明末欧洲式天文仪器的试制与使用，本文主要内容关键词为：明末论文,欧洲论文,天文论文,仪器论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：P111.1文献标识码：A
文章编号：1000—0798（2000）01—0075—08
《中国科技史料》第21卷 第1期（2000年）：75～82
China Historical Materials of Science and Technology Vol.21 No.1（2000）
明朝，天文学陷于停滞。在正统年间仿制元朝留下的简仪和浑仪之后，明朝在天文仪器方面很少有什么作为。到16世纪末欧洲传教士开始进入中国内地。明末，传教士发现了中国传统仪器的不足，向中国人介绍了欧洲的天文仪器（注：关于罗雅谷、汤若望等传教士介绍的天文仪器，参见笔者的《〈崇祯历书〉描述的欧洲天文仪器》，《中国科技典籍研究——第二届中国科技典籍国际会议论文集》，大象出版社，1999年。）。本文主要讨论欧式仪器的早期试制和使用情况。
1 欧洲式仪器的试制
意大利人利玛窦（Matteo Ricci,1552～1610 ）是最先在中国介绍和试制小型欧洲式天文仪器的传教士。他于1578年离开欧洲，1582 年8月抵澳门。这时，第谷的仪器专著尚未问世。
他在肇庆刊印《山海舆地全图》之后，着手用铜和铁制作天球仪与地球仪，把铜日晷之类的仪器送给与他交往的官员（[1]，182页）。据说，地球仪和天球仪肯定是按照罗马天主教长老会的式样制作的[2]。在韶州、南昌、南京等地，他向官员赠送或制作天球仪、地球仪、钟表、日晷、星盘、象限仪和纪限仪等，指导求教者制作天文仪器，还用星盘和其它仪器测定一些地方的地理位置，用象限仪测塔的高度和山谷的深度等（[1]，7、349、352页）。瞿太素师从利玛窦，在韶州用木、铜和银试制天球仪、星盘、象限仪、日晷等仪器（[1]，247页）。
1598年，利玛窦在南昌结识了南京礼部尚书王忠铭。王忠铭答应带利玛窦去北京，校正历法中的错误（[1]，272页）。王没能实现他的承诺，但也许正是这件事才促使利玛窦注意中国的历法问题，并为修历搜集天文学书籍。1599年，利玛窦在南京北极阁参观了浑象、浑仪和简仪等。1600年，他在南京结识了中国学者徐光启（1562～1633年）。
1601年利玛窦等教士终于获得了在北京的居住权。虽然万历帝对他为明朝“制器观象”的意向未予理睬，但他和几位教士仍耐心地扩大欧洲天文学的影响。1604年，徐光启考中进士，在北京又与利玛窦交往，讲求西学。他俩合译的《几何原本》（Euclid,Sto-icheia）前六卷和《测量法义》，为人们提供了新的几何学和测量方法[3]。另外， 在李之藻（1565～1630年）的帮助下，利玛窦在1605年编成《乾坤体义》，向读者讲述关于天球和地球的知识。李之藻还为自己制作了天球仪、地球仪和星盘。利玛窦曾在南昌、北京预测过日食或月食，但对推算行星位置和轨道等却感到力不从心。于是，他在1605年5月12 日写信请求罗马方面派“会制定行星逐日行程表”的人来中国[4]。
北京观象台的旧仪器年久失修，且刻度和结构设计与西法不够协调。传教士带来的小型仪器难以满足修历的精度需要。于是，徐光启在1629年9月8日提出修造仪器的设想：一是修整观象台的中国旧式仪器，二是制造新仪器。为了节省费用，可同时使用铜和廉价的木材制造新仪的小样[5]。5天后，他提出《急用仪象十事》，请求制造下列10种仪器：
6架七政象限大仪，8尺，铜边木架；
3架列宿纪限大仪，8尺，铜边木架；
3架铜平浑悬仪（星盘），圆径8寸，厚4分；
1架交食仪，用铜木料；
1架列宿经纬天球仪，用木料油漆；
1架万国经纬地球仪；
3具节气时刻平面日晷（石制）；
3具节气时刻转盘星晷（铜制）；
3架候时钟（铁制自鸣钟）；
3架测候七政交食远镜（窥筒，望远镜）。
徐光启强调，小者全用铜铁，其余暂用木制，以后改用精铜铸造，“以垂永久”（[5]，14～15页）。这些仪器都是西式的，显然， 这个计划参考了传教士邓玉函（Johann Terrenz，1576～1630）、 龙华民（Niccolò Longobardo，1559～1654）的建议。平浑悬仪应当是一种星盘。交食仪似乎是演示地、日、月等天体运动关系的三球仪[6]。
利玛窦制作仪器，目的是为了扩大传教士的影响和进行一般性的观测。历局成立以后，传教士及其合作者的仪器制造主要是为修历提供合用的观测工具。那么，实际制造情况如何呢？
1629年11月13日，徐光启请求朝廷为仪器工料增拨经费，文中使用了“仪器”这个词。他说，本年9月7日就“选用知历人并匠役等制造仪器”，11月7日前已经把制成的三架大仪安置到历局， 余者在制造之中（[5]，16页）。三架大仪包括两架象限仪和一架纪限仪， 是邓玉函和陈于阶等人制造的木铜混合装置[7]。徐光启称，邬明著、 陈于阶“思精推测，巧善绘制”（[7]，428页）。 邓去世后， 传教士罗雅谷（Giacomo Rho，1590～1638）、汤若望（Johann Adam Schall von Bell，1592～1666）负责指导仪器的设计制造。
造小仪器比较容易；造大仪器比较难，成本高。1631年12月28日，徐光启奏报，已经制成观测日食的小仪两具，另为造大仪制就了木模，但铸大仪所需的千余（银两）铜料和百余两工价尚无着落（[7]，398页）。徐光启在1632年6月28日的奏疏中报告，历局所用的日晷、星晷、窥筒“体制甚小，工作尤粗”，建议制造大的晷器（[7]，415～416页）。崇祯帝批准了他的建议。所谓“窥筒”，系指从欧洲带来的小型望远镜。
明《纪事本末》记载，1634年12月或次年1月（冬十一月）日晷、星晷仪器告成，罗雅谷、汤若望在历局造象限悬仪、平面悬仪、象限立运仪、象限座正仪、象限大仪、三直游仪等六仪。又据1635年1月21 日的费用报告，这时历局已经制造2架象限大仪、1架纪限大仪、1具石晷、1具星晷、1具漏壶、1架铜弧矢仪、1架铁弧矢仪、1架铜象限仪、1具罗经和1架地平仪（[5]，56页）。其中，象限大仪和纪限大仪应当是邓玉函带领陈于阶等人制造的那三架大仪。铜象限仪和其它象限仪可能是罗雅谷、汤若望造的小型装置。石晷可能是日晷。
1637年12月10日，李天经（1579～1659年）总结接任徐光启的职务以来的工作时说，前后已经译算历书140余卷，制造新式仪器十几种（[5]，98页）。《新法表异》卷下称：
“新法增置者曰：象限仪、百游仪、地平仪、弩仪、天环、天球、纪限仪、浑盖简平仪、黄赤全仪、日星等晷诸器，或用推诸曜，或用审经纬，或用测极，或用求时，尽皆精妙。而其最巧奇则所制远镜，更为窥天要具。”[8]
其中，“百游仪”可能是一种调整灵便的纪限仪。这些仪器可能多用木材制作。
人们把许多精力放在西法与中法推算的优劣争论与测验上，加上资金投入的不足，以至欧式仪器的制造进展不快。
值得注意的是，“黄赤经纬仪”或“黄赤全仪”是《急用仪象十事》中未列的仪器，但它常被传教士使用。1634年10月25日，火星、土星同度。由于灵台官生不熟悉历局的黄赤经纬仪，李天经与罗雅谷、汤若望等到观象台，令监台官用简仪观测（[5]，48～50页）。 因为黄赤经纬仪设在历局，且不为观象台工作人员所熟悉，所以它肯定是一种西式观测仪器。
1635年9月23日，李天经会同钦天监人员到历局先用黄赤经纬仪，登台测得木星与轩辕大星在同一线（[5]，72页）。 “登台”可能不是指登观象台。次年的一份报告再次提到使用这种仪器。
1637年6月13日，李天经提出要为皇帝制作“为用甚大，需费无多”的黄赤经纬全仪（简称“黄赤全仪”），将它与日晷、星晷并列东西，以使“测量诸器尽置内廷”（[5]，96页）。 汤若望等监造的仪器结构特点是：
“设有南北二级，极用龙柱高擎。枢从颔珠而出，中载子午一圈，圈中络以黄赤二道。下施窥测，上合天行，或昼或夜，可以随时运旋而不息也”（[5]，114～115页）。
它的主要零部件尺寸是：
大龙柱，高四尺九寸五分；
小龙柱，高二尺；
子午圈及黄道赤道二圈，全径俱广三尺四寸五分；
其径圈居黄赤道圈内，全径广三尺二寸三分；
时盘，径广一尺；
石座，南北长六尺九寸，阔三尺二寸，厚七寸。（[5]，114 ～115页）
因“仪体重大”，故冶铸费时颇多。1639年7月制造告竣，9月准备进呈，12月赴中正殿预砌台基、安置，附《黄赤全仪用法》一册（[5]，117～118页）。它的设计依据应当是《浑天仪说》卷五中的《黄赤全仪说》。由于未找到更详细的记载，我们还不知道它的刻度情况，估计它采用了360°刻度制。
李天经等还为皇帝制造了演示仪器。1636年6月1日，他们依汤若望的方法，已完成《浑仪书》四卷、星球一具、浑天仪一具（[5]， 85页）。它们将被安置在宫中，供皇上御览。星球就是演示群星出没的天球仪。浑天仪当指演示浑仪。
最令中国人感兴趣的欧洲仪器当是望远镜。
2 望远镜的改造和试制
汤若望曾向人们展示了从欧洲带来的仪器，1629年刊印了他的《远镜说》。据《帝京景物略》（1635年）记载，北京天主堂内展有“远镜，状如尺许竹笋，抽而出，出五尺许，节节玻璃，眼光过此，则视小大，视远近”。这件展出的望远镜很可能是1619年邓玉函、汤若望和罗雅谷等人带入中国的。
1629年9月徐光启在《急用仪象十事》中计划制造3架望远镜。但是，没有材料能说明望远镜制造的起始时间和具体进展情况，估计历局一时还顾不上制造望远镜。1631年10月有历局用望远镜观测日食的记载（[9]，266页），观测者所用的两架望远镜应当是传教士从欧洲带来的成品。
1632年11月22日，徐光启在奏疏中称，要为皇帝装一架望远镜（[5]，27～28页）。这个计划在徐光启去世后仍在实施之中。1634年11月3日，望远镜“鸠工已毕，旦暮进呈”（[5]，48～50页）。是年12 月19日，李天经题：
“……若夫窥筒，亦名望远镜，……此则远西诸臣罗雅谷、汤若望等从其本国携来而葺饰之，所以呈览者也。”（[5]，52～54页）
12月22日，李天经奏报，要向皇帝进献刚制成的日晷、星晷。同月28日又进献望远镜及其所附镀金镜架和黄铜附件（[5]，53页）。 两位传教士奉命入宫安装仪器，皇帝后来用这架望远镜观测过日食、月食。由此可以断定，这架最先完成并进呈的望远镜是对欧洲产品加以改造“葺饰”而成的，在中国造的零件属于辅件。它原来也许只是一架较大的折射式望远镜，经汤若望等人改造后成了适合于做天文观测的工具。李天经进献之前的活动表明，他们是在1634年12月23日准备好望远镜的[10]。
1635年8月24日，历局奉旨制造两架望远镜。汤若望、 罗雅谷等利用从欧洲带来的玻璃，星夜赶制。9月19日， 李天经奏报已经造完望远镜，准备连同镜架等附件进呈（[5]，67～68页）。
明亡时，汤若望等教士保存了多件测量天象的仪器，而“由西洋带来者居多”[11]。1644年6月27日， 汤若望以“修政历法”的身份向顺治帝报告了在明朝修历的情况，称“十余年来著成创法阐理诸书一百四十余卷，制就星球、星屏、地平日月星晷与夫窥筒机巧等器，尽进御前内廷”（[12]，860页）。同年7月25日，他向顺治帝奏报对9月1日日食的预推结果，称正在补造望远镜和日晷：
“昨闻臣等进用诸器尽遭流寇所毁，目今交食伊迩，则测验无器。何凭？……惟有臣制窥远镜及地平日晷二器，于日食时用远镜觇其亏复食分，用日晷可以考其亏复时刻。倘临期不依此法窥测，则各法之食分多寡与时刻先后不同之数，又安能证定其疏密哉？臣以晓夜拮据，拟将需用定时、窥测之器另行制造数种进呈撍览。方在精工缮制，不日可以告成。……”（[12]，861～863页）
次日，皇帝下旨：“其窥测诸器速造进览。”汤若望等人已经有制造望远镜的经验，补造一架主要具有放大功能的望远镜并不太困难。同年8月10日，汤若望上奏，已经制成天球仪、日晷和望远镜：
“臣殚力精工，悉心料理，今已捐赀制就浑天星球一座、地平日晷并窥远镜各一具。其球上所刻星宿俱按经纬度数点定，各各悉能肖天。至求北极出地高低与各星出没真实时刻等项，无烦再事推算，可以运旋即得也。其地平日晷……
计开：
浑天银星球一座（时盘并指时针全）
镀金地平日晷一具（三角形表并罗经针全）
窥远镜一具（置镜铜架并螺丝转架各一、木立架一、看日食绢纸壳二）
舆地屏图六幅
《诸器用法》一册”（[12]，864～865页）。
顺治帝次日批示：“这测天仪器，准留览。”很明显，这些仪器是供皇帝在宫中使用的。望远镜的结构和尺寸不详。天球仪是银制的，它的尺寸应当比较小。我们以为，汤若望的举动主要是为了讨好皇帝，使他相信西法比钦天监的旧法精确并允许传教士在华活动。
1644年11月13日，汤若望上奏，再次请求刊刻历书，并依新法添造地平经纬仪等观测工具：
“……臣等拟欲请制急用者三器，如浑天星球及地平经纬与黄赤全仪，以为测验七政会合冲照之用。以上书器为费无多，或敕该部措办，或听臣局劝输，陆续造完应用，以成一代鸿谟，以垂万年法式。”（[12]，883页）
顺治帝命礼部“一并看了来说”。12月7日， 礼部要求开报物料工价。汤若望估计，造黄赤全仪、天球仪的费用“止有千余金”，造地平经纬全仪的工价约增十分之五；若竭力节省，所费约千余金（[12]，889～890页）。仪器是否造成，未见记载，也没有实物留下来。有可能不了了之了。
根据有关制造和使用的文献描述，我们相信邓玉函、汤若望和罗雅谷主持制造的装置多为小型仪器，或者是便于搬运、安装、调整的中型仪器，有的还是简易仪器。他们很可能未曾制成大型的全金属观测仪器。对观象台遗迹的考察也表明，当时台上未增加常设的大型仪器[6]。
再者，汤若望时期的著作对所造仪器的结构描述不够详细，对制造工艺谈论很少或略而不提。无疑，他们有时需要中国工匠的帮助，还要兼顾中国的天文学传统和文化特点。比如，传教士和他们的中国合作者在仪器上刻画了二十八宿、二十四节气这样的标记，用汉字标数字。
传教士和他们的中国伙伴究竟用这些仪器做了些什么工作，取得了哪些成果？
3 欧洲式仪器的使用
虽然明清两朝愿意采用西法修历，但对西法的考验却持续不断。考验的主要方式是观测预推的日食和月食，北京的观测场所主要有观象台、历局、南堂和织女桥畔的内灵台，甚至还有郊外畅春园。
1631年10月25日，徐光启和历局人员“于历局测日食，用镜二具，一在室中，一在露台。两处所测食分俱得一分半（径分十分）”，经换算得“一分四十二秒，正合于所算食分矣”（[9]，266～267页）。这是中国天文机构首次用望远镜观测日食。11月8 日又用这种仪器观测月食。此后，望远镜的使用成为惯例。历局所用的望远镜可分辨相距半度（30分）以内的两颗星（[5]，50页）。桥本敬造认为， 传教士用的望远镜可能是带有开普勒式天文望远镜的装置，而不是视区仅7′15″的伽利略式望远镜[13,14]。
在添置欧洲式仪器的同时，钦天监仍未放弃原有的中式仪器，中式与欧式仪器兼用的情况持续到1643年以后。《崇祯历书》记录了下列观测实例：
1639年10月12日，李天经、汤若望等登台观候月食，用新法黄赤全仪，测月体，测毕宿、火星（[5]，116～117）。 他们所用的全仪应当不是宫中那架。
1640年12月21日，冬至，旧法用圭表，测得午景长一丈六尺七寸五分；新法用象限仪，测得午正日高26°33′（[5]，123～124页）。
1641年4月25日，月食。李天经、汤若望等赴观象台用黄赤经纬、简仪等器观测月食，证明新法的推算比旧法准确（[5]，125～126页）。当时用立运仪测得月体高二十四度。9月27日，奉旨御前新测， 即用新法黄赤仪器测定极准时刻。以后再发生日食时，复用黄赤仪。
由于用“罗经小器”不足得天上真子午，改用“悬挂浑仪”、定方铜仪等，使之合真子午，用以测时方准。为了观测预测的日食，李天经在1641年10月29日建议，命汤若望等审定安妥黄赤仪、地平日晷，兼用望远镜，窥日食的食甚、极准时刻等（[5]，128～129页）。
1641年11月3日，日食。因阴天，日晷等仪器难以取影， 故李天经等人用简仪。同日，传教士和历局官生到礼部同测，使用了悬挂浑仪和望远镜（[5]，134页）。
1643年3月20日，李天经等赴观象台，用简仪、 新法赤道日晷和望远镜测日食。其分秒时刻、起复方位，皆与历局新法所推密合（[5]，138～139页）。
入清以后，汤若望等人沿用了明末留下的仪器。1644年9月1日，日食，朝廷要通过观测来比较3种历书推算的精确程度。 汤若望“携远镜并黄赤全仪等器”，“前赴观象台，如法测验”。观测者“将台上璇玑玉衡[指简仪等器]及远臣新法仪器对正妥当，复调理刻漏如法”，开始观测。结果，“《大统历》差有一半，《回回历》差有一个时辰，惟《西洋新法》分秒时刻纤忽不差”（[12]，870～874页）。朝廷接到内院大学士冯铨9月2日的奏报后，下决心颁行据西洋新法制订的《时宪历》，要求钦天监人员“精习新法，不得怠玩”。翌年2月10日， 汤若望等人再次到观象台用黄赤全仪、简仪等观测月食，结果与预推相合。
1674年，简仪、黄赤全仪等被南怀仁的仪器取代。望远镜主要用于观测日食、月食的状况和过程，而不是用于测星的方位。在中国，望远镜仅仅是改善观测效果的手段，而没有改变天文学家的观测目的。
制造仪器的目的是做观测，为编制《崇祯历书》服务。在徐光启的领导下，历局人员为改历而“日算夜测”。那么，观象台和历局的实际观测究竟为《崇祯历书》的星表提供了那些数据？
据德礼贤（P.M.D'Elia）、桥本敬造和孙小淳等学者考证，《崇祯历书》星表参考了汤若望的老师格林伯格（C.Grieberger）在1612年出版的星表[15] 。 而潘鼐则猜测， 《崇祯历书》的星表似与开普勒（Kepler）的《鲁道夫星表》（Tabulae Rudolphinae，1627）有渊源关系[16]。格林伯格和开普勒的星表均见于北堂书目。无论如何，我们在《崇祯历书》星表中很难找出在中国直接测取的恒星坐标数据。当时仓促制造的仪器恐怕还不足以保证测得比欧洲现成星表更精确、更可靠的数据。当然，在译算星表过程中，传教士和他们的中国合作者有必要使用新制仪器甚至旧的简仪和浑仪进行观测，以便大致核验欧洲星表的数据和那些由这些星表推得的数据。由于《崇祯历书》星表的数据最小单位为“分”，他们所用仪器的最小刻度可能是1′左右。
总之，明末和清前期的星表编订主要依靠欧洲现成的星表。钦天监的奏章和传教士的书籍有时声称星表的数据取自“实测”，目的大概是向皇帝和朝廷强调历法编制者做了实实在在的观测工作，历法是可靠的。
致谢：本文是博士论文《明清测天仪器之欧化》的一部分。学习和研究是在席泽宗院士和陈久金研究员的指导下进行的，并得到了德国柏林工业大学大众基金和中国科学院留学经费择优支持回国工作基金的资助，以及维快（Welf H.Schnell）博士的鼎力支持。在此，敬向导师、维快博士，以及柏林工大、中科院留学基金会表示最诚挚的谢意！
收稿日期：1999—09—28；
修回日期：1999—10—15
基金项目：德国柏林工业大学大众基金；中国科学院留学经费择优支持回国工作基金。