书城科普读物科学文库——讲述天文故事
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第13章 天文仪器的诞生

仪器是为某一特定用途所准备的一套装置或机器,天文仪器就是为观测天体以及天文现象而制作的设备,它能帮助人类看到遥远的星球,让人类对浩瀚的宇宙有所了解。我国古代的科学技术非常发达,天文仪器诞生较早,在我国早期的天文仪器中,最具代表性的有圭表、浑仪和浑象,它们都是世界上最早的天文仪器。

圭表作为测天仪器,由垂直的表和水平的圭组成,在天文学上显得既简单又重要。人们在很早以前就发现了一种奇怪的现象,即在太阳光照射之下,房屋和树木等物会投出影子,这些影子的变化有规律可循。人们把竿子直立在平地上直立,有时也用石柱来代替竿子,以此来观察影子的变化,这根立竿或立柱就是表,再用尺子测量表影的长度和方向,就可以测得当前的时辰。后来人们进一步发现,正午的表影总是投向正北方向,于是把石板制成的尺子平铺在地面上,让它一头连着表基,一头伸向正北方向,与立表垂直,这把用石板制成的尺子就是圭,用圭表测量时间非常方便。

北京古观象台的圭表

圭表是我国古老的天文仪器,测定哪天为冬至是圭表的主要功能,与此同时,它还可以确定回归年长度,通过观测表影的变化可确定方向和节气,其用途十分广泛。正午时表影投在石板上,古人就能直接读出表影的长度值。经过长期观测,古人了解到表影在正午最短,并且夏至日正午的表影最短,冬至日正午的表影最长。在进行了长期观测之后,古人以正午的表影长度来确定节气,一年的长度也由此得出,如果连续两次测得表影的最长值,这两次最长值相隔的天数就是一年。我国古人利用圭表,知道一年等于365天多一点,这个数值与现代的数值十分接近。

如同一口大锅的仰仪

元朝天文学家郭守敬设计制造了仰仪,它是我国古代的天文观测仪器。直径约3米的铜质半球面是仰仪的主体,看起来如同仰放着的大锅。仰仪的内部球面上有许多规则的网格,这些网格纵横交错,可以用来度量天体的位置。仰仪的锅口上刻有一圈水槽,水槽边缘均匀地刻画出24条线,以表示其方向。水槽是用来注水校正锅口的水平的,看仰仪是否保持平衡。两根十字交叉的竿子安置在正南方的刻线上,它们呈正南北方向,延伸到仰仪的中心。把凿有中心小孔的小方板装在竿子的北端,小方板便可以绕着仰仪中心旋转,这样观测起来更加方便。

日晷利用日影来测量时刻,通常由铜制的指针和石制的圆盘组成,是我国古代重要的计时仪器。铜制的指针是晷针,可以垂直地穿过圆盘中心,与圭表中的立竿起同样的作用;石制的圆盘是晷面,晷面南高北低地安放在石台上,使晷面平行于天赤道面,每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时,晷针的影子就会投向晷面,太阳由东向西移动,晷针影子由西向东移动。晷针影子在移动的过程中,如同现代钟表的指针,晷面是钟表的表面,这样就可以看出时刻。

计时仪器沙漏

沙漏是一种天文仪器,它的作用是计量时间。沙漏和漏刻的制造原理相同,它根据流沙漏下的数量来计量时间。我国北方冬天空气寒冷,水很容易便结成了冰,采用流沙代替水来计算时间,就可以避免水结成冰所造成的麻烦。1360年,詹希元创制了五轮沙漏,这是当时最著名的沙漏。流沙从漏斗形的沙池流到沙斗,驱动初轮之后再带动各级机械齿轮旋转,齿轮带动在水平面上旋转的中轮,中轮轴心的指针在有刻线的仪器圆盘上转动,这样就可以显示出时间。这种时间的显示方法非常先进,已经接近了现代时钟的表面结构。除此之外,詹希元巧妙地在中轮上添加了机械拨动装置,每到整点时,便有木人击鼓报告时刻。

13世纪,我国诞生了一位杰出的科学家,他就是郭守敬。郭守敬同样是一位天文仪器制造专家,他创造和改进了大量天文仪器,对天文学的发展起到了重要作用。郭守敬,字若思,金正大八年出生于河北省邢台县,他将自己的一生都奉献给了科学研究工作。在进行科学研究时,郭守敬发现和总结劳动人民的发明创造,从具体实践中得到运用和提高;他精心观察客观事物的特点,从中掌握它们的发展规律;他从别人的经验教训中吸取养分,使自己的科学研究走向完善;他敢于大胆探索,富有创新精神。

在郭守敬很小的时候,他便对自然现象产生了浓厚的兴趣,尤其是天文学,更让他如痴如醉。郭守敬在邢台紫金山跟刘秉忠学习天文时,曾制造过天文仪器的模型。宋金为元朝遗留下大量天文仪器,但是这些仪器已经非常破旧,很多都不能使用。郭守敬在原仪器的基础上进行改制,并在实践中重新设计,取得了显著成效,他利用三年的时间完成了10多种天文仪器的改制和创造工作。至元十六年,郭守敬任同知太史院事,他向元世祖忽必烈提出建议,即进行一次大规模的天文测量。郭守敬的建议被元世祖采纳,于是产生了历史上颇具盛名的四海测验。

郭守敬将简仪、赤道经纬和日晷合并,用合并后的仪器来观察天空中的日月星辰,原仪器上圆环的阴影不会再对观测造成不良影响。测量日影经常用到高表与景符,它们也得到过郭守敬的改制。郭守敬将过去高为2.7米的高表改成13.4米的高表,石圭上放置景符透影,当透影与景符上的日影重合时,就是当地日中的时候。用改进后的仪器对日心之影进行测量,测得的日心之影比以前精密许多,这项改进可谓是天文仪器方面的改革。

郭守敬是杰出的天文学家,也是成绩优异的数学专家,同时还是具有卓越贡献的水利专家,又是具有独特精神的仪器制造专家。郭守敬创造了计算球面三角形的算法,同时发明了高等级算法平立定三差法,在世界数学史上开创了先例;他曾指挥人们挖掘大运河,体现出了在水利方面非凡的造诣;他编著了100多卷天文书籍,创制了18种仪器仪表,为当时和以后的人民留下了宝贵的财富。郭守敬在天文、数学和水利等方面的成就,在当时的科学领域居世界首位,其他国家在四五百年之后才有此发明和创造。

1316年,郭守敬在86岁高龄时因病去世,中国和世界人民都称赞他是最伟大的天文学家。为了纪念这位世界著名科学家,我国和世界举办了大量活动。1962年,我国邮电部发行了绘有郭守敬半身像和简仪的两枚纪念邮票。1977年,经国际小行星研究会批准,中国科学院紫金山天文台把郭守敬在1964年发现的2012号小行星正式命名为“郭守敬星”。1981年,在北京举行的国际天文学会会议隆重纪念郭守敬诞辰七百五十周年,同时将美国在月球上发现的一座环形山命名为“郭守敬山”。

1楼昵称:简单美

在不用天文仪器的情况下,怎样算出一个地方的经纬度?我知道纬度可以根据南十字星座或者北极星的位置算出来,但是经度就不知道该怎么处理。

2楼昵称:凡人无忧

英国政府曾在大航海时代高价悬赏解决测量经度的方法,解决方法主要有两种,即天文观测法和时间测量法。天文观测法是利用月亮在背景群星中的位置,经过一系列复杂的计算,从而得到大致的经度。时间测量法通过携带精确的计时器,记录出发地的时间,对比当前太阳指示的时间,就可得出较为准确的经度。

3楼昵称:回忆录

时间测量法因为精确计时器的发明得到广泛应用,天文测量法因为受观测条件的限制很少用到。

4楼昵称:幻想天亮

在计时器的帮助下,还可以根据星空中恒星的位置来确定当前方位。首先选定一颗恒星,测量它的高度角,查表得出该恒星在什么位置,确定自己当前位于哪个圆。再选取另一颗恒星,确定另一个圆,两圆有两个交点,根据航海日志确定自己位于哪个交点。

中国诞生了很多文人雅士和帝王将相,同时还涌现了很多科学家,张衡便是我国著名科学家。张衡于东汉年间出生,他最有名的发明是地动仪。东汉时期,国家经常发生地震,有时候一年都要发生好几次,老百姓和国家的生命和财产受到了损害。

皇帝和老百姓在自然的威慑之下,感到十分恐惧,他们认为地震是由鬼神造成的,是不吉利的征兆。张衡却偏不信神邪,他将发生过的地震详细记录下来,经过细心的考察和试验之后,发明了能测出地震的仪器,这就是最早的地动仪。

地动仪的形状与酒坛类似,全部由青铜制造而成,其四围铸着8条龙,龙头分别伸向8个方向。每条龙的嘴里含着一颗小铜球,一只张着大嘴的蛤蟆蹲在龙头下面。哪个方向发生了地震,朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来,嘴里的铜球便掉了下来。铜球掉在蛤蟆的嘴里时,会发出响亮的声音,这就表明那个方向发生了地震。

公元138年2月,地动仪正对着西方的龙嘴吐出了铜球,这是告诉人们在西部发生了地震。可是那天洛阳没有发生地震的迹象,更没有听说附近有什么地方发生了地震,朝廷上下议论纷纷,对张衡的地动仪表示怀疑。没过两天,便有快马来向朝廷报告,离洛阳200多千米的金城和陇西发生了大地震,山都被崩塌了下来。这件事情证明了地动仪的准确性,大家这才相信张衡,也认可了他制作的地动仪。