环形球仪

浑天仪（也可以称为球形等高仪或浑仪，英文缩写为armilla或armil）是中国和希腊古代测定天体位置的一种仪器。由相应天球坐标系各基本圈的环规及瞄准器构成，与浑象（浑天仪，一种仿真天体运行的仪器）不同。其主要用作展示围绕地球的天体轨迹。浑仪也是最早期的复杂机械仪器，其发展促进了机器的改良和设计。浑仪在古希腊和古中国被分别独立发明。中国的浑仪西汉落下闳曾制造。《朱子语类》卷二十三录朱熹与弟子黄义刚曾讨论过浑仪的原理，黄义刚曾说：“楼上浑仪可见”，表示朱熹家可能有此种仪器。《宋史·天文志一》亦载：“朱熹家有浑仪，颇考水运制度，卒不可得。”浑仪是由有刻度的金属圈组成，这些圆形的骨架代表天体的赤道、黄道、子午圈等。金属球代表天体，而浑仪的中央通常是地球或太阳。中国古代的浑仪还有代表白道的圆圈和协助观察用的窥管（作用如同望远镜，但没有镜片）。由于历代浑仪增加的圆圈太多，妨碍观察，元朝郭守敬把圆圈简化，称为简仪。托勒密利用大型的浑仪作为仔细的观测工具。浑仪在中世纪末期时再度兴起。丹麦天文学家第谷（1546年至1601年）建造了作天文观测用的大型浑仪。文艺复兴时间的科学家和公众人物的画像中，通常画有一浑仪，画中人其中一只手放在浑仪上，代表他们拥有高度的智慧和知识。葡萄牙国旗上画有浑仪。自马努埃一世起浑仪成为该国之象征。这架仪器的外部结构（或框架）是黄铜环，代表天空主要的环圈。1.赤道A：被划分为360度（与黄道交会于白羊座之处是起点）以显示太阳的赤经；也可以用24小时，以显示太阳时。2.黄道B：分为12个宫，每个宫30度，也标示出一年中的月和日并且；以这种方式，在给定的任何一天，太阳会位于黄道圈上特定月份的某一度或点上。3. 北回归线 C：与黄道在巨蟹宫接触的点e是起点，南回归线 D在摩羯宫和黄道接触的点f是起点。两者都与天球赤道平行，且距离均是23.5度。4.北极圈 E，和南极圈 F：两者分别距离北极点N和南极点S23.5度。.5. 二分圈 G：经过天空上的北极点N和南极点S，并且通过白羊宫和天秤宫在黄道上的分点。6.二至圈 H：经过天空上的极点，并且在黄道上穿过巨蟹宫和摩羯宫的至点。这些圈将每个象限被划分为90度，从赤道到两极，显示太阳、月球和恒星的赤纬；每个象限都有字母，从黄道的e和f，到极圈的b和d，显示恒星的赤经。在黄道北极b上有一个螺母，固定了一条90度长线的一端，而在另一端有一个代表太阳的小球Y，转动螺母，它就位会沿着黄道B—B绕行。旋转黄道南极的螺母：栓在d上90度长的饰针另一端上面有代表月球的小球Ζ，这可以用手转：但是这儿有一个特别的巧思，可以让月球的轨道与黄道有5又1/3的夹角移动的特殊装置，相对的这个点称为月球节点；这个节点也可以移动，在黄道上退行，如同月球在天空中的移动。在这些圆环的内部有一个小地球仪J，固定在延伸至天球的南极点s和北极点N的轴K上。在这个轴上固定了一条平板天球子午线L L，这条子午线可以移到世界各地的任何地方，所以只有一条子午线在此处。这条平板子午线上有刻度，就像普通天球仪的黄铜一样，它们的用途是相同的。在这个地球上装有可移动的地平线' M '，这个地平线的东西两个端点被连接到地球赤道沟槽上相对的两个点，使这个黄铜环可以环绕地球，而地球的也仍可以有自转的运动。在这个环内的地球可以用手转动，所以子午线可以在任何的地点之上，直接在天球子午线L之下。地平圈的外缘等分为360度，其作用如同罗盘一样，使用角度和点来显示月球和太阳移动的范围。天球子午线L，如同一般的地球仪，经过地平圈上的南北两个点：两者也都一样，当地球转动时，地平圈和子午线会跟着一起转动。在球的南极有一个25小时的圈，固定在环上，并且在轴上有一个指标，如果地球绕轴转动时可以环绕着这个环。整个结构支撑在一个基座N上，并且可以在一个固定在R上的连结O上升高或降低，从固定在坚固黄铜臂Q上的P弧，调整出在0到90度之间的任何角度，而滑片可以用螺丝'r '在适当的角度上固定住。希腊天文学家喜帕恰斯（c. 190 – c. 120 BCE）称许埃拉托斯特尼（276 – 194 BCE）是环形球仪的发明者。此设备的名称最终的来源是拉丁文的圆环（armilla），因为它有一个有刻度的金属圈连结极点，还有代表黄道、赤道、子午圈和平行圈。 通常，在它的中心有一个球代表地球，后来改成太阳。 它也用来演示恒星环绕地球的运动。在17世纪望远镜发明之前，环形球仪是欧洲天文学家测量天体位置的主要工具。它最简单的形式是一个固定在赤道平面上的圆环，这种环形球仪是一种最古老的天文仪器。稍后它有了改进，有另一个圆环穿过平面并固定在子午线上。第一个是二分圈，第二个是二至圈（可能类似于简仪）。组合的环被以等分的角度刻画，阴影被用来指示太阳的位置，就成为环形日晷。当更多的大圆组合代表着天球上不同的环圈时，这个仪器就是浑仪。埃拉托斯特尼最有可能是使用分至圈来测量黄道的转轴倾角；喜帕恰斯使用的环形球仪可能有四个环。托勒密在他的著作Syntaxis（第五册第一章）描述了他的仪器，它包含了一个有刻度的环圈，在里面还有一个可以滑动，由在直径两端的两个小管来移动。这台仪器有着垂圈和分度圆。在公元前三世纪，希腊人已经将环形球仪开发成教学工具。更大和更精密的形式则被作为观测仪器。在中国历史上，天文学家曾经创造浑象（天球仪）来协助观察恒星。中国也使用浑仪以协助制历和进行历算的计算。在韩国，也得利于中国的天文思想和天文仪器进一步发展。根据李约瑟的研究，环形球仪的发展最早可以追溯至公元前四世纪的石申和甘德，他们已经配置了原始的单环环形球仪。这让他们可以测量各个星宿的去极度（纬度）和经度（赤经）。李约瑟推算的日期，公元前四世纪，否定了英国汉学家克里斯多夫·卡伦仁所追溯这些设备出现在公元前一世纪的观点。西汉的天文学家落下闳、Xiangyu Wangren和耿寿昌发展并制造出早期阶段的环形球仪。在公元前52年，耿寿昌首次提出了有永久固定赤道环的环形球仪。在随后的东汉时代，天文学家符安（Fu An）和贾奎（Jia Kui）在公元84年添加了黄道环。著名的政治学家、天文学家兼发明家张衡在公元125年将地平圈和子午环加入，完成了浑仪。张衡还完成世界上第一座由水力驱动的浑仪，它是利用水流转动由擒纵器控制速度的浑仪（参见浑仪、水运仪象台条目，有更详细的介绍）。汉朝以后的发展，让环形球仪的使用有了许多改进与演变。在公元323年，天文学家Kong Ting重新组合了浑仪的环，以便黄道可以和赤道在任何需要的点上结合。之后，唐朝的李淳风在公元633年使用三层环的环形球仪，称为'nests' (chhung)，从多方位来校准天文观测。他也负责安装窥管的一项计划，以使纬度的观测能更为精确。然而，到了下个世纪，一行（Yi Xing，参见下文）才完成在浑仪内安装窥管的工作。在1050年，Zhou Cong和Shu Yijian为环形球仪安装了赤道装置，沈括在11世纪晚期也做了相同的改进。但直到欧洲的耶稣会士来到中国，他们才不再使用浑仪。在唐朝开元十一年（公元723 年），一行和尚和兵曹参军梁令瓒组合完成张衡使用擒纵器的浑象，每15分钟便会击鼓，整点便会摇铃的自动装置，也就是报时钟。苏颂著名的水运仪象台在元祐七年（公元1092年）落成，如同一行的浑象使用擒纵器，并用水车将漏壶注满水来推动。这架仪器上下分三层；上层是浑仪（天体测量之用），中层是浑象（天体运行演示），下层是司辰（自动报时器）。司辰有机械操作的小人偶，可以打开钟楼的门，定时击鼓或摇铃，可以精确报时。还有政治家兼科学家的沈括（公元1031-1095年），曾任司天监，是热心的天文学者，改进和设计了许多天文仪器：日晷、擒纵器、浑仪和固定观察北极星以瞄准极点的窥管。韩国的发明家蒋英实奉朝鲜世宗之命打造浑仪，在1433年完成，命名为혼천의（Honcheonui）。1669年，韩国天文学家Song Iyeong重新打造浑仪，做为一座天文钟。这座天文钟高度重视制作的技术，是朝鲜王朝留下的唯一一座天文钟。波斯和阿拉伯天文学家将公元8世纪的希腊环形球仪改良，并由波斯天文学家Fazari（d.c.777年）撰写出论文Dhat al-Halaq或The instrument with the rings（圆环的仪器）。Abbas Ibn Firnas （d.887年）为哈里发默罕默德（852-886年的统治者）制造了另一个有圆环的仪器（环形球仪）。球形等高仪是等高仪和环形球仪变化出来的，是中世纪伊斯兰黄金时代的发明。对球形等高仪的描述，最早可以追溯到波斯天文学家Nayrizi（fl. 892-902）。穆斯林的天文学家也独立发明了环形球仪，主要用来解决球面天文学的问题。现今，世界上还留存了126件这一类的仪器，最早的制作于11世纪。太阳的高度，或是恒星的赤经和赤纬，都可以从球上的环输入观测者的地理经度，计算出来。在10世纪晚期，环形球仪经由在安达鲁斯的教宗西尔维斯特二世（r. 999–1003）的介绍传入西欧。教宗西尔维斯特二世使用窥管和这种仪器确认了当时的北极星和纪录与测量了赤道和热带。第谷·布拉赫（1546－1601）在仪器设计上有了进展，他精心设计的环形球仪进入了等高仪的领域，并绘制在他的新天文学仪器（Astronomiae Instauratae Mechanica）。环形球仪是第一个复杂的机械设备，它们的发展在许多机械设备的技术和设计上导致了许多改进。文艺复兴的科学家和公众人物经常在他们画像的手上展示一个环形球仪，代表最高的智慧和知识。环形球仪也是很有用的教具，框架可以描述天球，系列的环形成代表天空的大圆，而在轴上旋转的代表地平线。中心的球代表地球的是托勒密的宇宙；中心的球是太阳的，是哥白尼的宇宙。目前，自从曼纽一世时代，环形球仪就出现在葡萄牙国旗和国徽上。 。在1980年代，爱蜜利萨维奇-史密斯在喀什米尔和拉合尔发现一些没有任何缝隙的天球。 空心的物体通常使用两半来浇铸，尽管滚塑成型等技术在1960年代已经被使用，同样可以产生无缝的球体，但是萨维奇-史密斯指出铸造一个无接缝的球体被认为是不可能的。在喀什米尔发现最早的无接缝球是由中世纪天文学家和冶金学家Ali Kashmiri ibn Luqman 在1589-90年（AH998），阿克巴大帝的时期；另一个是在1659-60年（1070AH），穆罕默德·萨利赫赋予阿拉伯文和梵文题字；最后一个是由印度天文学家和冶金学家 Lala Balhumal Lahuri，在Jagatjit Singh Bahadur统治期间，于1842年在拉哈尔制造的。总共制造了21个这样的球，而这些也是迄今保存无接缝球体的唯一例子。这些蒙兀儿冶金学家是使用脱蜡铸造的法来生产这些球。环形球仪经常在纹章学和旗帜学中被使用，关联的符号主要出现在葡萄牙、巴西，这和葡萄牙帝国与葡萄牙发现有关。在15世纪结束时，环形球仪成为葡萄牙未来的国王曼纽一世个人的徽章，而当时他还只是葡萄牙的王子（英语：Prince of Portugal）。在曼纽一世的统治期间，从环形球仪转化过来，简化的这个私人徽章在文件、纪念碑、旗帜和其它物品上被大量的使用，特别是在海外殖民地。在曼纽一世死后，这个环形球仪的标示继续被使用作为国家的象征。在17世纪，它与葡属巴西有了特别的连结。在1815年，当英属巴西和葡属巴西联合成为一个国家时，这个徽章正式被作为一块蓝色领域上的金色环形球仪。除了代表巴西，这个环形球仪也出现在葡萄牙－巴西－阿尔加维联合王国的旗帜和纹章。当巴西在1822年独立成为帝国，这个徽章继续出现在国旗和国家的纹章上。在1889年，巴西国旗上的环形球仪才被现今的天球取代。在1910年，环形球仪再度出现在葡萄牙的国徽和国旗上。"There is no evidence for the Hellenistic origin of the spherical astrolabe, but rather evidence so far available suggests that it may have been an early but distinctly Islamic development with no Greek antecedents."