天文钟

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天文钟（astronomical clock，horologium，或orloj）是一个拥有特殊机械和表盘（Dial (measurement)）的钟，用以显示天文资讯，例如太阳、月球、黄道带星座及主要行星的相对位置。

## 定义

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这个词大致用来指任何除了时间外，还能显示天文资讯的时钟。这可能包括太阳和月球在天空中的位置、月龄与月相、太阳在黄道和当前的黄道星宫、恒星时，以及其它天文资料，例如月球交点表示食，或旋转星图。此术语不应与“天文标准钟”混淆，后者是天文台中使用的高精密摆钟，而非一般的摆钟。

天文时钟通常使用地心说模型来代表太阳系。表盘中心通常标示著一个圆盘或球体，代表位于太阳系中心的地球。太阳常以金色球体表示（最早出现于公元前2世纪的安迪基西拉机械装置），每天绕地球绕一圈，即绕着一个24小时模拟表盘（24-hour analog dial）旋转。这种观点既符合日常经验，也符合哥白尼革命前欧洲的哲学世界观。

## 历史

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安迪基西拉机械装置是已知最古老的类比电脑，也是天文钟的前身。多个齿轮与齿轮组的复杂组合可执行如确定太阳、月球、行星的位置，预测食及其它天文现象，以及追踪奥林匹克运动会的日期等功能。2011年与2012年的研究使一组专家研究提出欧洲天文钟源自安迪基西拉机械装置的后裔。

11世纪，中国北宋刑部尚书苏颂与韩公廉在元祐四年（1089年）初制成水运仪象台，由稳定的水流提供在基座的枢轮最原始的动力。苏颂以整合擒纵机构来运作，经由链条传动（Chain drive）输送，推动报时系统、浑象（用于演示夜空状况）与浑仪（用于天体测量）的运转。苏颂的水钟具备完善的自动化动力与演示系统，并著有《新仪象法要》一书，详细讲述制造过程；在1956年，英国科学史学者李约瑟称此为“中国的天文钟”。当代穆斯林天文学家和工程师也制造了多种高精度天文钟，用于他们的天文台，例如14世纪初，伊本·沙提尔（Ibn al-Shatir）所制作的星盘钟。

欧洲机械钟的早期发展尚未完全清楚，但普遍认为在1300至1330年间，已存在机械钟（由配重而非水力驱动，并使用擒纵器），主要用于两个目的：用于讯号与通知（例如礼拜及公共活动的时间安排），以及太阳系建模。后者是必然的发展，因为星盘被天文学家和占星家使用，且自然地将发条驱动装置应用于旋转板上，以产生太阳系的工作模型。美国历史学家，普林斯顿大学的成员，林恩·汤森·怀特二世写道：

大多数最早的钟表并非计时器，而是宇宙图案的展示 … 显然，机械钟的起源来自一个复杂的天文馆、赤道仪和星盘领域。

英国数学家兼神职人员沃林福德的理查于1330年代在圣奥尔本斯发明的天文钟，以及中世纪意大利医师兼天文学家乔瓦尼·唐迪·达尔·奥罗洛焦于1348年至1364年间在帕多瓦的记录都是同类型杰作。这些建筑现已不存在，但其设计与建造的详细描述仍然保存下来，现代也有复制品。沃林福德的时钟可能显示太阳、月球（月龄、月相及节点）、恒星和行星，此外还有幸运轮和伦敦桥潮汐状态指示器。德东迪的钟为七面结构，拥有107个活动部件，显示太阳、月亮及五颗行星的位置，以及宗教节庆日。

这两款钟以及类似的钟表，可能比设计师期望的准确度低。虽然齿轮比计算得非常精细，但其制造技术在当时的机械能力上有些未能达到标准，且从未可靠运作。此外，与复杂且先进的轮子不同，几乎所有这些钟表的计时机构直到16世纪都是简单的摆轮与叶片擒纵机构，每天误差至少半小时。

天文钟既是作为示范品或展览品，也用于教育或资讯。制造天文钟最大的困难在于，打造这些杰作的钟表匠必须持续维护天文钟，以展示他们的技术与赞助人的财富。一个有序、天命宇宙的哲学讯息，与哥德时代的世界观相符，有助于解释它们的受欢迎程度。

18世纪对天文学日益增长的兴趣，重新唤起了对天文钟的兴趣，不再是哲学讯息，而是钟摆调控时钟，能显示精确的天文资讯。

## 属性描述

虽然每座天文钟各有特色，但它们有一些共通特征。

### 一天中的时间

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大多数天文钟的外缘有一个24小时类比表盘，编号从I到XII再从I到XII再编号回去。当前时间会以金色球体或指针末端的太阳图案表示。当地正午通常位于拨盘的顶端，午夜则位于底部。分针则很少使用。

太阳指示器或指针显示太阳大致的方位和高度。方位角（从北方方位角）则表示南端，两个VI点分别为东方与西方。高度方面，顶端为天顶，两个VI和VI点定义地平线。（这种设计是针对用于北半球的天文钟。）当然，这种解释在分点时最为准确。

如果XII不在表盘顶端，或数字是阿拉伯而非罗马数字，则时间可能会显示为在 意大利时辰（亦称为波希米亚时或古捷克时）。在此系统中，日落时分为1点，计数持续整夜至隔日下午，日落前一小时达到24点。

在文章开头展示的布拉格时钟照片中，太阳指针显示的时间约为上午9点（罗马数字为IX），或约为第13小时（阿拉伯数字的意大利时间）。

### 日历与黄道带

年通常以十二星宫（星座）的12个符号表示，这些符号排列在24小时表盘内的同心圆，或绘制在一个位移的小圆上，该圆是黄道带，是太阳与行星在天空中的路径，以及地球轨道平面的投影。

黄道面被投影到钟面上，由于地球相对于轨道面的自转倾斜角，黄道面会偏离中心，看起来有些扭曲。立体投影的投影点是北极；在星盘上，以南极点投影较为常见。

黄道盘绕一圈整圈需23小时56分钟（恒星日），因此会逐渐与时针相位错开，并在一年中缓慢地偏移。

要找到日期，请找到时针或太阳盘与黄道盘相交的位置：这表示当前的星宫，也就是太阳在黄道上的位置。随着太阳从一个星宫移入另一个星宫，交点会缓慢绕黄道盘移动。

在右侧钟面的示意图中，太阳的圆盘最近移入了白羊宫（风格化的公羊角），离开双鱼宫。因此日期是三月底或四月初。

如果黄道带星宫在时针内运行，这个环要么会旋转以对齐时针，要么会有另一只指针，每年转动一次，指向太阳目前的黄道星宫。

### 月球

一个刻度盘或环表示1到29或30的数字，表示月亮的月龄：新月是0，大约在第15天会是满月，然后逐渐衰减到29或30。相位有时会以旋转的球体或黑色半球呈现，或是窗户显示下方波浪状的黑色形状。

### 小时线

不等小时是因为将白天时间分为12小时，夜晚再分成12小时所产生。夏天白天较长，夜晚较短，因此12小时的白天时间都比夜晚长。同样地，冬季白天时间较短，夜晚时间较长。这些不等小时由中心放射的曲线表示。夏季较长的日照时间通常可见于表盘外缘，时间不等小时数则透过观察太阳指针与相应曲线的交叉点来读取。

### 相位

占星师重视太阳、月球和行星在天空中的排列与对齐。如果某些行星出现在三角形、六角形或正方形的点，或它们相对或相邻，则会使用适当的占星相位来判断事件的重要性。在某些时钟上，你可以看到中央圆盘内绘有常见的相位——三角形、正方形和六角形，每条线上标示该相位的符号，你也可能看到合相与对冲的符号。在星盘上，不同相位的角可以排列在任何行星上。但在时钟上，包含轴线的圆盘无法随意旋转，因此通常只显示太阳或月亮的相位。

在意大利北部布雷西亚的布雷西亚钟楼上，钟盘中央的三角形、方形和星星分别代表月球（推测为）的第三、第四和第六相位。

### “龙”手：食的预测与月球交点

月球的轨道与地球绕太阳的轨道不在同一平面上，而是在两个地方与地球相交。月球每月穿越黄道面两次，一次是升到黄道面上方，另一次大约15天后又回到黄道下方。这两个位置分别是上升和下降的月球交点。只有当月球位于这些交点附近时，才会发生日食和月食，因为在其它时间月球过高或过低，地球上无法看到食。

有些天文钟会用一条长指针横跨表盘，并延伸至表盘两侧，指向太阳或月球表盘上的两个相对点来追踪月球交点的位置。这个所谓的“龙”指针每19年绕黄道表盘旋转一圈有时会装饰有蛇或蜥蜴的图案（“drakon”），其口鼻和尾尖接触外表盘，传统上标示为“Caput draconam”与“cauda draconam”（不要与星座中两部分相似的名字混淆）。

在每年两次的食季中，太阳指针会与龙的吻部或尾巴重合。当龙之手与满月重合时，月亮与地球和太阳在同一平面上，因此很有可能在地球的一侧看到月食。当新月与龙之手对齐时，地球上某处有适度的几率会看到日食。

## 世界各地知名的天文钟

### 苏颂的水运仪象台

伦敦科学博物馆收藏有昵称为“宇宙引擎”的水运仪象台的比例模型，该模型由中国博学家，多才多艺的苏颂于1092年在中国设计建造。这座宏伟的天文水力机械钟楼高约十米（约30英尺），配备一个钟表擒纵机构，并由一个旋转的轮子间接驱动，动力来自落水和液态汞，水银结冰温度远低于水，使钟表在寒冷天气中仍能运作。一个全尺寸的复制品现存于中华民国台湾的台中市。这个全尺寸、功能齐全的复制品，大致上高 12m，是根据苏颂的原始描述和机械图纸建造而成。

中国历史博物馆和英国科技博物馆等博物馆收藏了等比例复原的苏颂设计的水运仪象台`。{{`subst:`|是世界上最早的天文钟}}。`

### 乔瓦尼·唐迪·达尔·奥罗洛焦星盘仪

乔瓦尼·唐迪·达尔·奥罗洛焦星盘仪（Astrarium of Giovanni Dondi dell'Orologio）是一座复杂的天文钟，于1348年至1364年间在意大利帕多瓦由医生兼钟表匠乔瓦尼·唐迪·达尔·奥罗洛焦（Giovanni Dondi dell'Orologio）制造。星盘仪拥有七个面和107个移动齿轮；它显示了太阳、月球和当时已知的五颗行星的位置，以及宗教节日。该星辰目录高约1米，由一个七边形的黄铜或铁制框架组成，支撑在七个装饰性的爪形脚上。下方设有24小时表盘和大型日历鼓，显示教会固定节日、可变动的节日，以及月球升交点在黄道中的位置。上半部有7个表盘，每个盘的直径约30公分，显示第一推动者（Primum Mobile）、金星、水星、月球、土星、木星和火星的位置资料。24小时表盘正上方是第一推动者的表盘，因其能重现恒星的昼夜运动及太阳在恒星背景下的年运行而得名。每个“行星”表盘都使用复杂的机械装置，产生相当精确的行星运行模型。这些理论与托勒密理论及观察结果相当吻合。例如，唐迪（Dondi）的水星表盘使用多种中间齿轮，包括：一个有146齿的齿轮，以及一个有63个内部（朝内）齿的齿轮，与20齿的小齿轮啮合。

### 斯特拉斯堡

斯特拉斯堡大教堂自14世纪以来，一共有三座的天文钟。第一座建于1352年和1354年之间，16世纪初停止运行。第二座钟由康拉德·达斯庞迪斯设计，建于1547年到1474年间，于1788年或1789年停止运行。大约50年后，简·巴普蒂斯特·施维尔戈带领30名工人建造了一座新的天文钟。这座钟增加了很多天文和日历的功能，被认为是第一座完全用机械的方法计算日历的钟。

### 布拉格

捷克布拉格的旧市政厅里天文钟是最著名的天文钟之一，它被称为Prague Orloj。钟的核心部分完成于1410年。钟盘上画着代表地球和天空的背景，并且有四个主要的移动的圆盘，分别是黄道十二宫圆盘，老捷克时间表，太阳和月亮。1870年，一个日历盘增加在钟的下方。

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第二次世界大战期间，这座钟几乎被纳粹主义的战火烧毁。1948年钟被修复，1979年再次修理。根据当地古老的传说，如果钟没有妥善维护，这个城市就会面临灾难。

### 奥洛穆茨

捷克摩拉维亚省的省会城市奥洛穆茨的市中心广场上也有一个设计精巧的天文钟。

### 隆德

瑞典隆德大教堂的天文钟建造于1424年左右。1837年这座钟被收藏起来，1923年经过修理又放回原处。当它运行的时候，你可以听见曲子“In dulci jubilo”从教堂里最小的管风琴里传出来。钟平时每天演奏两次，时间为中午12点和下午3点。周日第一次演奏在下午1点，而不至于打断了周日的早礼拜。钟上面部分是天文学钟，它表示了不同阶段的月亮和太阳落下的位置。钟的下面部分是一个日历板，目前的这块日历板显示了从1923年到2123年的日历。

### 哥本哈根

哥本哈根市政厅有一座完整的天文钟，放置在一个玻璃小橱内。这座钟整整设计了50年，由业余天文学家和职业制钟匠简斯·奥尔森设计。有一些部件的设计参考了斯特拉斯堡天文钟。钟在1948年到1955年间组装成功，开始运行。1995年到1997年钟被大规模重修。

### 拉斯穆斯·索恩斯的钟

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挪威人拉斯穆斯·索恩斯（1893–1967）设计制造的四座天文钟中的最后一座，可以说是同类钟有史以来最复杂的。其特点是其卓越的复杂度，紧密地安装在尺寸为0.70 x 0.60 x 2.10米的外壳中。功能包括太阳与月球在黄道带中的位置、儒略历、格里历、恒星时、格林威治平时、含夏令时间及闰年的当地时间、太阳与月球周期修正、日食、月食、当地日落与日出、月相、潮汐、太阳黑子周期，以及包含冥王星248年轨道和地球自转轴绕黄极25,800年周期（岁差）的天文馆。所有轮圈均为黄铜材质，并镀金；表盘镀银。该钟还配备了机电摆。

索恩斯也以自己的天文观测为基础，制作了必要的工具。该天文钟曾在伊利诺伊州罗克福德的时间博物馆（现已关闭）及芝加哥科学与工业博物馆展出，于2002年售出，但目前下落不明。拉斯穆斯·索恩斯的第3号天文钟，芝加哥天文钟的前身，他的工具、专利、图纸、望远镜及其它物品，现陈列于挪威萨普斯堡的博尔加西塞尔博物馆。

### 其它天文钟

很多欧洲的城市都有天文钟。你可以在各地看到他们，如威尔士大教堂、艾希特、奥特里圣玛丽、温伯恩明斯特、汉普顿宫、温特图尔、克雷莫纳、斯普利特、曼切华、布雷西亚、罗斯基勒、明斯特等等。

法国鲁昂有一座14世纪的天文钟，位于大时钟街(Gros Horloge)街上。法国里昂的圣琼斯大教堂也有一座14世纪的天文钟。

瑞士首都伯尔尼的时钟塔钟楼有一座16世纪的天文钟。

### 桌钟

由于天文钟作为展示品的受欢迎程度，因此有许多天文桌钟的例子。在17世纪的奥格斯堡，要成为大师级钟表匠的候选人，必须设计并制作一座“杰作”钟：一种复杂度极高的桌上天文钟（桌钟）。这些例子可以在博物馆中找到，例如伦敦的大英博物馆。

目前，埃德蒙科学等零售商提供机械式碲时钟，或许是第一款大规模行销的机械天文钟。

巴黎郊外的凡尔赛宫有一个华丽的洛可可风格的天文座钟，它由一个制钟师和一个学徒花费了整整12年制作而成，于1754年献给路易十五。

在日本，田中久重于1851年制造了一座万年自鸣钟。

### 表

近代独立制钟师克里斯汀·范德克劳制作了一个天文腕表，命名为“Astrolabium”，之后又设计了“Planetarium 2000”，“Eclipse 2001”和“Real Moon”系列。瑞士的钟表公司雅典表（Ulysse Nardin）也推出了数款天文腕表“Astrolabium”、“Planetarium”和“Tellurium J. Kepler”。

## 参考资料

- 约翰·诺思（John North）--《上帝的制钟匠-理查德·沃林福德》（God's Clockmaker, Richard of Wallingford and the invention of time），伦敦，2005年。
- 托尔·泽尔讷斯（Tor Sørnes）--《制钟者-拉斯马斯·泽尔讷斯》（The Clockmaker Rasmus Sørnes），Borgarsyssel博物馆，挪威，2003年挪威文版本，2006年英文版本。
- 金·亨利（King Henry）--《星座的齿轮：恒星，太阳和天文学的革命》（Geared to the Stars: the evolution of planetariums, orreries, and Astronomical Clocs），多伦多大学，1978年。
- 弗洛里安·莱特纳（Florian Leitner） --《天文钟原理》（Die Astronomische Uhr）德文，2003年。