渾儀

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，天靠氣支撐著，地則浮在水面上。天的大圓分為365.25度，渾天旋軸兩端分別稱為南極、北極，赤道垂直於天極，黃道斜交著天的大圓，黃赤道交角為23.25度。

渾儀是以渾天說為理論基礎製造的。在古代，“渾”字含有圓球的意義。古人認為天是圓的，形狀像蛋殼，出現在天上的星星是鑲嵌在蛋殼上的彈丸，地球則是蛋黃，人們在這個蛋黃上測量日月星辰的位置。因此，把這種觀測天體位置的儀器叫做“渾儀”。

渾儀是中國古代用於測量天體球面坐標的觀測儀器。它是由一重重的同心圓環構成，整體看起來就像一個圓球。有資料表明，在公元前4世紀中葉，中國就已經使用渾儀觀測天象了，比古希臘早約60年。

渾儀的最基本構件是四游儀和赤道環。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，類似於近代的天文望遠鏡，只是沒有鏡頭。

雙重圓環叫四游環，也叫赤經環，環面上刻有周天度數，可以繞著極軸旋轉，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。

一、多重環結構

渾儀的改進和完善，經歷了一個由簡而繁，而又由繁而簡的歷程。從漢代到北宋，渾儀的環數不斷增加。首先增加的是黃道環，用以觀測太陽的位置。接著又增加了地平環和子午環，地平環固定在地平方向，子午環固定在天體的極軸方向。這樣，渾儀便形成了二重結構。唐代起，渾儀又發展成三重結構。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，因東西、南北、上下6個方向叫六合，故名。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。其中白道環用以觀測月亮的位置。最裡層是四游儀。北宋時，又增加有二分環和二至環，即過二分（春分、秋分）點和二至（夏至、冬至）點的赤經環。

二、簡化、分立

多重環結構的渾儀雖是一傑出的創造，在天文學史上也起過重要的作用，但其自身也存在著兩大缺陷。一是要把這麼多的圓環組裝得中心都相重合，十分困難，因而易產生中心差，造成觀測的偏差。一是每個環都會遮蔽一定的天區，環數越多，遮蔽的天區也越大，這就妨礙觀測，降低使用效率。

為解決這兩個缺陷，從北宋起即開始探索渾儀的簡化途徑。這個渾儀改革的途徑由北宋的沈括開闢，元代的郭守敬完成。沈括由兩個方面進行改革，一是取消白道環，藉助數學方法來推算月亮的位置；一是改變一些環的位置，使遮蔽的天區盡量減少。

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。

1、簡儀

簡儀由四游儀、赤道環和百刻環組成。赤道環的位置移至旋轉軸的南端，這一方式，至今在各國的天文台上安裝望遠鏡時，還廣泛地被採用。百刻環的安裝是一創新，環上等分成100刻，分為12個時辰，每刻又分作36分。

它固定在赤道環內，既可承托赤道環，又可得到真太陽時的讀數。四游儀窺管兩端各設有十字線，這是後世望遠鏡中十字絲的肇始。

2、立運儀

立運儀與簡儀裝於同一底座上，由兩個圓環組成。一個是平鋪的“經緯環”，代表地平環，環面上刻有方位。一個是“立運雙環”，中夾有窺管，可測量天體的地平經度和緯度。

簡儀和立運儀的設計和製造，在世界上領先300多年。近代天文台的赤道裝置，測量儀器經緯儀等，都可從中找到其原始形態。

中國古代渾儀採用的是赤道坐標系統，比西方採用的黃道坐標系統要先進得多，已為各國天文台所廣泛採用。

人們還可以在南京紫金山天文台，看到明代正統二年到七年（1437～1442）間製造的渾儀和簡儀。

中國渾儀的發明大約是在公元前四世紀至公元前一世紀之間（即戰國中期至秦漢時期）。

史籍記載渾儀的製造始於漢落下閎。他是蜀郡人，漢武帝時應召到京師長安參與制訂《太初曆》。落下閎以他製造的渾儀觀測天象，測定了二十八宿的距度、五大行星的運動情況等等，為制定《太初曆》取得了第一手資料。渾儀並不是落下閎最先發明的，他說：年輕的時候就能做這種儀器，那時只根據尺寸製作而已。用這架只有赤道坐標的儀器來度量太陽月亮的運動，發現兩者的運動都不均勻，這同西漢天文學家們的想法不同，於是大家都在找原因，後來發現，日月的運動都是沿黃道的（當時月亮依白道而行的認識還未達到），它們即使在黃道上均勻運動，以赤道來度量當然就是不均勻的了。

公元104年，東漢和帝下令賈逵另制一架儀器，用來測量日月的運動，他在渾儀上增設了黃道環，以黃道來測量日月運動，這就是我國歷史上第一架黃道銅儀。

賈逵用他的黃道銅儀來測量日月的運動，發現太陽的運動顯得均勻了（其實也應該是不均勻的，因他的儀器精度不夠，當時也沒有這樣的認識），而月亮的運動仍是不均勻的。賈逵根據自己的實際觀測，得出結論：月亮的運動是不均勻的。這一發現是改進儀器得到的第一個結果，它導致了曆法的進步，也豐富了人們對天體運動的知識，為以後太陽運動不均勻的發現打下了思想基礎。

唐代，由天文學家李淳風設計了一架比較精密完善的渾天黃道儀。

由於渾儀的圈環過於複雜、遮掩天區，影響觀測，沈括取消白道環並改變一些環的位置。

元代郭守敬取消了黃道環，並把渾儀分為兩個獨立的儀器：簡儀和立運儀。

《夢溪筆談·極星測量》：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。渾象，象天之器，以水激之，或以水銀轉之，置於密室，與天行相符，張衡、陸績所為，及開元中置於武成殿者，皆此器也。皇祐中，禮部試《機衡正天文之器賦》，舉人皆雜用渾象事，試官亦自不曉，第為高等。漢以前皆以北辰居天中，故謂之“極星”。自祖亘以機衡考驗天極不動處，乃在極星之末猶一度有餘。熙寧中，余受詔典領歷官，雜考星曆，以機衡求極星。初夜在窺管中，少時復出，以此知窺管小，不能容極星游轉，乃稍稍展窺管候之。凡歷三月，極星方游於窺管之內，常見不隱，然後知天極不動處，遠極星猶三度有餘。每極星入窺管，別畫為一圖。圖為一圓規，乃畫極星於規中。具初夜、中夜、后夜所見各圖之，凡為二百餘圖，極星方常循圓規之內，夜夜不差。余於《熙寧歷奏議》中敘之甚詳。