第一章 天文儀器
中國古代的天文學產生很早，如太陽黑子的觀察，在《漢書·五行志》中記載：「成帝河平元年（前28），三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。」在《晉書·天文志》中也有記載：「永寧元年（301）九月甲申，日中有黑子。」中國古代天文學發展迅速，且與中國古代的曆法相關。天文觀測，不僅為曆法服務，也為皇家效力。在天文觀測中，單憑人眼難以觀測到宇宙的深處，也不能使觀測精準，人善假於物，於是發明了許多天文儀器，這些儀器不僅可以觀天，也可在地上模擬天象，以便觀測計算。中國歷代都十分重視天文觀測，在朝專科門設立司天監、欽天監等機構，專司天文觀測。民間也有不少天文愛好者，為農業生產、日常生活服務，創造發明了不少天文儀器，有力地促進了天文學的發展，也為精準造曆奠定了堅實的基礎。這裡介紹的天文儀器，大型的以清代製造的「銅質八大件」為主；小型的天文儀器種類繁多，列有圭表、日晷、御製銅鍍金星晷儀等。
1. 圭表
圭表，也叫土圭，古代測量日影長度以定方向、節氣和時刻的天文儀器。圭表由兩部分組成：表，直立的標竿；圭，平臥的尺。表放在圭的南、北端，並與圭相垂直。圭表用以測量連續兩次日影最長或最短之間所經歷的時間，以定迴歸年長度，成為編曆的重要儀器。
古人發現：當太陽照在樹枝上時，地上有影子，影子的長短隨一天的時間和一年四季的變化而變化，於是發明了圭表，同時產生了許多「經驗之談」，如「日長一線」，宋代歐陽脩《漁家傲》中有「初日已知長一線」之句，意思是說冬至以後，白晝漸長。還有「一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰」，「陰」指日影，用「寸金」來衡量「寸光陰」，是說時間的可貴。
圭表，在甲骨文中已有記載。春秋時，古人使用圭表測量時間。《周禮·春官·典瑞》：「土圭以致四時日月，封國則以土地。」東漢經學家鄭玄注曰：「以致四時日月者，度其景至不至，以知其行得失也。冬夏以致日，春秋以致月。」鄭玄又注曰：「土地，猶度地也。封諸侯，以土圭度日景，觀分寸長短，以制其域所封也。」可見古代封建諸侯還用土圭丈量他們的封地。
圭表使用中最重要的是表影長度的讀取，鄭玄以為夏至日正午，日影長度差一寸，兩地相差一千里。學者錢玄（1910—1999）說：「據後人精確推測，差一寸，則地偏南或偏北為一百三四十里，鄭說不確。」
對圭表日影長度讀取作出重大貢獻的是元代大科學家郭守敬。
郭守敬（1231－1316），字若思，順德邢臺（今屬河北）人，元代天文學家、水利學家、數學家。他曾任都水監、太史令、昭文館大學士、知太史院事等，修治了許多河渠，與王恂、許衡等編制《授時曆》，創造和改進了簡儀、仰儀、高表、候極儀、景符和窺几等十餘種觀測天象的儀器，以及玲瓏儀、靈臺水渾等演示天象的儀器。他在全國設立多個觀測站進行大地測量，重新觀測二十八宿以及一些恆星的位置，測定的黃赤交角達到較高精確度。著有《推步》、《立成》、《曆議擬稿》、《儀象法式》等著作14種，共105卷。
立表測影，表的高度一般有8尺，到了元代，郭守敬做了很大的改進，首創高表，把表身做成碑柱形，並增加到36尺，在表頂再用兩條龍抬著一根直徑3寸的橫梁，從梁心到圭面共40尺，這樣，使梁影到表底的距離等於8尺表表影的五倍，使高表的相對誤差僅是8尺表的五分之一，也就是將測量的精確度提高了五倍。
元末明初的葉子奇在《草木子》中也對這一做法予以肯定：
歷代立八尺之表，以量日景，故表短而晷景短，尺寸易以差。元朝立四丈之表，於二丈折中開竅，以量日景，故表長而晷景長，尺寸縱有毫杪之差則少矣。
但是高表增加了觀測表影模糊的問題。為此，郭守敬又發明了「景符」，我們將在第八章的光學儀器中介紹。
用來測定投在圭表上日影長度的是表影尺。表影尺南北放置是因為地球的赤道平面與黃道平面有23°26′的交角，要使日影投在圭表表面正中，圭表必須南北放置，太陽從東方升起時，表影正好落在表影尺上，且與表影尺平行並處於其正中。
表影尺測定的是真太陽時，又稱視時，是一種時間計量系統。某地的真太陽時，以太陽視圓面中心對於該地子午圈的時角來量度，並以太陽視圓面中心在該地上中天的瞬間作為真太陽時零時，真太陽時的基本單位是真太陽日，下面要介紹的日晷表示的時刻即為真太陽時。
2. 日晷
日晷，也叫「日規」，是土圭的發展，由晷盤和晷針組成。晷盤是一個有刻度的盤，大多由石頭鑿成，裝置時平行於赤道平面，傾斜地放置；晷針是金屬針，按南北方向，與地球自轉軸平行，裝置在晷盤中央。它是利用晷針投出的日影方向和長度以測量真太陽時的儀器，晷針的日影隨太陽運轉而移動，在晷盤上指示的不同位置表示不同的時刻。
日晷的晷盤平行於赤道平面，這是改善日晷性能的關鍵一步，使晷針的日影隨太陽的運轉而移動，影子的運動速度很均勻，並與晷盤上時間的刻度一致。有一種地平式日晷（也叫水平式日晷），晷盤與地平面平行，晷針的日影在晷盤上分佈不均，根據日影隨時間變化的實際情況來進行刻劃，這顯然是不方便的。
西晉文學家左思寫過一篇《魏都賦》，其中有「揆日晷，考星耀」，這說明當時日晷已流行使用。《隋書·天文志》記載，開皇十四年（594），鄜州司馬袁充曾發明過地平式日晷，也叫短影平儀。南宋人曾敏行（1118－1175）在他的《獨醒雜志》卷二記載他的族人曾瞻民發明了一種晷影圖，其結構與赤道日晷基本相同，晷盤用木製成。明末清初，各國傳教士紛紛來華，帶來了西方使用的各種日晷。明代天啟年間（1621—1627），陸仲玉著《日月星晷記》，介紹各種日晷的製作方法。清代學者劉獻廷在他的《廣陽雜記》卷二中記述：
楊升菴云：《史記》旁羅日月星辰，《文選·陸佐公新刻漏銘》：「俯察旁羅，升臺登庫。」《尚書·考靈曜》云：「冬至十月，在牽牛一度。求昏中者取六項，加三旁蠡，順除之。」鄭元注曰：「盡行十二項，中正而分之，左右各六項也。『蠡』，猶『羅』也。昏中在日前，故言順數也；明中在日後，故言卻也。」據此則「旁羅」乃測天之器。如今之日晷地羅也。十二項者，十二時分為十二方也。此可補《史記》注之遺。此說有據，而晦伯非之。「傍羅」為測器，即不可以證《史記》。而今人名向盤曰羅經，則確本之此也。余謂十二項，即十二向也。
如果「旁羅」即日晷的字盤，中國關於日晷的最早記載應是在漢代了。
蘇聯Φ·C·扎維里斯基在他的《時間及其計量》中，認為日晷是波斯（即今伊朗）人帕羅芝在紀元前五百多年發明的。
3. 渾儀
渾儀，也叫渾天儀，是中國古代測定天體位置的一種儀器。儀器的支架上固定兩個相互垂直的圈（地平圈和子午圈），其內還有若干個可繞地軸平行轉動的圈，分別代表赤道、黃道、時圈、黃經圈等。在可轉動的圈上，附有繞中心旋轉的窺管，用以觀測天體。現陳列在南京紫金山天文臺的渾儀，為明朝正統年間（1437—1442）所造。中國最早的渾儀係西漢時天文學家落下閎創製。落下閎，複姓落下，名閎，字長公，巴郡閬中（今屬四川）人，精通天文，擅長曆算，受漢武帝徵聘，官居太史待詔。他曾與鄧平、唐都等創制《太初曆》，測定過二十八宿赤道距度（赤經差），並首先提出交食週期，以135個月為朔望之會。
中國古代的天文學產生很早，如太陽黑子的觀察，在《漢書·五行志》中記載：「成帝河平元年（前28），三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。」在《晉書·天文志》中也有記載：「永寧元年（301）九月甲申，日中有黑子。」中國古代天文學發展迅速，且與中國古代的曆法相關。天文觀測，不僅為曆法服務，也為皇家效力。在天文觀測中，單憑人眼難以觀測到宇宙的深處，也不能使觀測精準，人善假於物，於是發明了許多天文儀器，這些儀器不僅可以觀天，也可在地上模擬天象，以便觀測計算。中國歷代都十分重視天文觀測，在朝專科門設立司天監、欽天監等機構，專司天文觀測。民間也有不少天文愛好者，為農業生產、日常生活服務，創造發明了不少天文儀器，有力地促進了天文學的發展，也為精準造曆奠定了堅實的基礎。這裡介紹的天文儀器，大型的以清代製造的「銅質八大件」為主；小型的天文儀器種類繁多，列有圭表、日晷、御製銅鍍金星晷儀等。
1. 圭表
圭表，也叫土圭，古代測量日影長度以定方向、節氣和時刻的天文儀器。圭表由兩部分組成：表，直立的標竿；圭，平臥的尺。表放在圭的南、北端，並與圭相垂直。圭表用以測量連續兩次日影最長或最短之間所經歷的時間，以定迴歸年長度，成為編曆的重要儀器。
古人發現：當太陽照在樹枝上時，地上有影子，影子的長短隨一天的時間和一年四季的變化而變化，於是發明了圭表，同時產生了許多「經驗之談」，如「日長一線」，宋代歐陽脩《漁家傲》中有「初日已知長一線」之句，意思是說冬至以後，白晝漸長。還有「一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰」，「陰」指日影，用「寸金」來衡量「寸光陰」，是說時間的可貴。
圭表，在甲骨文中已有記載。春秋時，古人使用圭表測量時間。《周禮·春官·典瑞》：「土圭以致四時日月，封國則以土地。」東漢經學家鄭玄注曰：「以致四時日月者，度其景至不至，以知其行得失也。冬夏以致日，春秋以致月。」鄭玄又注曰：「土地，猶度地也。封諸侯，以土圭度日景，觀分寸長短，以制其域所封也。」可見古代封建諸侯還用土圭丈量他們的封地。
圭表使用中最重要的是表影長度的讀取，鄭玄以為夏至日正午，日影長度差一寸，兩地相差一千里。學者錢玄（1910—1999）說：「據後人精確推測，差一寸，則地偏南或偏北為一百三四十里，鄭說不確。」
對圭表日影長度讀取作出重大貢獻的是元代大科學家郭守敬。
郭守敬（1231－1316），字若思，順德邢臺（今屬河北）人，元代天文學家、水利學家、數學家。他曾任都水監、太史令、昭文館大學士、知太史院事等，修治了許多河渠，與王恂、許衡等編制《授時曆》，創造和改進了簡儀、仰儀、高表、候極儀、景符和窺几等十餘種觀測天象的儀器，以及玲瓏儀、靈臺水渾等演示天象的儀器。他在全國設立多個觀測站進行大地測量，重新觀測二十八宿以及一些恆星的位置，測定的黃赤交角達到較高精確度。著有《推步》、《立成》、《曆議擬稿》、《儀象法式》等著作14種，共105卷。
立表測影，表的高度一般有8尺，到了元代，郭守敬做了很大的改進，首創高表，把表身做成碑柱形，並增加到36尺，在表頂再用兩條龍抬著一根直徑3寸的橫梁，從梁心到圭面共40尺，這樣，使梁影到表底的距離等於8尺表表影的五倍，使高表的相對誤差僅是8尺表的五分之一，也就是將測量的精確度提高了五倍。
元末明初的葉子奇在《草木子》中也對這一做法予以肯定：
歷代立八尺之表，以量日景，故表短而晷景短，尺寸易以差。元朝立四丈之表，於二丈折中開竅，以量日景，故表長而晷景長，尺寸縱有毫杪之差則少矣。
但是高表增加了觀測表影模糊的問題。為此，郭守敬又發明了「景符」，我們將在第八章的光學儀器中介紹。
用來測定投在圭表上日影長度的是表影尺。表影尺南北放置是因為地球的赤道平面與黃道平面有23°26′的交角，要使日影投在圭表表面正中，圭表必須南北放置，太陽從東方升起時，表影正好落在表影尺上，且與表影尺平行並處於其正中。
表影尺測定的是真太陽時，又稱視時，是一種時間計量系統。某地的真太陽時，以太陽視圓面中心對於該地子午圈的時角來量度，並以太陽視圓面中心在該地上中天的瞬間作為真太陽時零時，真太陽時的基本單位是真太陽日，下面要介紹的日晷表示的時刻即為真太陽時。
2. 日晷
日晷，也叫「日規」，是土圭的發展，由晷盤和晷針組成。晷盤是一個有刻度的盤，大多由石頭鑿成，裝置時平行於赤道平面，傾斜地放置；晷針是金屬針，按南北方向，與地球自轉軸平行，裝置在晷盤中央。它是利用晷針投出的日影方向和長度以測量真太陽時的儀器，晷針的日影隨太陽運轉而移動，在晷盤上指示的不同位置表示不同的時刻。
日晷的晷盤平行於赤道平面，這是改善日晷性能的關鍵一步，使晷針的日影隨太陽的運轉而移動，影子的運動速度很均勻，並與晷盤上時間的刻度一致。有一種地平式日晷（也叫水平式日晷），晷盤與地平面平行，晷針的日影在晷盤上分佈不均，根據日影隨時間變化的實際情況來進行刻劃，這顯然是不方便的。
西晉文學家左思寫過一篇《魏都賦》，其中有「揆日晷，考星耀」，這說明當時日晷已流行使用。《隋書·天文志》記載，開皇十四年（594），鄜州司馬袁充曾發明過地平式日晷，也叫短影平儀。南宋人曾敏行（1118－1175）在他的《獨醒雜志》卷二記載他的族人曾瞻民發明了一種晷影圖，其結構與赤道日晷基本相同，晷盤用木製成。明末清初，各國傳教士紛紛來華，帶來了西方使用的各種日晷。明代天啟年間（1621—1627），陸仲玉著《日月星晷記》，介紹各種日晷的製作方法。清代學者劉獻廷在他的《廣陽雜記》卷二中記述：
楊升菴云：《史記》旁羅日月星辰，《文選·陸佐公新刻漏銘》：「俯察旁羅，升臺登庫。」《尚書·考靈曜》云：「冬至十月，在牽牛一度。求昏中者取六項，加三旁蠡，順除之。」鄭元注曰：「盡行十二項，中正而分之，左右各六項也。『蠡』，猶『羅』也。昏中在日前，故言順數也；明中在日後，故言卻也。」據此則「旁羅」乃測天之器。如今之日晷地羅也。十二項者，十二時分為十二方也。此可補《史記》注之遺。此說有據，而晦伯非之。「傍羅」為測器，即不可以證《史記》。而今人名向盤曰羅經，則確本之此也。余謂十二項，即十二向也。
如果「旁羅」即日晷的字盤，中國關於日晷的最早記載應是在漢代了。
蘇聯Φ·C·扎維里斯基在他的《時間及其計量》中，認為日晷是波斯（即今伊朗）人帕羅芝在紀元前五百多年發明的。
3. 渾儀
渾儀，也叫渾天儀，是中國古代測定天體位置的一種儀器。儀器的支架上固定兩個相互垂直的圈（地平圈和子午圈），其內還有若干個可繞地軸平行轉動的圈，分別代表赤道、黃道、時圈、黃經圈等。在可轉動的圈上，附有繞中心旋轉的窺管，用以觀測天體。現陳列在南京紫金山天文臺的渾儀，為明朝正統年間（1437—1442）所造。中國最早的渾儀係西漢時天文學家落下閎創製。落下閎，複姓落下，名閎，字長公，巴郡閬中（今屬四川）人，精通天文，擅長曆算，受漢武帝徵聘，官居太史待詔。他曾與鄧平、唐都等創制《太初曆》，測定過二十八宿赤道距度（赤經差），並首先提出交食週期，以135個月為朔望之會。
