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渾天儀（armillary sphere），是渾儀和渾象的總稱。渾儀是一種觀測儀器，可以用來測量天體球面的坐標；渾象是古代用來演繹天象的儀器。一般認為落下閎制造了渾儀，耿壽昌制造了渾象，后張衡完善制造了水運渾象和“水運渾天儀”。

“渾天”一詞最早出自西漢文學家揚雄的《法言·重黎》一書中，并且提出渾天說是由歷算學家落下閎營建，鮮于姓妄人對渾天儀的有關常數進行了測度，西漢天文學家耿壽昌用銅器制作了一個演示其形象的儀器，即“渾象”。后至東漢時期，天文學家張衡對“天渾說”進行了完善，并制成了渾天儀，而且采用的是水運渾天的方法，即用水力帶動球體轉動的“水運渾象”，后至唐宋時期，對于渾天儀的理論更加完善，并研制出相對更復雜也更完善的天文和天象表演儀，如郭守敬的簡儀等。后明清時期，“渾天儀”的理論不僅得到完善，而且還有純金打造的渾天儀制成。至現代，渾天儀依舊還有留存，如南京紫金山天文臺就留有一具朱祁鎮正統年間仿造元代渾儀的復制品（渾儀）。

張衡所制的“渾天儀”不僅是世界上第一臺用水力推動的大型天文儀器。還被稱為“世界上第一架自動天文儀器”。渾天儀也是中華文化和科技的重要象征。

歷史發展

發展背景

西漢，天文學家落下閎在負責改《太初歷》的過程中提出了“渾天說”。后“渾天說”在西漢末年得到發展，有渾天家提出“天地各乘氣而立，載水而浮”，而關于此問題，張衡在《渾天儀圖注》中論述詳明，提出“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于內。天大而地小，天表里有水”，渾天說與渾天儀的創制有密切的聯系。另外，在張衡之后，也有人提及“渾天說”，如東漢文學家蔡邕提出“《周髀算經》術數具存，考驗天狀，多所違失。惟渾天近得其情。”

早期發展

“渾天”一詞最早出現于西漢文學家揚雄所著的《法言·重黎》中，其記載“或問渾天”并提出“落下閎營之，鮮于姓妄人度之，耿中丞象之。幾乎幾乎，不可違也。或問蓋天，曰：蓋哉蓋哉，應難未幾。”揚雄提出，渾天說是由歷算學家落下閎營建的，治歷使者鮮于妄人對它的有關常數（如基本點、基本圈等）進行了測度，西漢天文學家耿壽昌于漢宣帝時期，利用銅器制作了一個演示其形象的儀器，即“渾象”。另外，根據史籍《益部耆舊傳》所記載落下閎“于地中轉渾天”，其可能也已制造出“渾儀”。

研究制作

東漢時期，天文學家張衡吸收前人的思想，不斷完善“天渾說”其所著的《靈憲》中就有著早期的“渾天”思想，提出渾天說的天球概念的范圍限定在人類所生活的天地之中，與無限的宇宙區分開來。張衡在之后的《渾天儀圖注》中，進一步發展了渾天說，認為天是球形，大地不是方形，如雞蛋蛋黃，打破了蓋天說和早期渾天說天圓地方的觀點。

渾天儀器的制造是與渾天說理論相伴生的。渾天儀器有“渾儀”與“渾象”兩種，“渾儀”是觀察天文現象與天體運行的測量儀器，“渾象”則是根據“渾儀”觀測所得結果而制成的天球模型，即天球儀。張衡所制的渾天儀的外部輪廓具有球形，并采用水運渾天的方法，即用水力帶動球體轉動的“水運渾象”，也是一種演示天球星象運動用的表演儀器。后張衡為了說明渾天儀的原理及使用方法，還寫下《渾天儀圖注》與《漏水渾天儀注》兩書。

后期發展

唐宋時期，因部分學者根據渾天儀原有的基礎上發展出相對更復雜也更完善的天文和天象表演儀。如貞觀初年，天文學家李淳風獲準制作用以測定七曜行度的渾儀，并于貞觀七年（633年）完成。同時，李淳風還撰成《法象志》七卷，評論歷代渾儀的得失，其新制渾儀亦被置于皇宮的凝暉閣內。李淳風造的渾儀分為三重，除保留了前代的六合儀與四游儀外，還在中間增加一個三辰儀。三辰儀克服了東漢黃道銅儀無法解決的困難，可同時得到赤道、黃道、白道三種坐標的讀數。北宋時期，蘇頌和韓公廉又發明了元祐渾儀，設置在水運儀象臺的上層。

元朝時期，天文學家郭守敬對渾儀進行了改良得到了更加簡化的“簡儀”，取消了黃道環，把量赤道座標和地平座標的二組分成兩個儀器，而郭守敬的改良不僅簡化了儀器的使用，還改善了儀器因圈層過多而遮掩星星的現象。簡儀上的刻度，最小達到了度，所測二十八宿位置的準確度也得到提升。

明朝時期，渾天儀的理論得到完善，文學家湯若望完善了“渾天儀說”，并運用于黃赤經緯、諸曜出沒、五緯見伏等方面，同時，朱祁鎮正統年間也制作一臺“渾儀”。清朝康熙，還制有黃金做成的渾天儀，即金嵌珍珠天球儀，該天球上珍珠的大小代表地球上觀測到該星辰的亮度，但為迎合皇帝至高無上的思想，內務府造辦處在帝座上用的珍珠非常大，與星辰的亮度不符。

現存情況

至現代，渾天儀依舊還有留存，中國現存最早的渾天儀制造于明朝，陳列于南京紫金山天文臺。北京古觀象臺還留有中國歷朝唯一存世的渾象，即演示渾天宇宙和日月星辰東升西落的天體儀，其由比利時傳教士南懷仁于清代康熙十二年（1673年）監制而成。

組成構造

渾天儀，指的是渾儀與渾象的統稱，其中渾儀指的是測量天體位置的儀器渾儀與演示天球旋轉的天球儀渾象的通稱。渾象指的是根據渾天說制造的演示天象位置及其視運動的儀器。

渾儀

渾儀的基本構造是由多個代表天球上坐標圈的同心圓環套疊而成，并有瞄準天體的裝置，內有窺管，亦稱望管，用以測定昏、旦和夜半中星以及天體的赤道坐標，也能測定天體的黃道經度和地平坐標。渾儀由早期四游儀和赤道環組成。圓環上刻有代表圓心角的分劃刻度。可以在瞄準天體后，從相應的圓環上讀取天體的黃道、地平、赤道坐標值。渾儀大多以銅制成，也有用鐵、木制的。

成熟的渾儀由三層環規構成，外層稱六合儀，由固定在基座上的地平、子午、赤道三個環規組成作為儀器的支架。中層稱三辰儀，由黃道、赤道和白道三個環規組成，整組環規可繞渾儀的極軸轉動，其中赤道和黃道環連接在一起，黃道環上鉆有249對小孔，白道環以銷釘固定在一對孔上，并可依次固定在其他一對孔上以適應黃道和白道交點的不斷移動。最內層稱四游儀，由支撐在六合儀上南北極點的極軸及一對赤經雙環和瞄準管組成兩赤經雙環平行，夾著瞄準管，并可繞極軸轉動，而瞄準管則可繞過兩赤經環中心的短軸轉動，以瞄準天空中任一目標。

渾象

渾象是古代用來演示天象的儀表，最早為西漢耿壽昌所創制，張衡對其進行了改進，整體結構為一個銅制的球體，在球表面上刻或綴有星宿、黃赤道等天文坐標圈，球可繞支架上的南北天軸旋轉，類似現代的天球儀。

天球模型

渾天天球模型包括周天365.25度的分法，南北極的入地及出地角度（均為36度）、赤道圈與黃道圈的位置關系（黃赤交角24度）、二分、二至點的位置、北極恒顯圈及南極恒隱圈（去極均為36度）等基本點和基本圈，與球面天文學中的天球模型基本一致，所不同的是渾天天球不是假想球面，而是實有其體，而且也沒有北極高度隨地理緯度變化的概念。

水運渾天

張衡創制的渾天儀為銅質球體模型，用于模擬天球。其每弧度長度為4分，圓周長為一丈4尺6寸1分，直徑4尺6寸5分。該儀器由內外多層結構組成，各層均可轉動。球體外部設有地平圈和子午圈，其中一半隱沒于地平圈下方，另一半顯露于地平圈上方；天軸架設于子午圈之上，與地平圈呈36度斜交，此角度既為洛陽地區的北極仰角，也對應洛陽的地理緯度。球體內部有鐵軸貫穿球心，軸的方向與天球運轉方向一致，對應地球自轉軸方向；軸與球體接觸的兩個端點，分別對應天球的北極和南極。球體表刻有28宿及中外星官。其核心運作機制包含：采用穩定的漏壺流水作為動力來源，通過齒輪傳動裝置驅動銅球勻速繞極軸旋轉，以此模擬星體東升西落的運行軌跡。

另外還有黃道圈和赤道圈，互成24度的交角；在赤道和黃道上，各列有24個節氣，并且從冬至點起，刻分成365.25度，每度又分4格，太陽每天在黃道上移一度。儀器的構造，幾乎囊括了當時所有先進的天文學知識。

使用方法

張衡所制造的渾天儀是世界上第一架水力發動的天文儀器，記載使用方法為“（張衡）用銅鑄成的渾天儀，內有幾層圓圈，都可轉動，立黃道與赤道，相交成二十四度，又立南北兩極；分全球為三百六十五度又四分之一，布置日月五星，二十八宿及所有星辰，用滴漏使儀器自行轉動，某星始出，某星方中，某星今沒。”《隋書·天文志·天體》中記載使用方法為“于密室中，以漏水轉之，與天皆合如符契也。（在密室中用漏水驅動，儀器指示的星辰出沒時間與天文觀察的結果相符）”

應用及影響

應用

渾天儀在古代天文學中是渾天說理論的具體體現，通過模擬日月五星位置，預測天象，占卜兇吉。雖然渾天儀無法真正將天上所有的星象運動全部展示出來，但可以以此為基礎加之太陽的影長計算時刻、求各地方北極出地之度、及太陽高弧距地平等，而且一切的方位都與天上相同。

影響

渾天儀是中國古代天文學中最為重要的儀器之一，它的發展與天文學中的各項成就密切相關。其發展折射出古人對宇宙認識的累積。同時，中國有世界上最早的赤道天文坐標系，除了在表示形式上存在差異，中國古代的赤道天文坐標系與近現代通用的幾乎完全一致。赤道測量坐標系在觀測儀器渾儀中充分使用，渾儀的雛形圓儀就是一個純赤道式的裝置，成型的三重渾儀中的赤道環也是用來測量赤道坐標。

隨著數學方法的進步，渾儀在構造上得到了突破，為后世郭守敬制作簡儀提供了重要基礎。在現代世界，渾天儀也是中華文化和科技的重要象征。而且渾儀的成型及改良過程中也包含了前人的想象，具有一定研究價值。渾天儀也被稱為“世界上第一架自動天文儀器”。

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