星盘 :用于天文测量、定位等的仪器

更新时间:2023-11-15 17:25

星盘(Astrolabe,Astrolabium) 是天文学家们用来观测恒星相对位置的一种工具,它也可以被用来计时、航海和勘探。这种仪器由希腊人发明,后被阿拉伯人加以改进,它们能够帮助陆地或海上的旅人确定自己所处的纬度。在占星学中,星盘具有不同的含义。它是指占星学的三个基本元素——星座、宫位和行星——独特的排列形式,星盘代表的是个体的特定组合形式。这种排列形式被认为能够揭示一个人的性格、命运和潜在能力。因此,占星师经常使用星盘来为个人提供咨询和建议。

星盘由两个同心圆盘组成。其中一个圆盘是固定的,代表地球上的观测者;另一个圆盘是移动的,可以旋转以对准某一时刻的天球。星盘允许观测者在某一特定的纬度、日期和时间,确定太阳、最亮的恒星以及行星的地平高度和方位角。通过测量某一天体(如太阳)的高度,人们可以精确地知道当前的时间。星盘还可以用于预测和测量日出、日落、黎明及黄昏的确切时间。除了时间测量外,星盘还可以用来估算塔的高度或井的深度。通过调节星盘的对准装置,观测者可以测量自己所在的纬度和相对于地平线的高度。在使用星盘时,天文观测者首先将金属圆盘固定在圆形星图的顶端,然后将星盘整体挂起。接下来,观测者利用星盘后面的对准装置,将其对准一颗已知的恒星。随着对准装置向恒星的方向移动,外置圆环会沿着圆周的方向旋转,直到与星图上表示该恒星的位置对齐。这种方法允许观测者不论在白天还是黑夜,都能够确定当前的时间。同时,通过调整对准装置和观察圆盘上的刻度,观测者可以计算出自己的纬度和相对于海平面的高度。

星盘的起源可以追溯到古希腊时期,最早在公元375年由来自亚历山大港的古希腊天文学家赛翁在其专著《在一枚小小的星盘上》中提及,为后世关于星盘的论述树立了标杆。从此,星盘就作为一种测量恒星地平高度的工具频繁出现在文献中,并且还包含历代观测者使用星盘观测天罡星仰角来确定所处位置的纬度的情况。公元8世纪左右,星盘传入了伊斯兰教世界。阿拉伯人希腊星盘的基础上增加了圆弧刻度盘方位角,极大地丰富了星盘的功能,并将其应用于航海和指示圣城麦加的方位——后一用途更为重要。随着天文观测技术的不断发展,星盘在导航和天文学研究中的作用逐渐被更精确的仪器所取代。到了公元1600年后,星盘逐渐被六分仪和其他更精确的仪器所取代。星盘最早传入中国是在明代。当时,中国天文学家李之藻与意大利传教士利玛窦共同翻译了《浑盖通宪图说》,介绍了包括星盘在内的西方天文仪器和天文学知识。这一举动不仅促进了中西天文学和导航技术的交流,也为中国的天文学和航海事业带来了新的发展机遇。

发明和改进

早期发明

早期的星盘结合了活动星图(一种带有可以旋转和调整圆盘的星盘,用来确定当天可见的星星有哪些)和宽管(dioptra,一种观测工具)的功能,用于测量角度并确定天体(如太阳、月亮和星星)在天空中的位置。它允许旅行者无论昼夜都能计算出天体之间的角度以及它们相对于地面的位置。关于星盘的发明者,历史上存在多种说法和争议。根据希帕提娅与其学生昔兰尼的辛奈西斯的通信内容,希帕提娅应被视为星盘的发明者。然而,另一种说法指出,早在两个世纪之前,古希腊天文学家克罗狄斯·托勒密就在他的天文学著作《占星四书》中使用星盘进行计算了。此外,还有观点认为,星盘是生活在现今土耳其南部的希腊天文学家阿波罗尼斯发明的,比托勒密早了约350年。

所有与星盘的发明有关的人都是生活在罗马帝国的希腊人,在后来的拜占庭帝国时期,希腊人继续使用和优化星盘,使得它在天文学和航海领域中的应用更加广泛。生活在亚历山大的拜占庭哲学家约翰·菲洛波诺斯(John Philoponus)于公元530年左右,用希腊语撰写了现存最早的关于星盘的论著。大约在公元505年,生活在美索不达米亚的学者、主教塞维鲁·塞博赫特(Severus Sebokht)写了一篇关于星盘的重要论文,描述了星盘由黄铜制成,这表明它在当时是一种制作工艺比较复杂的仪器。黄铜的使用不仅提高了星盘的耐用性和稳定性,还使得其外观更加精美和华丽。

阿拉伯改进星盘

公元7世纪40年代,阿拉伯帝国的穆斯林大军占领了拜占庭帝国的大部分领土,由此,星盘的知识在阿拉伯人中广泛传播。阿拉伯人对星盘进行了显著的改进,添加了刻度盘和圆片,使其变得更为复杂和准确。最复杂的星盘包括一个固定托或基座,而固定托的外沿还标记了一圈刻度。在固定托的顶部,有两个可以旋转的圆盘和一个圆环,这三个部件被用来计算已知恒星的角度,从而确定旅行者所处的纬度。同样,在纬度已知的情况下,人们还可以用星盘来反推计算时间。阿拉伯人不仅将星盘用作导航工具,还发现了它在宗教活动中的特殊用途。穆斯林在涛告时,需要面朝穆罕默德的出生地——圣城麦加的方向。因此,穆斯林就可以通过星盘找到麦加的方位。由于星盘在世俗生活和宗教活动中被广泛使用,所以它很快成为旅行者和朝圣者旅行途中必不可少的装备。

在阿拉伯世界,星盘经历了多次的演变和创新,发展出了多种不同形式和功能。9世纪末,阿拉伯世界出现了一种球形星盘,这是星盘和浑天仪的结合体;到了12世纪,有人发明了一种线性星盘,它的外形是一根带有刻度但没有瞄准镜的木棒,配有铅垂线和指针;1235年,伊斯法罕的阿比·巴克尔(Abu Bakr al-Razi)又发明出了机械齿轮星盘。阿拉伯人将星盘的样式和功能几乎发展到了极致。

传入中国

星盘曾在元朝初期传入中原地区,但由于与中国传统的赤道坐标不相宜,一直未能引起重视。直到明朝末年,传教士利玛窦等来华,再次将星盘传入中国,与此同时,西方传教士熊三拨编译了相关的理论书——《简平仪说》,李之藻等人编著了《浑盖通宪图说》,这些著作对星盘在中国的传播和应用起到了重要的推动作用。

星盘的结构

星盘的基本结构包括投影星图与测角装置两部分。星盘的主体是一个名为母盘(mater)的圆盘,通常由黄铜制作而成,中间部分凹陷进去形成一个腔体,在圆盘周圈上标有刻度,表示地平圈,用于读取方位和角度数值。在母盘的背面,通常刻有各种应用所需的刻度,如时间转换曲线、将月份转换为黄道上太阳位置的日历等。母盘凹进去的部分一般会配有几片有着不同刻度标尺的衬盘(tympan),上面会刻有表示黄道带的圆圈、星座的名称、最亮的一些恒星等等。这些薄圆盘根据不同的需求可以更换,以适应不同的观测和计算任务。衬盘的外侧是可以旋转的网盘(rete),它相当于一个星图,网盘上有投影黄道(有时有赤道),并标有若干明亮天体的位置。同时,网盘上一般也带有刻度和装饰图形。为方便使用,网盘可能还会附有指针。通过中心的轴,母盘、衬盘和网盘等零件连接在一起,形成了一个完整的星盘。使用者只需旋转网盘再对照衬盘的刻度,就可以得知给定时刻某天体的地平坐标,或者是与给定天体地平坐标相对应的时间。

在此基础上,如果在星盘的背面设置可以绕中心旋转的测角装置(如窥管,一个带有刻度的尺子,也叫做照准仪,其两端带有小孔可窥视天体进行高度和方位的测量,可安装在最外侧,也可以安装在背面),通过窥管,用户可以精确地瞄准目标天体,并读取其相对于地平线的仰角。在星盘上设置仰角刻度,那么就可以将星盘垂直悬挂起来,用测角装置对准目标天体并读出仰角,然后通过旋转网盘查出相应的时间。若能测得中天高度(即天体在天空中达到最高点的仰角),且知道了天体的赤纬(即天体在天球赤道坐标系中的纬度),就可以根据简单的三角关系来求出观测点的纬度了,这与六分仪测纬度的原理一样。

母盘

作为星盘主体的圆盘,通常由两层组成。下层星盘(即母盘,mater)刻有多个坐标系统:包括天球黄道(表示太阳在一年内在天球上的运行轨迹,即地球公转轨道在天球上的投影)、天球赤道(代表地球赤道在天球上的投影,是一个与黄道面相交大圆)以及天球上的回归线(即北回归线南回归线,它们是太阳在地球上直射点能够到达的最北和最南的纬度线在天球上的投影),还有地平纬度和方位角(分别表示观测点相对于地平线的纬度和经度,用于确定观测点在地球上的位置)。使用者可以由此测量天体的位置。圆盘中心对应的是天球北极,围绕着北极,有三个同心圆,分别代表北回归线、天球赤道和南回归线。在这样的坐标系统中,南回归线以南的天空,以及南天的群星,都无法在星盘上得到反映。不过虑到几乎所有的古代文明都位于北半球,因此这种设计对于古人来说是完全合理的。

网盘

上层则是一个大部分镂空了的圆盘,称为“网盘”(rete,这个拉丁文词汇来源于阿拉伯语“蛛网”),可以绕着代表北天极的圆心在下层圆盘上旋转。“网盘”之所以大部分要镂空,是为了让下层盘面上的坐标系统显示出来——如果古代就有今天的透明塑料或聚甲基丙烯酸甲酯,古人想必就不用那么麻烦去制作“网环”了。

衬盘

在盘面的地平坐标网中,北天极的位置是随着当地的地理纬度而变化的。也就是说,任何一具星盘,都只能在某个固定的地理纬度上使用。星盘是具有浓厚便携色彩的小型仪器,它如果受地理纬度约束的话便丧失其意义。解决的办法,是为星盘提供一系列的圆盘,每个圆盘上刻有不同地理纬度的投影坐标。这些被称为“tympan”的圆盘可以一个个重叠起来,星盘的使用者可以选择最适合当地地理纬度的一个来使用。

星盘的原理

星盘的原理主要涉及到将天球上的球面坐标投影到平面上。这一原理是天文观测和星图绘制中的基本技术,使得天文学家和观测者能够在一个平面上方便地查看和记录天体(如恒星行星等)的位置和相对关系。古希腊人在天文学领域有着卓越的贡献,他们不仅掌握了球面坐标系统的知识,还发展出了与之相关的球面几何学。这些知识为星盘的制作和使用提供了理论基础。今天,全世界天文学家所使用的天球坐标系统,其基础正是古希腊人所建立的。从星盘的原理上可以清楚地看出,古希腊人还掌握了将球面坐标投影到平面上的方法,以及这种投影过程中所涉及的几何学原理。

星盘盘面上刻画的坐标系统,实际上就是从天球南极将整个北半天球投影到天球赤道平面上的结果。虽然从天球北极投影也能得到相应的结果,但那样会呈现南天星空的情况,而古代天文学家主要关注的是北天星空。

在这种投影过程中,北天球上的每一个点都能够准确无误地映射到赤道平面上。而且这样的投影有着一种令人惊奇的特性——弯曲的天球球面上的角度,经过投影不会改变。这一特性极大地简化了天文学中的计算过程,使得原本复杂的球面三角问题能够转化为更为直观和简单的平面三角问题。事实上,不知道这个原理,就不会有星盘。

星盘的作用

星盘的功能包括用于航海、测量天体的高度、识别恒星行星、根据当地的时间确定其纬度、进行三角测量等。需要说明的是,古代的星盘除了占星还可卜卦。

航海

星盘有多种变体,其中比较重要的一种就是航海星盘。普通星盘虽然可以出海,不过由于操作相对复杂,不适合海上多变的环境使用,所以航海者对其作了相应的改进,主要是淡化了星图部分,而以测角为主导,用于测量陆地的纬度和船在海上的位置。

航海星盘的设计特点与功能使得它能够在海上环境中提供准确的导航信息。首先是材料,航海星盘通常采用厚重的金属铜质地制作,以应对海洋环境中的颠簸和震动。铜材质不仅具有足够的强度和耐久性,还具有一定的抗腐蚀性,能够在潮湿的海洋环境中长期使用。其次关于结构,传统的星盘通常采用盘状结构,但由于盘状结构容易招风,航海星盘改为框架式设计。这种设计更加稳定,减少了因风力影响而导致的误差。由于主要的观测目标是中天时太阳的高度,且时间已知,因此航海星盘中的网盘与衬盘可以省略,使得结构更加简化。另外为了降低重心保持稳定,框架下方还往往装有配重。由于航海星盘对精度要求较高,其边框通常做得较大,以方便观测者进行读数。尽管航海星盘具有诸多优点,但由于其需要垂直悬挂才能正常工作,因此在多风或浪高的条件下很难发挥用场。这种情况下,观测者可能需要采取其他措施来保证测量的准确性,如使用其他导航工具或寻找更稳定的观测环境。

使用方法

星盘的设计包含一个可旋转的测角装置(如窥管),该装置通过销钉连接在星盘中央,并能绕中心自由旋转。在使用时,星盘需要被悬挂成铅直状态,以确保测量的准确性。通常,星盘上会有一个零度标记,这个标记需要与水平面保持齐平。然后,观测者会移动星盘上的指针,使其指向要测量的天体。通过读取指针所指的角度,观测者可以准确地测出该天体相对于地平线的高度角。在已知天体赤纬的情况下,观测者可以利用测得的天体高度角和三角关系的原理,进一步计算出船舶所在的纬度。

观测天体

星盘在使用时,可以根据具体需求安装不同的薄圆盘。观测者可以根据实际情况选择将照准仪安装在前或后,以便更准确地指向和观测目标天体。

观测方法

用星盘进行观测时,先用仪背测出太阳或二十八宿某一亮星的地平高度(地平高度是指天体从观测者的水平视线到天体的角度)。由于每日太阳平黄经是已知的,并且恒星的位置也已标于星盘的天盘上,观测者可以转动星盘的天盘部分,直到太阳或恒星的位置按其地平高度准确地置于地平坐标网的等高圈(等高圈是星盘上表示特定地平高度的圆形标记)上。接下来,观测者通过星盘的窥管部分观察太阳或恒星,并调整窥管的位置,使其指向目标天体,即可读出观测时刻。同样的方法也可用于测量太阳和恒星的地平方位角

观测原理

星盘是利用勾股定理来进行测量物体的高、远和深度,李之藻的《浑盖通宪图说》对此做了详细的论述。据学者研究,这部分的核心内容主要来源于克拉维乌斯神父的《实用几何》。《实用几何》是和《几何原本》相匹配的一本书,主要阐述的是欧氏几何在生活中的应用,如测望、计算等。

勾股定理(勾股法)被用来确定远处目标的远近、高低和深浅。只要有可以投射的影子,就使用筩(古代的一种测量工具,如日晷水准仪的组成部分)来观察其影子。如果没有可以投射的影子,就使用目力直接观察。所有观察的结果,都依据筩所指示的刻度为准。当筩位于勾股(直角三角形的直角边)的交点时,勾和股的长度相等,知道其中一边的长度就可以知道另一边的长度。

当使用筩来观测高度时,以观测到的目标作为大股,从脚下到目标底部作为大勾,然后通过测量工具(儀)上的小勾股来得知大勾股的长度,将儀上的刻度与大勾股的长度进行对照。

实例1:测量某天体高度

将星盘竖立放置,观看星盘上的水平和垂直刻度是否与竖立状态一致,然后通过窥管上的小孔找到被测量的天体,使天体通过窥管两端的小孔被看到,这时读取窥管两端所指向的刻度值,便可知道该天体的高度。

实例2:确认太阳所在的黄道星座

从太阳升起时,便通过窥管上的小孔观测太阳的位置,通过连续的观测得到太阳在天空运行的轨迹。然后转动带有黄道带的薄圆盘,使上面的刻线与观测的太阳轨迹重合,该刻线相对应的星座图案就是太阳所位于的黄道星座。当然,这种观测的精度是无法与现代天文仪器相比,但是在古代社会,却可以完全满足当时人们的需要。

实例3:测定当地时间

只要在星盘上测得了太阳的地平高度,即可利用星盘外侧的圆环之一“时圈”求得当地时间。如果是在夜晚,可以用一颗已知其坐标的恒星(通常在“网环”上已经标出了若干著名的明亮恒星),用它取代太阳,也能够获得同样结果。所以一个星盘同时就是一个时钟。

演示

最初的星盘并非直接用于角度测量,而是作为一种天体位置的平面演示仪器。作为演示仪器时,星盘的主要使用方式是通过其仪面来展示天体位置。例如,利用窥管将某日太阳位置对准一个选定的时间,就可以从地平坐标网上得知此时太阳及其他恒星的地平坐标。这种方法既能帮助初学者认星,也能表现每夜任一时刻的天文现象。又如通过将某节气太阳所在的位置转动至地平线,观测者可以方便地得知该节气的日出、日落时刻以及昼夜的长短。再如,观测者只需将太阳或某颗恒星移至星盘上的子午线位置,然后数出它们与赤道之间的度数,即可得知其赤纬。这些均显示了星盘的多种演示功能。

占星

生辰占星法认为,人出生的时刻会在很大程度上决定人的一生,人出生瞬间的黄道十二宫的位置,人所属星座与太阳、月亮的关系,都被认为包含着人一生重要时刻的各种信息,影响人的性格及生理特征。一个专业的占星师要分析求卜者的星盘。由于出生时间、地点的不同,他们的星盘千差万别。具体而言,星盘包括星座、宫位和行星三个要素,它显示一个人出生时太阳、月亮以及行星在天空中所处的位置。

黄道十二星座

地球围绕太阳旋转时,我们会随着地球运行轨道向不同的方向看到太阳,因此,太阳在一年中看起来在天空中由西向东划出了一条线,这条线叫做黄道。黄道带又被划分为十二个相等的区段,每个区段的宽度是30°,被称为黄道十二宫,一年中太阳将按顺序从这十二个宫中穿行一次。在黄道的左右分布着十二群星星,它们恰好大致位于黄道带内,这就是黄道十二星座。它们分别是:白羊座金牛座双子座,巨蟹座,狮子座处女座,天秤座,天蝎座射手座摩羯座水瓶座,双鱼座。

十二星座以四个为一组,恰好可以分成三大区块。第一个区块是由牡羊座、金牛座、双子座、巨蟹座所组成,它们关切的是人生的基本事物,或者可以说是生存的基本需求。接下来的狮子座、处女座、天秤座及天蝎座,则开始冒险投入社会,探索关系中的种种议题。最后的四个星座——射手座、摩座、宝瓶座及双鱼座,关切的则是集体和宇宙性事物,其中,双鱼座也和灵性的次元有关。有时一张星盘会强调这三组星座中的某一组,而这往往是理解整张星盘及个人的重要入手之处。

行星和其他重要星体

占星术语中,太阳和月亮都是行星,并且至少有五个其他的行星——水星金星火星木星土星,在地球上无需望远镜就可以看到这五大行星——在西方占星术中也发挥着重要的作用。这些行星按它们自己的轨道、地球的轨道和旋转所决定的模式以黄道带为背景运行。许多占星家把近代发现的天王星、海王星和冥王星列入星象图中。一些占星家还把较大的小行星,以及一些小行星追随另一些小行星的行动都包含在内,比如超冥王星,它是冥王星轨道之外的远处的一颗小行星。

宫位

宫位,像星座一样,也是12个象征,是另外12个更为基本的人类领域。从物理上看,宫位是当地地平线分开的上下空间。从象征上说,宫位代表了具体的活动领域。它们是生活的舞台和场所,供人格通过行动得以表达的真实剧场。在中世纪、文艺复兴时期和现代占星术中,十二宫位指代人们生活中的十二种事物分类。每个宫位里的行星或星座会对这个宫位所掌管的领域产生最强烈的影响。分配在不同宫位的生活的各个方面会有一些变化,下面列出的清单源于中世纪的记载。

第一宫:求卜者,或称为之占卜的人。

第二宫:动产、物质财富、收益、商业交易、求卜者渴望的物欲,以及赃物。

第三宫:兄弟姐妹、求卜者的邻居和环境、短期旅行、信件、忠告、新闻和谣言。

第四宫:父亲和母亲、父母的遗产、田宅、农业、房屋、建筑物、财宝、任何私密而古老的地点和事物、年老、隐藏的事情,以及任何事物的终结。

第五宫:怀孕、子女、娱乐和使人欢快的事物、掌管水和雨。

第六宫:仆人、雇员、小动物、疾病和受伤。

第七宫:求卜者的配偶或恋人、恋爱关系、婚姻、伴侣关系、争吵、任何身份不明的人士。

第八宫:苦难、死亡、危险、继承(并非来自父母双亲)。

第九宫:宗教、哲学、学习和教育、艺术、智慧、长途跋涉、占卜

第十宫:就业、社会地位、处于权力地位的人、法院和法官、天气。

第十一宫:朋友、帮助源泉、吉祥、求卜者的希望和愿望。

第十二宫:敌人、痛苦、困难、任何神秘的事物、监禁、大型动物、求卜者的恐惧。

相位

如果说星座行星和宫位是占星语言中的基本词汇,那么相位就是规定这些词语如何组合在一起的语法和句法。当命盘中两个行星(或敏感点)的距离形成某个特定角度时,占星学中称其相互形成了“相位”(或称“方位”)。相位将会强化形成相位的行星对人命盘的影响力,并构成一些特有的分析含义,它是两颗或两颗以上的行星能量交互影响下的产物。相位有好坏、正负之分,正面影响的相位起到和谐、助益的作用,而负面影响的相位则会带来缺陷和阻碍。

零度:合相

所有相位中最简单的一个就是合相。当两颗行星彼此重叠时,就是合相。它们的功能彼此嫁接到一起,彼此为对方添上自己的味道,结合成一个“巨型碎片”,比单个的“星座一行星一宫位”组合要复杂得多。融合——是合相的本质。

180度:冲相

冲相在古代占星学中是“坏”相位。这个相位会制造巨大的紧张,但是这种紧张也能为星盘带来巨大的深度和弹性。这取决于这个人选择如何对冲相所代表的问题进行反应。

张力——是理解冲相的关键。当两颗行星处于冲相状态时,两颗行星不可调和地极化了,一个向左转,另一个向右转。这种看似相反的运动方向并不是由于任何反常行为导致的,而是每颗行星根据其自身的内在逻辑和物理规律自然运作的结果。然而,这种极化状态导致了它们之间的一种张力,因为它们的影响和力量总是相互削弱对方。

90度:刑相

和冲相一样,刑相也被认为是凶相位。然而,说它“凶”并非因为刑相本身具有负面能量,而是因为人们往往没有正确地理解和应对这种相位所代表的进化问题。刑相带来的摩擦和冲突,源于两个星座之间缺乏相互理解和共同语言。这种天生的不和使得处于刑相的两个星座难以找到共同点,从而增加了解决冲突的难度。相比来讲,冲相要更为和谐,相对的两个星座总是有一些共同点。刑相则不是这样。90度相位的摩擦特质是一种绝对的天生的不和。相刑的两个星座没有任何相互理解的基础。没有共同点,没有共同语言。

120度:三分相

三分相是一个和谐相位,这种相位表明所涉及的行星以互补互助的形式共同运作,相互充实,为个人的生活和发展带来积极的影响。三分相通常代表着天赋、才能和潜能的体现,它展现了我们的天资所在,使我们在特定领域或方面具备独特的优势和优势。但是,我们是否真的运用它,则取决于我们自己。

60度:六分相

在占星学中,六分相通常被视为一种具有和谐效力的相位关系。它描述的是两个天体在其运行轨道上相对于彼此处于60°的角度关系。六分相所展现的和谐效力,同样取决于所涉及的行星以及它们之间的相互作用。当两个行星处于六分相时,它们之间的能量流动通常是顺畅和互补的。这种互补性使得这两个行星所代表的品质、能力和特质能够相互增强,从而在个人或事件中产生积极的影响。然而,六分相的和谐效力并非绝对。它同样受到行星本身的性质、它们之间的相对位置以及其他因素的影响。

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