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2012-8-10

说说天文钟

归档于: 天文空间科学, 天文与其他 @ 11:36 pm

顾名思义,天文钟是结合了某些天文显示功能的时钟。天文钟的问世与流行几乎与现代意义上的钟表同步,最早的时钟都带有展示日月星辰运行的精密结构,在古时它们更是机械水平以及天文学认知的象征。

天文钟常见的显示功能除了时间,还往往包括黄道、日月行星的位置、月相、日月食、星图、黄道星座、日历、不等长小时线(将白天与黑夜各分为12小时)。从技术的角度来看,当自动时钟问世后,附加功能的显示其实是非常自然的事情:当时星盘已经面世且广泛用于天体位置的计算,天文钟在某种意义上就是利用齿轮驱动的机械化星盘,最初其目的在于通过演示天体运行的规律来展示宇宙的秩序,其时间显示的功能相比之下反而显得不那么重要。

最古老的天文钟应该追溯到公元2世纪古希腊的Antikythera机,由一系列连锁齿轮组成,根据当代研究者和工匠的复原,发现它可以显示日月以及金木水火土五大行星的位置以及月相,还可以计算默东章与沙罗周期,甚至还能显示4年的周期,这被认为是与古时的奥运会有关。这一装置在历史上几乎没有留下任何记载,可以说是仅有的样本,不过根据其齿轮运动的方式推测,发明它所需的背景知识可能是来自依巴谷的研究,或者是古巴比伦天文学。

Antikythera机的残片(左)与复原装置(右)。(图片来源:Wikipedia

更古老的史料暗示,阿基米德应该也制作过类似的设备,但是没有任何实物流传。复杂度与Antikythera机相近的天文钟此后在欧洲几乎销声匿迹,直到14世纪才浮出水面。但是在这1000多年间,中东一带似乎仍旧存在有类似的齿轮装置,有史家认为,后来欧洲天文钟的风行可能是希腊文化东传到中东又回流的结果。

公认最古老的欧洲天文钟是Richard of Wallingford在14世纪30年代建造的St Alban钟以及Giovanni de Dondi在1348至1364年间建造的Padua钟。现在这两台天文钟原件都已不复存在,不过史料中给出了它们的结构。这些早期的钟表受限于当年的机械加工水平,误差非常大,而现代意义上的弹簧机械表是200多年之后才问世的。

苏颂在宋代建造的水运仪象台某种意义上也应该算是天文种,不过它的驱动力来自流水。李约瑟曾经认为水运仪象台是欧洲天文钟的直接祖先,但是个人看来在Antikythera机的残片被发现之后,此说显得极其不可靠,毕竟类似的齿轮装置在欧洲自古有之并传播到了中东,苏颂在发明水运仪象台期间是否受到中东文化影响还值得考证。同样由流水驱动的天文钟还包括13世纪初阿拉伯学者加扎利设计的城堡钟,其中后者还可以人工设定日夜长度,被认为是最古老的可编程模拟计算机之一。但是水力驱动的缺点是水压有限,因此水钟不仅体积庞大,而且也难以同时演示太多的功能。古希腊的Antikythera机驱动方式已不可考(不过根据推测应该是手动曲柄驱动),如果要驱动更复杂的钟表,还要等到钟摆的发明。带钟摆的天文钟要直到18世纪才风行开来。

布拉格天文钟的外观。(图片来源:Prague Experience

欧洲天文钟的典范之作安装在捷克布拉格老市政厅的外墙上,制作人是Jan Šindel以及Kadaň的Mikuláš,落成于1410年,迄今已经有超过600年的历史。布拉格天文钟落成之时距离日心说的提出还有一个多世纪之遥,所以它表现的是古典的地心说。钟面中央的蓝圈表示地球,上半深蓝色的部分表示地平线以上的天空,黑色和棕色的部分表示地平线以下的天空。表盘东侧与西侧分别用拉丁文标有“日出”、“黎明”以及“日落”、“黄昏”。表盘的时间刻度有两组,内圈为两组I-XII的罗马数字,表示布拉格时间的24小时,东西侧皆为VI,两点连线为地平线;盘面上下皆为XII,分别表示天顶和天底,这与经典天文钟的设置相同;可以活动的外圈以哥特数字标出了古典波西米亚时间的24小时(0时表示日落),其相对内圈的位置根据日落时间实时调整。而盘面的深蓝色区域上还用不等长计时法的小时线划分为12部分,每部分表示白昼(日出到日落之间)长度的1/12。

布拉格天文钟拥有两枚表针,黑色的表针上缀有银黑两色的球体,表示月亮;另一枚金色的表针上缀有金色的太阳;日月可以在表针上滑动。表针之外,表盘上还安装有活动的立体投影黄道环,每恒星日旋转一周,可以表示太阳在黄道上的位置,白羊宫处还附有一枚星型指针,可以指示恒星时。由于地球自转轴的倾角,黄道环呈椭圆形,且其中心偏离表盘中心。金色表针在内圈上所指的位置就是当前的布拉格时间,而在外圈上所指的是距离日落的时间,同时该表针指向的表盘曲线给出了不等长计时法的时间。当金色表针上的太阳落在表盘深蓝色区域内时,对应为白昼;落在棕色区域内表示黄昏或黎明;落在黑色区域内则为黑夜。蓝色和棕色区域的分界线表示布拉格地区的日出和日落。

黑色的表针并非分针(实际上传统的天文钟一般不设分针),它的作用是指示月亮的位置。其上的球体一半为银色,一般为黑色,外露的银色部分表现的正是月相;而表盘上金黑两枚表针的相对位置表现的正是日月的相对位置。

布拉格天文钟的钟面解说。(图片来源:Wikipedia

在布拉格天文钟主钟面下方设有日历,钟的两侧还设有整点活动的雕像,这些都是后来才安装上去的。欧洲的斯特拉堡、伯尔尼、吕德、奥洛穆茨、威尼斯等城市也拥有一些天文钟,而很多博物馆和宫殿中也保存有小型座式天文钟。

法国斯特拉堡天文钟的行星仪。(图片来源:Wikipedia

除了公共场所设立的大型天文钟,现代也有一些制表商推出了腕表式的天文钟。带月相显示的腕表不算罕见,举几个其他的例子:

上图左侧是Christiaan van der Klaauw推出的天文馆2000,带行星仪功能;中间是西铁城的星图表(不过星图似乎是固定的,不能旋转),右侧是百达翡丽的星图表,据说在月相等传统功能之外还可以实时显示当前的星空,算是独此一家别无分号的产品,机芯极其复杂,价格也相当不菲,估计本人这辈子也不会有那个闲钱染指它了……

荷兰的一位爱好者也业余制作了不少天文钟,其详情可以参考http://www.astroclocks.nl/

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