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- 第八十九章天文学
第二节天文仪器的制造
宋代制造过许多大型的天文仪器。如宋太宗太平兴国四年（979）正月，来自四川的民间天文学家张思训设计并于次年制成一台水转浑象，通称“太
平浑仪”，起楼高一丈有余。这台浑象改水力推动为水银推动，以解决冬天因水流凝冻迟涩而影响仪器运转速度的问题。与浑象运转联动的报时装置，胜过东汉张衡及后来的一些同类仪器，小木人也增加到十多个。《宋史·天文志》载：“七值神左摇铃、右扣钟、中击鼓，以定刻数。每一昼夜，周而复始。又以木为十二神，各值一时，至其时，则自执辰牌，循环而出，随刻数以定昼夜长短”。七值神即七曜值日，实际上，这是一个带有日历显示的时钟，是采用星期制的报日和报时装置。其中由金、木、水、火、土加日、月表示七值周期，以金曜日为七值周期之首。这种记日制度，早在唐代《符天历》和五代时期的《调元历》中已经使用，宋代建隆四年（963）起行用的《应天历》中，也有七值内容。此外，在一天之内又分十二辰，由十二神轮流出现报出时辰，而时初、时正和刻数则分别由铃、钟、鼓声报出。张思训的仪器继承和发展了唐代一行和梁令瓒的成果，并对后来的仪象设计产生了一定的影响。他也因创制仪器有功而升任司天浑仪丞。
宋太宗至道元年（995），天文学家韩显符制成一台供观测用的铜浑仪，通称“至道铜候仪”。大中祥符三年（1010）他再造一台相类似的浑仪，专门用于司天台培养观测生的教学。此外，皇祐三年（1051）舒易简、于渊、周琮等人制成黄道浑仪；熙宁三年（1070）沈括、皇甫愈等人制成熙宁浑仪。这些仪器每台用铜量都在两万斤左右，各自有一些新的创造。如皇祐浑仪，它的时间分划一改在地平环上刻度的旧制，而改刻在固定的赤道环上，正确反映了天体位置随时间变化的规律。熙宁浑仪简化结构，从计算上去解决月亮在白道上的位置，将浑仪上的白道环取消，使用方便，而且提高了测量的精度。
天体周而复始不断地在天穹运动，不同时刻它们的位置不同，因此，在使用浑仪观测天体时，相应地也要有良好的计时仪器，客观需要提出了提高漏刻精度的要求。天圣八年（1030）燕肃发明莲花漏，在多级漏壶（上匮和下匮）的最后一级漏壶（下匮）上部开孔（分水孔），使壶中的水位恒定地保持在孔下，多余的水由孔经注水筒（竹注筒）流入减水盎。由于末级漏壶水位恒定，所以漏水均匀，提高了计时精度。皇祐初期，舒易简、于渊、周琮等人又在莲花漏的基础上，再加一级恒定水位的平水壶，从而使漏刻的精度进一步提高。
宋代最为精巧的天文仪器，当推苏颂领导研制成功的水运仪象台。元祐元年（1086），苏颂奉旨校验天文院和太史局两处的新旧浑仪，考察中他发现同一台仪器由不同的人去操作，所得测量结果不同，他们“各指得失，终无定论”。于是他想制造一种以水为动力，浑仪和浑象联动并能与天同步运动的仪器。另外，一行、张思训已将这种仪器与报时装置集为一体，所以新的仪器还要同时解决报时问题。苏颂首先遇到的困难是缺乏参考资料，正如他自己所写：“张衡之制，史失其传；开元旧器，唐世已亡”，本朝“太平浑仪，自思训死，机绳断坏，无复知其法制者”，所以制作新仪必须重新设计。经过苏颂与精通数学、天文学并有巧思的吏部守当官韩公廉等人的反复研究和精心设计，新仪从元祐二年（1087）开工制造，三年制成木样，经鉴定和检验后，据此正式铸造铜仪。元祐七年（1092），这座中国古代最宏伟、最复杂的天文仪器建成，宋哲宗赐名“元祐浑天仪象”，后人通称“水运仪象台”。
苏颂实现了将浑仪、浑象和报时结合于一体的设想，整座仪器使用水力
为动力，经变速、传动和控制使三部分仪器联动并能跟踪天体运行。仪器总高约12米，宽约7米，分上、中、下三层，底层是动力与传动装置和报时钟，中层密室中转动着的是浑象，上层为浑仪。浑仪上的望筒可对准并可自动跟踪天体，而随望筒运动的三辰仪时圈则可指示出时间的变化，此外，浑仪所在小室的屋顶可以启闭，这与现代天文台上的望远镜转仪钟与活动圆顶作用相同。
水运仪象台的报时部分也精巧绝伦。它共分五层，其中三层用于白昼报时，两层用于夜间报时，共有承担报时职能的木人254个，每个时辰分时初与时正，分别由左门小人摇铃和右门小人敲钟报出，每至一刻由中门小人击鼓。第二、三层的木人分别举辰牌与刻牌，当非正点辰刻没有报时声的时候可从牌上看出当时的时辰与刻数；第四、五层的木人敲钲以报更，没有报更声的时候可从木人所举更牌上看出更次。水运仪象台的整台仪器由水提供动力自动运转。它的又一项重要发明是其“天衡”装置，它类似于近代钟表的擒纵器（卡子），控制着仪器，使之均匀运动。
国际科学史界对水运仪象台的评价极高，认为它是现代钟表的祖先。关于它留下了较详细的记载，特别是其机械结构、装配图等都收于苏颂所著的《新仪象法要》一书中。
苏颂还制造过另一台大型天文仪器，据《玉海》记载，它是一架假天仪，“大如人体。人居其中，有如笼象。因星凿窍，如星以备。激轮旋转之势，中星、昏、晓，应时皆见于窍中。星官历翁，聚观骇叹，盖古未尝有也。”据研究，这台仪器的主体是用竹条制成的球体，很像一个圆形笼子。表面上再用不透明的纸绢裱糊，并按星宿位置校算开孔①。人坐在密封的球内，球面上小孔透过来的光如同夜空中的繁星。这种便于演示和观察天体运行的仪器，可以说是今日天象仪的鼻祖。
宋代制造的天文仪器，数量众多，精密复杂，并有不少创新，这是中国
古代天文学发展进入高峰的重要标志。