《中國古代科技遺產(chǎn)》（知史叢書）
作者：戴吾三 張學(xué)渝 王吉辰 等
版本：廣西科學(xué)技術(shù)出版社
2025年6月
北京古觀象臺，位于北京東城區(qū)建國門立交橋的西南側(cè)，是明清兩代和北洋政府時期的國家天文臺。古觀象臺始建于明正統(tǒng)七年（1442年），前后共承擔(dān)了近500年的天文觀測任務(wù)，是世界上最古老的天文臺之一。
1982年，北京古觀象臺被國務(wù)院公布為第二批全國重點文物保護(hù)單位。
觀象臺上的古天文儀器與遠(yuǎn)處的北京國際飯店等現(xiàn)代建筑同框，構(gòu)成別樣的時空。戴吾三 攝
中國第一座天文博物館
明永樂十九年（1421年）正月，明朝中央政府正式遷都北京，而天文儀器沒有隨遷，在北京的欽天監(jiān)官員只能憑肉眼觀測。明正統(tǒng)二年（1437年），欽天監(jiān)為解決觀測之需，依據(jù)宋元的天文儀器式樣鑄成了渾天儀和簡儀，并于正統(tǒng)七年（1442年）選址（貼近元大都城墻的東南角）修筑觀象臺，又于正統(tǒng)十一年（1446年）增修晷影堂，添置圭表和漏壺，以供計時。清王朝建立后，觀象臺改名為觀星臺，它不僅是欽天監(jiān)官員進(jìn)行天文觀測的場所，在康熙年間也曾作為培養(yǎng)天文人才的實習(xí)基地。
清康熙八年至康熙十二年（1669—1673年），在比利時耶穌會傳教士南懷仁（Ferdinand Verbiest）的建議下，經(jīng)康熙帝批準(zhǔn)，欽天監(jiān)仿照第谷式歐洲古典天文儀器，為觀象臺添置了6件大型青銅天文儀器，分別是黃道經(jīng)緯儀、赤道經(jīng)緯儀、地平經(jīng)儀、象限儀、紀(jì)限儀和天體儀。康熙五十四年（1715年），德國傳教士紀(jì)理安（Kilian Stumpf）又設(shè)計并制造了地平經(jīng)緯儀。乾隆九年（1744年），乾隆帝見儀器多為西洋制式，下令讓欽天監(jiān)監(jiān)正戴進(jìn)賢依照中國傳統(tǒng)渾儀監(jiān)制了“璣衡撫辰儀”。
晚清政權(quán)危機(jī)重重，觀象臺也未能幸免于災(zāi)難。1900年，八國聯(lián)軍攻入北京城，聯(lián)軍總司令德國人瓦德西與法國將領(lǐng)密謀瓜分古觀象臺的10件大型天文儀器，包括明代的仿宋渾儀、仿元簡儀，以及清代增制的8件儀器。
迫于國際輿論聲討，法國于1902年歸還了擄走的5件儀器（簡儀、赤道經(jīng)緯儀、黃道經(jīng)緯儀、地平經(jīng)緯儀和象限儀）。而另外5件被德國掠走的儀器漂洋過海，被放置在德皇波茨坦離宮。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，中國要求德國無條件歸還古天文儀器。豈料這一正當(dāng)權(quán)益未得到應(yīng)有的回應(yīng)，歸還之事懸置。直到1920年6月，德方歸還的5件儀器踏上歸途，不料船經(jīng)日本又遭扣押。后經(jīng)多方斡旋，直到1921年1月，儀器才終于回到祖國。同年4月14日，幾經(jīng)顛沛的古儀器回到古觀象臺，依照原來布局安放。1931年九一八事變發(fā)生后，考慮到文物安全，國民政府將明代制成的渾天儀、簡儀、漏壺（2件）、圭表和清代制成的小地平經(jīng)緯儀，以及折半天體儀（兩件儀器大小均為原件的1/2，故稱“折半”）計7件儀器運往南京的紫金山天文臺，留存至今。而清制八儀因不便拆卸，一直留在北京。世事滄桑，古儀的聚散折射了中華民族的那段悲愴歷史。
辛亥革命后，北洋政府接管古觀象臺，將其更名為中央觀象臺，直屬于教育部。1915年，中央觀象臺首任臺長高魯在觀象臺創(chuàng)辦科學(xué)期刊《觀象叢報》。1922年，中國天文學(xué)會在觀象臺宣告成立，標(biāo)志著中國天文學(xué)進(jìn)入了新時代。隨著佘山天文臺和南京紫金山天文臺等現(xiàn)代天文臺的相繼修建，中央觀象臺將其近代科學(xué)觀測儀器盡數(shù)移交給了位于南京的中央研究院天文研究所。至此，觀象臺觀測天文的歷史使命畫上了句號。
被劫后放置在德國波茨坦離宮的璣衡撫辰儀（前）、地平經(jīng)儀（左后方）、天體儀（右后方）。北京古觀象臺存。
1929年古觀象臺改名為國立天文陳列館，成為中國第一座天文博物館。中華人民共和國成立后，古觀象臺逐步向公眾開放。
走進(jìn)古觀象臺的院落
北京古觀象臺東側(cè)原與北京古城墻相連，城墻在20世紀(jì)50年代被拆除，后沿原城墻走向修建了東二環(huán)路。如今這一帶高樓林立，立交橋上車流不息，地下深處地鐵隆隆。古觀象臺位置緊鄰建國門地鐵站西南出口。放慢腳步，走進(jìn)古觀象臺的院落，一個古樸、厚重的世界就此呈現(xiàn)在來訪者的面前。
古觀象臺高約14米，臺頂東西長23.9米，南北寬20.4米。臺基比臺頂寬，最初臺基用黃土夯筑，后來四周砌磚。
歲月侵蝕的磚砌臺階，幾百年間，不知有多少學(xué)者從這里走過。
拾級而上，只見高臺上安放著8件大型銅制天文儀器，造型各異，透著歷史的厚重。為保護(hù)文物，古儀前都加了鐵欄。但有說明標(biāo)牌在，游人便能對各件古儀的功能清晰明了。
紫微殿乾隆手書“觀象授時”匾額。戴吾三 攝
高臺北望，左斜對面建國門內(nèi)大街北邊的高樓是中國社會科學(xué)院，再往左是北京國際飯店，相機(jī)取景框里古今建筑交相輝映，構(gòu)成別樣的時空。
走下高臺，進(jìn)入主院。這里曾是古代天文官員的辦公區(qū)，如今，作為正殿的紫微殿已被開辟為第一展廳，展示中國歷史上的天文學(xué)成就和重要天文儀器的復(fù)制品。紫微殿中，懸掛著乾隆皇帝手書“觀象授時”匾額。另外還有第二、第三展廳，分別介紹古觀象臺的歷史和有關(guān)近代天文學(xué)在中國的傳播歷程。
展示中國古代天文學(xué)的成就，前面是登封觀星臺縮微模型，后面是水運儀象臺縮微模型。戴吾三 攝
主院落不大，古槐蔭濃。在第二、第三展廳前分別立有耶穌會士南懷仁和湯若望的半身塑像。他們300多年前跨洋來華，面臨的種種困難可想而知。
再按指引，到觀象臺正南邊。松柏環(huán)繞著一片開闊的草坪，中間安放有按原尺寸復(fù)制的青銅簡儀、渾儀，草坪南邊安放同樣按原尺寸復(fù)制的玲瓏儀。草坪北面立有古代科學(xué)家沈括的塑像，南面立有元代科學(xué)家郭守敬的塑像，令人肅然起敬。
南懷仁，1659年來華，精研天文歷法，康熙親政后任命他為“治理歷法臣”，執(zhí)掌欽天監(jiān)。戴吾三 攝
飽含前人的科技智慧
古觀象臺的最大亮點是高臺上的8件天文儀器，如今，它們依然按清代時的格局安放，分別是赤道經(jīng)緯儀、黃道經(jīng)緯儀、地平經(jīng)儀、地平緯儀、紀(jì)限儀、地平經(jīng)緯儀、璣衡撫辰儀和天體儀。其中最具代表性的黃道經(jīng)緯儀、天體儀和璣衡撫辰儀，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作精巧，飽含前人的科技智慧。
黃道經(jīng)緯儀
該儀由南懷仁監(jiān)制，主要用來測量天體的黃道經(jīng)度和緯度以及測定二十四節(jié)氣。
黃道經(jīng)緯儀由三層、四圈構(gòu)成。最外層是子午圈，子午圈內(nèi)有一個通過兩極的極至圈，極至圈與黃道圈連接，交點為夏至、冬至二至點。黃道的南北極由一根鋼軸貫穿，最內(nèi)層的黃道經(jīng)圈可繞軸旋轉(zhuǎn)，各圈上均設(shè)有觀測用的游表。整個儀器由兩根龍柱托起，并以兩根交叉梁支撐，四角均安置有螺栓，可以調(diào)節(jié)水平和升降。
如果測量黃經(jīng)，需要先通過游表對準(zhǔn)一顆距星，并將黃道圈固定，再用另一個游表對準(zhǔn)被測量目標(biāo)，讀出兩者之間的距度。測量黃緯，則需轉(zhuǎn)動黃道經(jīng)圈，調(diào)節(jié)經(jīng)圈上的游表來讀取數(shù)值。
黃道經(jīng)緯儀。戴吾三 攝
南懷仁在設(shè)計時將刻度劃分為360度，每度6格，每格對應(yīng)讀數(shù)為10分。為了讀取更加精確的數(shù)值，他在1度空間內(nèi)劃出一條對角線，通過將斜線均分為10等分，解決了一度內(nèi)刻度劃分不均、讀數(shù)困難的問題，并將刻度精確到了1分。這種截線分割法是對歐洲第谷儀器虛線截線法的改進(jìn)，在南懷仁制造的其他儀器中也可以看到。
天體儀
該儀又稱天球儀，是南懷仁于康熙年間設(shè)計制造的6件儀器之一，脫胎于中國傳統(tǒng)用于展演天象的渾象。該儀不僅可以用來演示周天恒星的運動，查驗星宿中天位置時的時刻，還可以實現(xiàn)對黃道、赤道、地平三種坐標(biāo)系的模擬轉(zhuǎn)換。
天體儀的主體部分是一個直徑6尺、重達(dá)4噸的空心銅球。銅球上鑲嵌有1888顆鎏金銅星，銅星大小對應(yīng)了1~6級星等的差異。銅球上刻有赤道環(huán)和黃道環(huán)。自黃赤升交點始，每隔30度標(biāo)明黃道十二宮的節(jié)點與宮名，每隔15度標(biāo)明二十四節(jié)氣名。銅球兩極安置于子午圈的南北極上，兩極之間貫穿一根鋼軸，銅球可以繞軸旋轉(zhuǎn)。北極位置鑲嵌一個圓形的時盤，時盤可以隨銅球旋轉(zhuǎn)，以指示時刻。子午圈下方則有齒輪帶動齒弧來調(diào)節(jié)緯度，黃道、赤道、地平三種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換由一根1/4圓周的銅弧板完成，上面對應(yīng)有游表和刻度。
天體儀的制作與裝配工藝繁瑣而復(fù)雜，既涉及1888顆星體鑲嵌投影的精確性，需要在碩大的銅球上找尋形心和平衡，又涉及金屬球面的鏇削工藝、零部件的加工精度以及運輸和安裝時要使用滑輪和絞車等。可以說，中國傳統(tǒng)的鑄造工藝與西方的冷加工工藝，在這件天體儀上都得到了充分體現(xiàn)。
若利用黃道經(jīng)緯儀、赤道經(jīng)緯儀和地平經(jīng)緯儀分別測量，那么天體儀就如同一臺計算機(jī)，可以實現(xiàn)三種儀器所得坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換，互相驗證。這大概就是當(dāng)時南懷仁設(shè)計該儀的初衷。但如果只借助一件儀器測量，那么天體儀的轉(zhuǎn)換則可能會將測量誤差放大。不過，多少有些尷尬的是，后人研究發(fā)現(xiàn)，因當(dāng)年工匠的安裝失誤，天體儀一直都無法測定黃緯。
璣衡撫辰儀
該儀作為古觀象臺清制儀器中唯一一件中國傳統(tǒng)的渾儀，擁有多重標(biāo)志性意義。該儀整體高度在八件儀器中最高（3.36米），設(shè)計制作時間最長（10年），裝飾造型最華麗，造價最昂貴。
天體儀。戴吾三 攝
璣衡撫辰儀的用法與傳統(tǒng)渾儀相同，核心功能就是測定天體的赤緯、赤經(jīng)差。而它與傳統(tǒng)渾儀的最大區(qū)別在于將圓周分為了360度，而非中國傳統(tǒng)的365?度。
璣衡撫辰儀脫胎于傳統(tǒng)渾儀，分內(nèi)外中三層：最外層在傳統(tǒng)渾儀中被稱為六合儀，為正立雙環(huán)子午圈和天常赤道圈，但沒有傳統(tǒng)渾儀中的地平圈；中間一層相當(dāng)于三辰儀，分別由赤道經(jīng)圈、游旋赤道圈構(gòu)成，省去了傳統(tǒng)渾儀中的黃道圈；內(nèi)層為四游儀，是夾著窺衡的南北雙環(huán)。璣衡撫辰儀的使用方法與赤道經(jīng)緯儀一樣，可以測定天體的赤經(jīng)和赤緯。然而因相較于傳統(tǒng)渾儀省去了黃道圈和地平圈，故不能直接讀取地平經(jīng)緯和黃道經(jīng)緯度數(shù)。璣衡撫辰儀的刻度精確到1分，且通過在窺衡中增設(shè)十字線，并配備時度表、借弧指時度表、指緯度表、立表、平行立表等輔助照準(zhǔn)配件，照準(zhǔn)誤差大大減小。
從鑄造工藝上看，璣衡撫辰儀采取了范鑄法和失蠟法工藝。合金成分明確要求銅鋅合金比例，純銅約占60%，鋅（倭鉛）約占40%?？上嶋H鑄造中并未嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)規(guī)定，其鑄造工藝甚至不及明代儀器。
從使用磨損情況看，這樣一架精美儀器在清代的使用率并不高。17—18世紀(jì)，歐洲的天文儀器制造技術(shù)和工藝水平有長足的進(jìn)步，相比之下璣衡撫辰儀盡管擁有華麗的外表和昂貴的造價，在科學(xué)上卻失去了先機(jī)。
古觀象臺得以原地保護(hù)
明末清初，天文望遠(yuǎn)鏡和近代天文學(xué)傳入中國。到晚清時，直接沖擊了古觀象臺，傳統(tǒng)天文學(xué)研究的價值被弱化，而其歷史文化價值卻逐漸顯現(xiàn)。作為歷史長河中的重要物質(zhì)遺存，古觀象臺及其擁有的天文儀器受到學(xué)術(shù)界新的關(guān)注。
1912年后，北洋政府教育部選址北京古觀象臺建立中央觀象臺，聘有留學(xué)背景的高魯擔(dān)任臺長。1915年，高魯出版《中央觀象臺之過去與未來》一書，對古觀象臺的歷史沿革做了梳理。1921年，德、法列強(qiáng)劫掠走的天文儀器終回歸祖國，為示慶賀，中央觀象臺決定將古天文儀器開放給大眾參觀。
中華人民共和國成立后，北京古觀象臺移交給北京天文館管理，8件天文儀器被全面檢修，并補(bǔ)配了一些殘損的零部件和紋飾。1956年，陳遵媯先生著《清朝天文儀器解說》，詳細(xì)介紹了古觀象臺天文儀器的基本構(gòu)造和使用方法。
1961年夏，國家制訂京津引水工程規(guī)劃，古觀象臺一度被考慮搬遷。為妥善保護(hù)，有關(guān)部門組織對古觀象臺做了一次詳細(xì)測繪，發(fā)出了中華人民共和國成立以來對古觀象臺的研究先聲。
1962年，天文史家薄樹人撰寫《北京古觀象臺介紹》一文，對古觀象臺的歷史進(jìn)行了梳理，并介紹了古天文儀器的形制和使用方法。
1967年，為修建北京地鐵，建設(shè)部門計劃搬遷古觀象臺。文物專家羅哲文聞訊，隨即聯(lián)系其他專家同事，趕到古觀象臺實地考察，很快起草了《關(guān)于保護(hù)古觀象臺的報告》，上書周恩來總理。報告引起重視，周總理親自找到相關(guān)部門協(xié)調(diào)處理。最終，古觀象臺得以原地保護(hù)，地鐵工程改道繞行。此外，國家再追加經(jīng)費，用以加固古觀象臺的基礎(chǔ)。
1975年，北京古觀象臺聯(lián)合調(diào)查研究小組成立。工作過程中，天文學(xué)家伊世同等人結(jié)合南京所藏古觀象臺銅圭表，發(fā)現(xiàn)了明初量天尺的殘存刻度。據(jù)此，仰儀、正方案等元代天文儀器、沈括《浮漏議》中的宋代漏壺都以此基準(zhǔn)刻度得以復(fù)原，學(xué)術(shù)界評價贊其是重要的發(fā)現(xiàn)和研究。
1979年8月17日凌晨，古觀象臺東北角突然坍塌，幸搶救及時，赤道經(jīng)緯儀和紀(jì)限儀得以保全。此次坍塌事故也成為契機(jī)，進(jìn)一步推動了古觀象臺的全面調(diào)查、研究和修護(hù)。對原址的考察，更清晰地梳理了古觀象臺與元、明、清三朝的古臺規(guī)模與位置。
1982年，北京古觀象臺被公布為第二批全國重點文物保護(hù)單位。1983年，經(jīng)全面修葺的北京古觀象臺重新對外開放。
20世紀(jì)80年代起，白尚恕、李迪等老一輩科技史學(xué)家分別對古觀象臺的儀器進(jìn)行專門研究。比利時學(xué)者何思柏（Nicole Halsberghe）出版《南懷仁的〈新制靈臺儀象志〉》。此后，張柏春以博士論文為基礎(chǔ)出版《明清測天儀器之歐化》，利用第一手中文與西文資料，細(xì)致地討論了歐洲天文儀器技術(shù)的傳入與古觀象臺天文儀器的技術(shù)特征。
璣衡撫辰儀。該儀器極盡奢華，2個立柱上各有5條雕龍裝飾。戴吾三 攝
2005年，潘鼐先生主編出版《中國古天文儀器史（彩圖本）》，對古觀象臺的明清天文儀器做了詳細(xì)的介紹。2008年，陳久金等人出版新著《北京古觀象臺》。
近幾十年來，學(xué)界圍繞古觀象臺的歷史，舉辦了若干學(xué)術(shù)研討和紀(jì)念活動。尤值一提的是，2023年10月，適逢南懷仁誕辰400周年，比利時駐華大使館等機(jī)構(gòu)聯(lián)合在古觀象臺舉辦系列紀(jì)念活動，以緬懷南懷仁這位曾為中西科技文化交流作出過重要貢獻(xiàn)的比利時學(xué)者。
在近500年的觀測歷史中，北京古觀象臺在中國乃至世界天文學(xué)史上發(fā)揮了重要作用，體現(xiàn)出重要的科學(xué)價值。明隆慶六年（1572年）11月8日，司天監(jiān)的官員在這里最早觀測到了東北方閣道星附近的一顆客星；三天后，這顆仙后座超新星又被丹麥天文學(xué)家第谷發(fā)現(xiàn)，并被西方天文學(xué)者稱為“第谷超新星”。同樣，萬歷三十二年（1604年）10月10日司天監(jiān)的官員也在古觀象臺上對“開普勒超新星”進(jìn)行了持續(xù)近一年的觀測。利用古觀象臺的儀器，清代的天文官員完成了兩次大規(guī)模的恒星觀測，并編成了以乾隆九年（1744年）為歷元的《儀象考成》星表，以及以道光二十四年（1844年）為歷元的《儀象考成續(xù)編》星表。前者包括3083顆星的星等、赤道坐標(biāo)值和黃道坐標(biāo)值，后者又增加到3240顆星。直到今天，我們使用的恒星的中文名稱仍然依據(jù)這兩部星表來命名。
北京古觀象臺是世界上使用時間最長的天文臺，它比1667年建立的法國巴黎天文臺早225年，比建于1675年的英國格林尼治天文臺早233年，體現(xiàn)了中國古代人民在天文科學(xué)、冶鑄技術(shù)和工藝美術(shù)等方面的杰出成就，也是近代東西方科技與文化交流的見證，因而具有重要的歷史價值、文化價值和藝術(shù)價值。
本文選自《中國古代科技遺產(chǎn)》，文中所用插圖均來自該書。已獲得出版社授權(quán)刊發(fā)。
原文作者/王吉辰
摘編/何也
編輯/張進(jìn)
導(dǎo)語校對/趙琳
