渾儀和渾象

渾儀 渾儀中有窺管，是一種觀測儀器，其主要用途是測定昏、旦和夜半中星以及天體的赤道坐標，有時也能測黃道經度和地平坐標。唐代天文學家李淳風設計製造的渾儀，其結構分為外、中、內三層（重）。外層稱為六合儀，由子午環（天經雙規）、地平環（金渾緯規）和赤道環(天常環)交結成固定的框架。中層稱為三辰儀，由璇璣環、赤道環、黃道環和白道環等構成。各環間的相對位置是固定的，但其整體可繞儀器的極軸東西旋轉。內層叫四游儀，由極軸、赤經雙環和窺管（也稱望管）等構成。平行的赤經雙環夾著窺管也繞極軸旋轉。窺管還可以自由地在雙環內轉動，因此能指向天空的任何一點。唐以後所製造的渾儀，原理和基本結構都與李淳風渾儀相似，只是把規環或其他零件、部件增減一些罷了。

渾儀已有悠久的歷史。何時發明，目前尚難斷定。西漢天文學家落下閎曾造過圓儀。耿壽昌用圓儀測定日、月的視運動。東漢賈逵在圓儀上加黃道環，改稱黃道銅儀，用以測定二十八宿的黃道經度等。一直到南北朝的張子信還在使用圓儀來觀測日、月、五星的視運動。而後來出版的史書中往往說落下閎造渾儀，張子信用渾儀，可見圓儀和渾儀兩種儀器名稱雖異而功用實同。早期的渾儀構造如何，史無記載。有確切記載的是東晉時孔挺所造的渾儀。這架渾儀就是六合儀和四游儀合起來的兩重銅渾儀，因為這是測量天體赤道坐標所需的最簡單的結構，可以推斷早期各家的渾儀相去也不會太遠。後來因為要直接測量太陽在黃道上的運動，必須增加黃道環；要直接測量月亮在白道上的運動，又必須增加白道環。又因為天球的周日轉動，二十八宿和黃道、白道等在天穹上的位置不斷變化，為了適應這種變化就必須使黃道環、白道環和赤道環都能隨天球轉動方向轉動，就有三辰儀的產生。這些都在李淳風的渾儀中得到實現。可是，隨著渾儀環數的增加，所遮蔽的天區也越來越多。由於唐、宋以來數學的發展，人們已能比較精確地掌握赤道、黃道和白道三種坐標系統的互換，因此，北宋沈括首先去掉三辰儀中的白道環，開始了渾儀的簡化過程。到郭守敬時發生了質的飛躍，創造出歷史上有名的簡儀。明清時代還曾仿製或新制一些渾儀，但已是餘波，創新之處不多。

對於渾儀，中國古代還注意到它的安裝位置的校正問題。北魏明元帝永興四年（公元 412年）造的太史侯部鐵儀（或稱靈台鐵儀）有個十字底座。底座上開有水溝，以校正底座平準。北宋皇祐三年(公元1051年)於淵、周琮等造的皇祐新渾儀中，在六合儀的地平環上也開了水溝。大約在唐代以前人們就知道從渾儀極軸兩端的圓孔觀測拱極星的周日運動來校正儀器極軸的方向。北宋沈括把這個方法發展到很成熟的地步。因此，後來郭守敬在簡儀中創造了專門的候極儀裝置。（見彩圖）

渾象 屬於表演性的儀器，在一個大球上刻畫或鑲嵌有星宿、赤道、黃道、恆隱圈、恆顯圈等，和現代的天球儀相似。渾象可能是西漢人耿壽昌發明的。東漢張衡的渾象是他設計的漏水轉渾天儀的核心部分。

張衡以後，中國天文學家多次製造過渾象，而且多數和水力機械聯繫在一起（古代也稱為水運渾天，今通稱水運渾象），以取得和天球周日轉動同步的效果，其中有名的製造者有三國時陸績、王蕃，南北朝時錢樂之等。錢樂之於南朝宋文帝元嘉十七年（公元440年）,製造的小渾象周6尺6寸，有二十八宿、中外星官，以白青黃三色珠為星，以區別甘氏、石氏、巫咸氏星官，黃道上還有日、月、五星。到唐代，一行、梁令瓚把日、月綴於二輪上，可繞渾象運行，並且又和自動報時裝置結合起來，開創了中國獨特的天文鐘傳統。到郭守敬，才把報時裝置和水運渾象分離開來。現存最古的渾象為清初南懷仁所作，稱為天體儀，置於北京古觀象台。

三國時吳國天文學家葛衡曾經改造渾象。他把圍在渾象天球之外代表地的機構移入天球中，天球轉動時地仍不動。為了能看到天球中的地，必須把天球挖去多塊。這種儀器古代稱之為渾天象，後來就發展成為假天儀。假天儀是人們進入天球裡面抬頭向上看的，猶如現今天文館的天象廳。中國第一架假天儀是北宋時蘇頌、韓公廉等人製造的。他們在竹架紙糊的天球上“因星鑿竅”，外面點上燈，人在裡面看竅眼如同星星一樣。元代郭守敬所造玲瓏儀，也是一架假天儀。可惜這些儀器都已散失了。