽與行星在天空中的路徑，以及地球軌道平面的投影。

黃道面被投影到鐘面上，由於地球相對於軌道面的自轉傾斜角，黃道面會偏離中心，看起來有些扭曲。立體投影的投影點是北極；在星盤上，以南極點投影較為常見。

黃道盤繞一圈整圈需23小時56分鐘（恆星日），因此會逐漸與時針相位錯開，並在一年中緩慢地偏移。

要找到日期，請找到時針或太陽盤與黃道盤相交的位置：這表示當前的星宮，也就是太陽在黃道上的位置。隨著太陽從一個星宮移入另一個星宮，交點會緩慢繞黃道盤移動。

在右側鐘面的示意圖中，太陽的圓盤最近移入了白羊宮（風格化的公羊角），離開雙魚宮。因此日期是三月底或四月初。

如果黃道帶星宮在時針內運行，這個環要麼會旋轉以對齊時針，要麼會有另一隻指針，每年轉動一次，指向太陽目前的黃道星宮。

### 月球

一個刻度盤或環表示1到29或30的數字，表示月亮的月齡：新月是0，大約在第15天會是滿月，然後逐漸衰減到29或30。相位有時會以旋轉的球體或黑色半球呈現，或是窗戶顯示下方波浪狀的黑色形狀。

### 小時線

不等小時是因為將白天時間分為12小時，夜晚再分成12小時所產生。夏天白天較長，夜晚較短，因此12小時的白天時間都比夜晚長。同樣地，冬季白天時間較短，夜晚時間較長。這些不等小時由中心放射的曲線表示。夏季較長的日照時間通常可見於錶盤外緣，時間不等小時數則透過觀察太陽指針與相應曲線的交叉點來讀取。

### 相位

占星師重視太陽、月球和行星在天空中的排列與對齊。如果某些行星出現在三角形、六角形或正方形的點，或它們相對或相鄰，則會使用適當的占星相位來判斷事件的重要性。在某些時鐘上，你可以看到中央圓盤內繪有常見的相位——三角形、正方形和六角形，每條線上標示該相位的符號，你也可能看到合相與對衝的符號。在星盤上，不同相位的角可以排列在任何行星上。但在時鐘上，包含軸線的圓盤無法隨意旋轉，因此通常只顯示太陽或月亮的相位。

在義大利北部布雷西亞的布雷西亞鐘樓上，鐘盤中央的三角形、方形和星星分別代表月球（推測為）的第三、第四和第六相位。

### 「龍」手：食的預測與月球交點

月球的軌道與地球繞太陽的軌道不在同一平面上，而是在兩個地方與地球相交。月球每月穿越黃道面兩次，一次是升到黃道面上方，另一次大約15天後又回到黃道下方。這兩個位置分別是上升和下降的月球交點。只有當月球位於這些交點附近時，才會發生日食和月食，因為在其它時間月球過高或過低，地球上無法看到食。

有些天文鐘會用一條長指針橫跨錶盤，並延伸至表盤兩側，指向太陽或月球表盤上的兩個相對點來追蹤月球交點的位置。這個所謂的「龍」指針每19年繞黃道表盤旋轉一圈有時會裝飾有蛇或蜥蜴的圖案（「drakon」），其口鼻和尾尖接觸外表盤，傳統上標示為「Caput draconam」與「cauda draconam」（不要與星座中兩部分相似的名字混淆）。

在每年兩次的食季中，太陽指針會與龍的吻部或尾巴重合。當龍之手與滿月重合時，月亮與地球和太陽在同一平面上，因此很有可能在地球的一側看到月食。當新月與龍之手對齊時，地球上某處有適度的機率會看到日食。

## 世界各地知名的天文鐘

### 蘇頌的水運儀象台

倫敦科學博物館收藏有暱稱為「宇宙引擎」的水運儀象台的比例模型，該模型由中國博學家，多才多藝的蘇頌於1092年在中國設計建造。這座宏偉的天文水力機械鐘樓高約十公尺（約30英尺），配備一個鐘錶擒縱機構，並由一個旋轉的輪子間接驅動，動力來自落水和液態汞，水銀結冰溫度遠低於水，使鐘錶在寒冷天氣中仍能運作。一個全尺寸的複製品現存於中華民國台灣的台中市。這個全尺寸、功能齊全的複製品，大致上高 12m，是根據蘇頌的原始描述和機械圖紙建造而成。

中國歷史博物館和英國科技博物館等博物館收藏了等比例復原的蘇頌設計的水運儀象台`。{{`subst:`|是世界上最早的天文钟}}。`

### 喬瓦尼·唐迪·達爾·奧羅洛焦星盤儀

喬瓦尼·唐迪·達爾·奧羅洛焦星盤儀（Astrarium of Giovanni Dondi dell'Orologio）是一座複雜的天文鐘，於1348年至1364年間在義大利帕多瓦由醫生兼鐘錶匠喬瓦尼·唐迪·達爾·奧羅洛焦（Giovanni Dondi dell'Orologio）製造。星盤儀擁有七個面和107個移動齒輪；它顯示了太陽、月球和當時已知的五顆行星的位置，以及宗教節日。該星辰目錄高約1公尺，由一個七邊形的黃銅或鐵製框架組成，支撐在七個裝飾性的爪形腳上。下方設有24小時錶盤和大型日曆鼓，顯示教會固定節日、可變動的節日，以及月球升交點在黃道中的位置。上半部有7個錶盤，每個盤的直徑約30公分，顯示第一推動者（Primum Mobile）、金星、水星、月球、土星、木星和火星的位置資料。24小時錶盤正上方是第一推動者的錶盤，因其能重現恆星的晝夜運動及太陽在恆星背景下的年運行而得名。每個「行星」錶盤都使用複雜的機械裝置，產生相當精確的行星運行模型。這些理論與托勒密理論及觀察結果相當吻合。例如，唐迪（Dondi）的水星錶盤使用多種中間齒輪，包括：一個有146齒的齒輪，以及一個有63個內部（朝內）齒的齒輪，與20齒的小齒輪嚙合。

### 斯特拉斯堡

斯特拉斯堡大教堂自14世紀以來，一共有三座的天文鐘。第一座建於1352年和1354年之間，16世紀初停止運行。第二座鐘由康拉德·達斯龐迪斯設計，建於1547年到1474年間，於1788年或1789年停止運行。大約50年後，簡·巴普蒂斯特·施維爾戈帶領30名工人建造了一座新的天文鐘。這座鐘增加了很多天文和日曆的功能，被認為是第一座完全用機械的方法計算日曆的鐘。

### 布拉格

捷克布拉格的舊市政廳里天文鐘是最著名的天文鐘之一，它被稱為Prague Orloj。鐘的核心部分完成於1410年。鐘盤上畫著代表地球和天空的背景，並且有四個主要的移動的圓盤，分別是黃道十二宮圓盤，老捷克時間表，太陽和月亮。1870年，一個日曆盤增加在鐘的下方。

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第二次世界大戰期間，這座鐘幾乎被納粹主義的戰火燒毀。1948年鐘被修復，1979年再次修理。根據當地古老的傳說，如果鐘沒有妥善維護，這個城市就會面臨災難。

### 奧洛穆茨

捷克摩拉維亞省的省會城市奧洛穆茨的市中心廣場上也有一個設計精巧的天文鐘。

### 隆德

瑞典隆德大教堂的天文鐘建造於1424年左右。1837年這座鐘被收藏起來，1923年經過修理又放回原處。當它運行的時候，你可以聽見曲子「In dulci jubilo」從教堂里最小的管風琴里傳出來。鐘平時每天演奏兩次，時間為中午12點和下午3點。周日第一次演奏在下午1點，而不至於打斷了周日的早禮拜。鐘上面部分是天文學鐘，它表示了不同階段的月亮和太陽落下的位置。鐘的下面部分是一個日曆板，目前的這塊日曆板顯示了從1923年到2123年的日曆。

### 哥本哈根

哥本哈根市政廳有一座完整的天文鐘，放置在一個玻璃小櫥內。這座鐘整整設計了50年，由業餘天文學家和職業制鐘匠簡斯·奧爾森設計。有一些部件的設計參考了斯特拉斯堡天文鐘。鍾在1948年到1955年間組裝成功，開始運行。1995年到1997年鐘被大規模重修。

### 拉斯穆斯·索恩斯的鐘

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挪威人拉斯穆斯·索恩斯（1893–1967）設計製造的四座天文鐘中的最後一座，可以說是同類鐘有史以來最複雜的。其特點是其卓越的複雜度，緊密地安裝在尺寸為0.70 x 0.60 x 2.10公尺的外殼中。功能包括太陽與月球在黃道帶中的位置、儒略曆、格里曆、恆星時、格林威治平時、含夏令時間及閏年的當地時間、太陽與月球週期修正、日食、月食、當地日落與日出、月相、潮汐、太陽黑子週期，以及包含冥王星248年軌道和地球自轉軸繞黃極25,800年週期（歲差）的天文館。所有輪圈均為黃銅材質，並鍍金；錶盤鍍銀。該鐘還配備了機電擺。

索恩斯也以自己的天文觀測為基礎，製作了必要的工具。該天文鐘曾在伊利諾州羅克福德的時間博物館（現已關閉）及芝加哥科學與工業博物館展出，於2002年售出，但目前下落不明。拉斯穆斯·索恩斯的第3號天文鐘，芝加哥天文鐘的前身，他的工具、專利、圖紙、望遠鏡及其它物品，現陳列於挪威薩普斯堡的博爾加西塞爾博物館。

### 其它天文鐘

很多歐洲的城市都有天文鐘。你可以在各地看到他們，如威爾斯大教堂、艾希特、奧特里聖瑪麗、溫伯恩明斯特、漢普頓宮、溫特圖爾、克雷莫納、斯普利特、曼切華、布雷西亞、羅斯基勒、明斯特等等。

法國魯昂有一座14世紀的天文鐘，位於大時鐘街(Gros Horloge)街上。法國里昂的聖瓊斯大教堂也有一座14世紀的天文鐘。

瑞士首都伯爾尼的時鐘塔鐘樓有一座16世紀的天文鐘。

### 桌鐘

由於天文鐘作為展示品的受歡迎程度，因此有許多天文桌鐘的例子。在17世紀的奧格斯堡，要成為大師級鐘錶匠的候選人，必須設計並製作一座「傑作」鐘：一種複雜度極高的桌上天文鐘（桌鐘）。這些例子可以在博物館中找到，例如倫敦的大英博物館。

目前，埃德蒙科學等零售商提供機械式碲時鐘，或許是第一款大規模行銷的機械天文鐘。

巴黎郊外的凡爾賽宮有一個華麗的洛可可風格的天文座鐘，它由一個製鍾師和一個學徒花費了整整12年製作而成，於1754年獻給路易十五。

在日本，田中久重於1851年製造了一座萬年自鳴鐘。

### 錶

近代獨立制鐘師克里斯汀·范德克勞製作了一個天文腕錶，命名為「Astrolabium」，之後又設計了「Planetarium 2000」，「Eclipse 2001」和「Real Moon」系列。瑞士的鐘表公司雅典錶（Ulysse Nardin）也推出了數款天文腕錶「Astrolabium」、「Planetarium」和「Tellurium J. Kepler」。

## 參考資料

- 約翰·諾思（John North）--《上帝的制鐘匠-理察·沃林福德》（God's Clockmaker, Richard of Wallingford and the invention of time），倫敦，2005年。
- 托爾·澤爾訥斯（Tor Sørnes）--《制鐘者-拉斯馬斯·澤爾訥斯》（The Clockmaker Rasmus Sørnes），Borgarsyssel博物館，挪威，2003年挪威文版本，2006年英文版本。
- 金·亨利（King Henry）--《星座的齒輪：恆星，太陽和天文學的革命》（Geared to the Stars: the evolution of planetariums, orreries, and Astronomical Clocs），多倫多大學，1978年。
- 弗洛里安·萊特納（Florian Leitner） --《天文鐘原理》（Die Astronomische Uhr）德文，2003年。