北宋天文学家如何让天文仪器告别 “冬季罢工”？

在中国古代科技史上，天文仪器的发明与改进一直是衡量时代科技水平的重要标志，它们不仅展现着古人对宇宙的深刻理解，也体现着他们在机械制造领域的卓越智慧。

在漫长的科技发展长河中，张思训（北宋天文学家，今四川省巴中市恩阳区人）以其创制的太平浑仪留下了精彩的一笔。这座仪器不仅解决了当时天文仪器面临的核心技术难题，更为后世的天文仪器发展奠定了重要基础。

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摆脱人力的天文仪器

979年（太平兴国四年，宋太宗赵光义统治时期），张思训向赵光义献上一份天文仪器模型设计图。见其构思精巧，赵光义大为赞赏，立即下令“召工造于禁中”。一年后，这座名为“太平浑仪”的天文仪器被安置在都城汴京（今河南省开封市）文明殿的东鼓楼下。

太平浑仪的出现标志着中国古代天文仪器技术的重要突破。自漏水转浑天仪（东汉时期张衡制）至水运浑天（唐朝僧一行、梁令瓒制），中国的水力驱动天文仪器已有700余年的发展历史。然而，这些装置都面临一个共同的问题——水在冬季会结冰，仪器运转因此变得迟缓，大大降低仪器的准确性和实用性。

针对这一技术瓶颈，张思训独辟蹊径，使用水银（凝固点为零下38.87摄氏度）代替水作为动力源，以保障仪器全年运转的稳定性。这一创举被《宋史·天文志》记载为“今以水银代之，则无差失”，成为机械制造史上的一次重要技术革新。

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巧夺天工的太平浑仪

据《宋史·天文志》记载，太平浑仪“起楼高丈余，机隐于内，规天矩地”，即：整个装置约4米多高，内部机械复杂精妙，整个系统完全实现了自动化运行——“按旧法，日月昼夜行度皆人所运行。新制成于自然，尤为精妙”，展现了张思训在机械制造领域的卓越才能。太平浑仪结构大致可分为3部分：

底部设有“地轮、地足”等驱动系统，以及“横轮、侧轮、斜轮、定身关、中关、小关、天柱”等传动部件。这些组件巧妙配合，将水银的重力转化为匀速旋转运动。

中部为精巧的报时系统，并装有许多木质机械人，分为“十二神”和“七直神”。古代一日分为十二时辰，“十二神”可以“各直（即“值”）一时，至其时则自执辰牌，循环而出”；“七直神”负责报时刻，“左摇铃，右扣钟，中击鼓”（北宋时期实施百刻制，一日均分为100刻，而不是我们现在较为熟悉的96刻——1刻为15分钟）。报时系统的运行十分精细，机械人还能够根据季节变化，自动调整昼夜时长的显示。

顶部是天文演示系统，装有“天顶、天牙、天关、天指、天托、天束、天条”等组件，布列“三百六十五度，为日、月、五星、紫微宫、列宿、斗建、黄赤道”。与传统浑天仪的球面设计不同，太平浑仪采用平面盖天式设计，使观者能够更直观地了解天体位置及变化规律。

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承前启后的技术传承

从发展脉络上来看，中国古代水力驱动天文仪器的发展经历了3个关键节点：漏水转浑天仪、水运浑天和水运仪象台（北宋时期苏颂、韩公廉制）。太平浑仪正是在水运浑天与水运仪象台中起到承前启后的关键作用。

《新仪象法要》中绘制的水运仪象台及其机械结构

1092年（元祐七年，宋哲宗赵煦统治时期），水运仪象台于汴京建成，它高达12米，集浑仪、浑象和报时系统于一体，代表了当时世界上最高的机械技术水平。苏颂（相关知识可见《知识就是力量》2022年7月刊）在《进仪象状》中明确指出，水运仪象台的设计“用一行、思训所说，而增损之也”，直接肯定了张思训的技术贡献。

《新仪象法要》中对张衡、僧一行
和张思训天文仪器的记载

遗憾的是，与《新仪象法要》中详细记录的水运仪象台的结构、原理不同，太平浑仪并未留下任何图纸或详细说明。苏颂曾表示，到了他的时代，太平浑仪“机绳断坏，无复知其法制”，其精密的制作工艺已经失传。但这并不影响太平浑仪在中国古代科技史上的重要地位，它始终是一座重要的里程碑，甚至为全球机械技术发展史留下了浓墨重彩的一笔。

责任编辑｜牛一名 岳焕琦

运营编辑｜岳焕琦
质量审核 | 王维嘉 赵青云
文章来源 | 《知识就是力量》杂志《张思训与“太平浑仪” ——古代天文仪器的革新》，撰文/李亮（中国科学院自然科学史研究所），原文有删改，原创作品转载请注明来源。

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