大家好，我是中国科技馆“华夏之光”展厅的香港大学生志愿者周杏芝，今天我为大家讲述的是《通往星空的桥梁——简仪》。
(资料图片)
周杏芝 （中国科技馆“华夏之光”展厅2022级香港大学生志愿者）
政治因素决定天文学发展，历法的修订离不开天文观测仪器的革新。
公元1276年，元世祖忽必烈想起刘秉忠提过，现行的辽历并不准确，又未实行司天台改制的新历。此时适逢新君即位，可借机改元颁历，让各地百姓知晓精准的时历。于是元世祖组织太史局（后改名太史院）修订新历法，即后来的《授时历》，并由王恂、郭守敬等人主持相关工作。
“历之本在于测验，而测验之器莫先于仪表。”修订新历法前，需要对天象进行大规模观测，从而获取最新数据。然而旧浑仪因运输及存放不当，早已无法进行精准的天文观测，而且受限于浑仪多环圈的结构缺点，使用者容易被环道遮挡视野，于是郭守敬通过简化沈括改良过的浑仪，创制出了新的天文观测仪器——“简仪”。
简仪主要由两组互相垂直的大圆环组成，直指北天极的是四游环，与之垂直的是平行于天体赤道的赤道环，以及平铺在地的阴纬环和垂直于此的立运环。简仪的底座是个长方形框架，由龙柱和云柱支撑四游环、赤道环和百刻环。百刻环被固定在外，赤道环在百刻环内游动，四游环则架设在南北极轴间旋转。同时，百刻环与赤道环的咬合面上有4个小圆柱体，用以减少两环间的摩擦，是世界上最早使用的柱式滚动轴承。
简仪，图片拍摄于中国科学院紫金山天文台
此外，与浑仪的多重圆环结构相比，简仪取消了黄道环及非必要的支架环圈，只保留赤道经纬度和地平经纬度的测量环件，即赤道装置（赤道经纬仪）和地平装置（立运仪）。赤道装置中的四游环和赤道环装在上部，地平装置中的立运环和阴纬环则另设于北端，以此解决多环掩映问题。
简仪，图片来源于中国科学技术馆
另一方面，简仪的百刻环提高了刻度分划的精细程度。百刻环上每刻被等分为36份，提高了时间观测的精度。
百刻环刻度，图片拍摄于中国科学院紫金山天文台
一般而言，古代天文观测仪器的作用是测量天体坐标，简仪也不例外。它的作用有三种：测量天体的地平坐标、赤道坐标以及真太阳时。
简仪测量地平坐标，图片来源于中国科学技术馆
第一，用地平装置，测量天体的地平坐标。在地平系统中，立运环被设置于云柱下垂直转动，阴纬环则垂直于立运环平放在基座上。两环均有刻度，以窥衡对准目标天体，即可读出天体的地平方位角与天体高度。
第二，用赤道装置，测量天体的赤道坐标。赤道环和四游环上都有周天度数，且四游环还安装了内藏十字丝的窥衡，类似单镜筒望远镜。转动四游环并移动窥衡观测天体，以此获取被测天体与北天极之间的角距离——去极度；转动赤道环与界衡，以此获取被测天体与它所在宿的距星在赤道上的角距离——入宿度，最后得知赤道坐标。
第三，用界衡、赤道环和百刻环，测真太阳时。真太阳时又名视太阳时，顾名思义，是以太阳位置作为实时标准的时间系统。当太阳视圆面中心连续两次升至正空走过的时间，即为1真太阳日（分为12时辰）。
简仪的设计独特、工艺精美、实用性强，是中国天文仪器发展史上的一次重要革新。但遗憾的是郭守敬当年制作的简仪未能留存下来。它原本置于大都司天台，曾被搬迁至鸡鸣山观测台，后于1668年迁回北京，却在1715年被供职钦天监的法国传教士纪理安以铸造地平经纬仪为借口，当作废铜熔掉。郭守敬版本的简仪自此失传。现存最古老的简仪则是1437年制作的仿制品，为明清两代钦天监所用。
然而，明代复制版简仪也经受过不少磨难。1900年八国联军侵华，简仪被拆卸运往东交民巷的法国外交使馆，至1902年才归还清政府。1933年6月，为了躲避战火，简仪被匆忙迁至南京，于1934年2月安顿在紫金山天文台。其后因保存不当，它在上个世纪80年代初就近乎损毁。因此，南京市政府在1988年时对简仪进行修复，后将它放置在南京紫金山天文台露天陈列展览，是现今其他简仪复制品的蓝本。
毋庸置疑，简仪是中国天文学的重要发明之一，代表了中国古代科技的高超水平。作为中国科技史的见证，简仪也是后世天文仪器类似装置的先导。它的赤道装置和地平装置分别是近代大型望远镜赤道装置和地平经纬仪的原型，窥衡中的十字丝则堪称天文望远镜十字丝的先驱。因此，简仪不仅反映中国古代工艺的伟大成就，也推进了中国天文学的发展，兼具实用价值与历史意义。
好了，这就是本期“趣读华夏科技故事”的内容，云端揽胜，乐享科学，敬请大家继续关注中国科技馆“云享科学”活动。
参考资料
1.伊世同.简仪[J].机械工人,1984（06）：2,65,1.
2.赵洋.简仪[J].自然科学博物馆研究,2018（02）：2.
3.潘鼐.南京的两台古代测天仪器——明制浑仪和简仪[J].文物,1975（07）：84-89,103.
4.樊善国.科学巨人郭守敬[J].中国典籍与文化, 1996（02）：21-29.
5.中国哲学书电子化计划：《元史》，载自https://ctext.org/wiki.pl?if=gb&chapter=634468
策划：周杏芝、戴逸华、叶雅玲、王美铃
制作：周杏芝、陈磊
审核：崔希栋、王紫色、王学志、李广进、
戴天心、叶雅玲、戴逸华
中国科技馆古代科技展览部（筹）供稿
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