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星盘

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星盘
一个16世纪的简单星盘
Planispheric Astrolabe made of brass, cast, with fretwork rete and surface engraving
北非,西元9世纪,平面的星盘(等高仪)。哈利利系列英语Khalili Collections
2013年,在伊朗古都大不里士制作的现代星盘。

星盘古希腊语ἀστρολάβος astrolábos; 阿拉伯语:ٱلأَسْطُرلابal-Asṭurlāb; 波斯语ستاره‌یابSetāreyāb)是一种古老的天文仪器,可以说是手持的宇宙模型。它的各种功能也使它成为一个精巧的测斜仪英语Inclinometer和一个能够解决天文学中几种问题的类比计算装置。在最简单的形式中,它是一个金属圆盘,带有导线、切口和穿孔的图案,允许使用者精确计算天体的位置。历史上的天文学家使用它,无论在白天或夜晚,能够量测天体在地平线上的高度;它可以用于识别恒星或行星,确定给定当地时间的当地纬度(反之亦然),量测或进行三角测量。它在古典时代伊斯兰黄金时代、欧洲中世纪地理大发现时代中,用于所有这些目的。

星盘的重要性不仅来自于天文学研究的早期发展[1],对于确定陆地或平静海面上的纬度也很有效。然而,在波涛汹涌的海面上,船舶的甲板随之升降时就不太可靠,为了解决这个问题,于是开发出了水手星盘英语Mariner's astrolabe

应用

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16世纪用星盘测量建筑物高度的木刻。

一位10世纪的天文学家推断,星盘的各种功能大约有1000种应用[3][需要较佳来源],范围从占星术、天文学和宗教,到季节和日常计时和潮汐表。在星盘被大量使用的时代,占星术被广泛认为与天文学一样是一门严肃的科学,对两者的研究是并行不悖,齐头并进的。天文学的兴趣在民间天文学(阿拉伯的前伊斯兰传统),和数学天文学之间有所不同,民间天文学与天文和季节性观测有关,数学天文学则为知识实践和基于天文观测的精确计算提供资讯。关于星盘的宗教功能,伊斯兰祈祷时间的要求是由天文数值确定,以确保每天的精确时间,穆斯林祈祷和朝拜必须朝向麦加的方向,也可以通过星盘这种装置确定。除此之外,由星盘计算得出的阴历对伊斯兰教具有重要意义,因为它决定了重要宗教仪式的日期,如斋戒月

词源

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牛津英语词典》给出了英语单词"astrolabe"翻译自"star-taker",并通过中世纪拉丁语将其追溯到Greek字词"ἀστρολάβος": astrolábos[4][5],来自astron "star"和λαμβάνειν : lambanein "to take"[6]

在中世纪伊斯兰世界的阿拉伯语单词al-Asturlāb(即星盘)被赋予了各种词源。

在阿拉伯文中,这个词被从希腊单词直接翻译成"星星塔"(阿拉伯语:آخِذُ ٱلنُّجُومْ‎,"star-taker")[7]

比鲁尼引用并责备中世纪科学家哈姆扎伊斯法哈尼英语Hamza Al-Isfahani,他说[7]:"asturlab是这个波斯语短语的阿拉伯化"(sitara yab,意思是"星星的接受者"。)[8]。在伊斯兰黄金时代的来源,还有一个民间词源英语Folk etymology这个词作为"lines of lab",其中"Lab" 指的是伊德里斯(以诺)的某个儿子。 10世纪的一位名叫阿里·伊本·易卜拉欣·库米英语Ali Ibn Ibrahim Qomi的科学家提到了这个词源,但被花拉子米拒绝了[9]

历史

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中世纪在伊斯兰出现的球型星盘
一个1208年的波斯星盘

古代的星盘

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早期的星盘是佩尔加的阿波罗尼奥斯在西元前220年至150年之间在希腊化时代发明的,但一般都认为是喜帕恰斯发明的。星盘是平面球望筒的结合,实际上是一个类比计算机,能够解决天文学中的几种不同问题。亚历山大的席恩英语Theon of Alexandria 335 405)写了一篇关于星盘的详细论文,路易斯[10]认为托勒密使用星盘进行了占星四书中记录的天文观测。平面星盘的发明有时被错误地归因于席恩的女儿希帕提亚350–370; died 415 AD)[11][12][13][14]。但事实上,在希帕提亚出生之前至少500年,星盘已经在使用了[12][13][14]。这个错误归因来自于希帕提亚的学生辛奈西斯373414[12][13][14],其中提到希帕提亚教他如何建造平面星盘,但并没有任何文字提到是她自己发明了它[12][13][14]

星盘在整个拜占庭时期提的希腊语世界中一直在使用。大约在西元550年,基督教哲学家约翰·费罗普勒斯用希腊语写了一篇关于星盘的论文,这是现存最早的关于该仪器的论文[a]。美索不达米亚主教西弗勒斯·塞博赫特英语Severus Sebokht也在7世纪中叶用叙利亚语写了一篇关于星盘的论文[b]塞博赫特在他的论文中提到星盘是由黄铜制成的,这表明金属星盘在东正教的发展,早于伊斯兰世界或拉丁西方发展之前就已经为人所知[15]

文艺复兴时期最早涉及科学问题的论文多基于早期的古典作品,并且经常关注托勒密教义[来源请求]

中世纪时代

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星盘在中世纪伊斯兰世界得到进一步发展,其中穆斯林天文学家在设计中引入了角度的尺度[16],在地平线上添加标示方位的圆[17]。它在整个穆斯林世界被广泛使用,主要是作为一种导航和一种寻找朝拜,即麦加方向的管道。八世纪的数学家穆罕默德·法扎里英语Muḥammad ibn Ibrāhīm al-Fazārī是伊斯兰世界制作星盘的第一人[18]

数学背景是由穆斯林天文学家巴塔尼在其论文《Kitab az Zij》(约西元920年)中建立的,该论文由柏拉图·提布提努斯英语Plato TiburtinusDe Motu Stellarum)翻译成拉丁文。现存最早的星盘日期为伊斯兰历315(西元927-28年)。在伊斯兰世界,星盘被用来确定日出和恒星升起的时间,以帮助安排晨祷(salat)。在10世纪,阿左飞首先描述了星盘的1,000多种不同用途,包括天文学占星术导航测量学、计时、祈祷、晨祷基卜拉等领域[19][20]

球面星盘是星盘和浑仪的变体,是由天文学家和伊斯兰世界的发明家中世纪发明的[c]。 对球面星盘的描述,最早可以追溯到Al Nayrizi英语Al Nayrizi([floruit | fl.]892-902)。在12世纪,萨拉夫·丁·图西英语Sharaf al-Dīn al-Tūsī发明了"线性星盘",有时被称为"图西尺规"。这是"一根简单的木棒,有刻度标记,但没有瞄准镜。它配有铅垂线和双弦,用于进行角度量测,并带有穿孔指针"[21]。齿轮机械星盘是由伊斯法罕的Abi Bakr于1235年发明的[22]

西欧第一个已知的金属星盘是11世纪在葡萄牙用黄铜制成的德东布(英语:Destombes)星盘[23][24]。金属星盘避免了大型木制星盘容易出现的翘曲,因此可以建造更大、更精确的仪器。但金属星盘比同样大小的木制星盘重,因此很难在航海中使用[25]

Reichenau Abbey英语Reichenau AbbeyHerman Contractus英语Herman Contractus研究了11世纪"量测天文学"中星盘的使用[26]马里孔特的彼得英语Petrus Peregrinus de Maricourt在13世纪后半叶写了一篇关于全球星盘的构造和使用的论文,题为"Nova compositio astrolabii Specialis"。可以在牛津科学史博物馆英语History of Science Museum, Oxford找到全球星盘。[27]。伊斯兰仪器历史学家大卫·A·金(英语:David A.King)将阿勒坡的伊本·萨拉吉(英语:Ibn al-Sarraj,又名Ahmad bin Abi-Bakr;fl.1328)设计的全球星盘描述为"整个中世纪和文艺复兴时期最复杂的天文仪器"[28]

英国作家杰弗里·乔叟(约1343-1400)主要基于马沙拉英语Mashallah ibn Athariibn al-Saffar英语ibn al-Saffar的作品,为他的儿子编纂了《"星盘论英语A Treatise on the Astrolabe"》[29][30]。法国天文学家和占星家Pélerin de Prusse等人也翻译同一来源的著作。关于星盘的第一本印刷书籍是普拉查提斯的克利斯蒂安英语Christian of Prachatice的《星盘的组成和使用》,也使用了马沙拉的资料,但相对来说是原创的。

在1370年,印度第一篇关于星盘的论文是由耆那教天文学家Mahendra Suri英语Mahendra Suri撰写的,标题为"Yantrarāja"[31]

水手们在出海时使用一种简化的星盘,称为"balesilha",以获得准确的纬度读数。"balesilha"是由亨利王子(1394-1460)在前往葡萄牙的途中推广的[32]

几乎可以肯定的是,奥里拉克的格伯特(Gerbert d'Aurillac)(后来的教宗思维二世)首先将星盘带到比利牛斯山脉北部,在11世纪初的某个时候,它在法国兰斯的学校被综合到四艺[33]。 在15世纪,法国仪器制造商Jean Fusoris(约1365-1436年)也开始在他位于巴黎的商店里重新制作和销售星盘,以及可携式日晷和其他当时流行的科学设备;他的星盘至今仍然留存了13个[34]。15世纪早期,欧洲工艺的另一个特殊例子是安东尼乌斯·德·帕森托设计的星盘,由多明尼克斯·德·兰扎诺制造,日期为1420年[35]

在16世纪,Johannes Stöffler英语Johannes Stöffler出版了《"Declicatio fabricae ususque astrolabii"》,这是一本星盘构造和使用手册。由Georg Hartmann英语Georg Hartmann制作的四个相同的16世纪星盘,为分工批式生产提供了一些最早的证据。

中国的星盘

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用于中国的星盘,跟西方不一样的地方是中国使用的是12个时辰,分别是子时、丑时、寅时、卯时、辰时、巳时、午时、未时、申时、酉时、戌时、亥时,依照上面的顺序排版。[来源请求]

星盘和时钟

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亚美利哥·维斯普奇用星盘观察南十字座。作者Jan Collart II英语Jan Collart II普朗坦-莫雷图斯博物馆安特卫普,比利时。

机械天文钟最初受到星盘的影响;它们在许多方面可以被视为发条式星盘,用于连续显示太阳、恒星和行星的当前位置。例如,沃林福德的理查的钟(约1330年)基本上由一张固定在网后旋转的星图组成,类似于星盘[36]

许多天文钟使用星盘式显示,例如著名的布拉格天文钟,采用黄道面的球极平面投影(见下文)。近年来,星盘手表变得很流行。例如,1985年,瑞士钟表制造商Ludwig Oechslin英语Ludwig Oechslin结合雅典表合作设计制造了一款星盘手表[37]。荷兰手表制造商Christaan van der Klauuw现在也生产星盘手表[38]

构造

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星盘由一个称为"母盘"(mater)的圆盘组成,其深度足以容纳一个或多个称为"子盘"或"克利莫英语Clime"的平板。一个子盘英语tympan是为一个特定的纬度制作的,上面刻著一个球极平面投影,表示天球在地平线上部分的方位角高度角。母盘金属边缘通常分为时间弧度,或两者并存[39]

在母盘和子盘上方,是一个"网"的框架,承载著黄道平面的投影和几个指针英语Pointer (rod),可以自由旋转来指示最亮恒星的位置。这些指针取决于工匠的技能,通常只是简单的点,但也可以是非常精细和艺术化。有一些星盘的例子,其中有球、星星、蛇、手、狗头和树叶等形状的艺术指针[39]。标示的恒星名称通常用阿拉伯语或拉丁语刻在指针上[40]。一些星盘有一个狭窄的"尺子"或"标签",可以在网上旋转,并且用赤纬的刻度来标记。

代表天空的网,起著星图的作用。当它旋转时,恒星和黄道在子盘上的座标投影上移动。一个完整的旋转相当于一天的过去。因此,星盘是现代星座盘的前身。

在母体的背面,通常刻有许多刻度,这些刻度在星盘的各种应用中都很有用。但这些刻度会因为设计师不同而有很大的差异,可能包括时间转换曲线、将一个月中的某一天转换为太阳在黄道上位置的日历、三角尺度以及围绕后缘周围360度的刻度。"照准仪"则附在背面。当星盘垂直握持时,可以旋转星盘,并以方位仪观察太阳或恒星,以便可以从星盘的刻度边缘读取(“得到”)其高度(以度为单位);因此,这个词的希腊语词根:“astron”(ἄστρον)=star+“lab-”(λαβ-)=得到(to take)。

一些星盘的背面也出现一个可以产生阴影的正方形,这种星盘是穆斯林占星家在9世纪开发的,而古希腊传统的设备背面只有高度的刻度[41]。这被用来转换阴影长度和太阳的高度,其用途多种多样,从可以量测到量测无法到达之处的高度[42]

星盘制造商通常会在设备的背面署名,并在星盘背面刻有铭文。如果有该物品的赞助人,则其名称会出现在正面;或者在某些情况下,在位苏丹或星盘师的姓名也会出现在此处[43]。星盘的制造日期经常也会被签署,这使历史学家能够确定这些装置是世界上第二古老的科学仪器。 星盘上的铭文也让历史学家得出结论,天文学家倾向于自己制作星盘,但许多星盘也是按订单制作的,并有库存出售,这表明这些设备在当代有一定的市场[43]

星盘的一部分由一个圆盘、一个瞄准管、一个照准仪和装有刻度尺的臂组成。圆形圆盘是星盘的主要部分,它主要用于查看天空中的物体。瞄准管放置在圆盘的顶部,用于观察恒星或行星。照准仪有垂直和水平的十字准线,在称为等高圈(almucantar)的方位环上绘制位置。一个称为幅的臂从星盘的中心连接到光轴,光轴与另一个包含高度和距离测量值刻度的臂(也称为幅)平行。

数学基础

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星盘的建造和设计是基于天球立体投影的应用。通常进行投影的点是南极,投影到的平面是赤道的平面[44]

通过立体投影设计鼓室

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星盘鼓室的一部分

鼓室捕捉到天球坐标轴,“地球”将在这些坐标轴上旋转。它是能够在的特定时间点上精确确定恒星位置的部件。

因此,它应该投影:

  1. 天顶:其将根据星盘用户的纬度变化。
  2. 地平线地平纬圈或平行于地平于地平线的圆圈,这将允许确定天体的高度(从地平线到天顶之间)。
  3. 天球子午线(穿过天顶,南北向的经度线)和次子午线(通过天体在天顶与南北子午线相交的大圆),这将使天体的方位能够量测。
  4. 三个主要的纬度圈南回归线赤道北回归线)来确定一年中的至日分日的精确时刻

回归线和赤道定义了鼓室

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从南极到回归线和赤道的立体投影。

在影像的右侧:

  1.  :浅蓝色的球体代表天球
  2.  :蓝色箭头表示正北(北极星)的方向。
  3.  :中心的蓝色点代表地球(观测者的位置)。
  4.  :天球的地理南面是投影极
  5.  :赤道平面做为投影平面
  6. 三个平行的圆圈代表地球主纬度圈在天空中的投影:

当投影到赤道平面上时,三个同心圆对应于地球的三个纬度圈(影像的左侧)。其中最大的一个是南回归线,它定义了星盘的鼓室大小。鼓室的中心(以及三个圆的中心)实际上是地球自转的南北轴,因此,随著时间的推移,星盘的“中心”将围绕这一点旋转(由于地球自转)。

鼓室上的三个同心圆有助于确定全年至日分日的确切时刻:如果知道太阳在“日期”上的位置,并且它的位置及鼓室的外圆(南回归线)重合,它象征著冬至(对于南回归线的观测者来说,太阳将处于天顶,意味著南半球的夏天和北半球的冬天)。另一方面,如果它的位置与内圈(北回归线)重合,则表示夏至。如果它的位置在中间的圆(赤道)上,它对应于两个分点中的一个。

地平线和高度量测

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在特定纬度的观测者,其地平线的立体投影

在第一个影像的右侧:

  1.  :蓝色箭头表示正北(北极星)的方向。
  2.  :中心的蓝色点代表地球(观测者的位置)。
  3.  :黑色箭头代表观测者的天顶方向(根据观测者纬度的不同而变化)。
  4.  :黑圈代表观测者周围的地平线,它垂直于天顶向量,定义了观测者可见的天球部分。
  5.  :天球的地理南面是投影极
  6.  :赤道平面做为投影平面
地平线和地平纬圈的立体投影。

当将地平线投影到赤道平面上时,它会转化为相对于南北轴(鼓室中心)向上移动的椭圆。这意味著天球的一部分将落在鼓室的外圆(南回归线)之外,因此不会被呈现。

此外,当绘制平行于地平线直到天顶的圆(地平纬圈)时,会构建一个连续椭圆的网格,当“基准”与设计的鼓室重叠时(如第二张影像所示),可以确定恒星的高度

子午线与方位量测

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南北子午线和偏东40°的子午线在星盘鼓室上的立体投影。

在影像右侧:

  1.  :蓝色箭头表示正北(北极星)的方向。
  2.  :中心的蓝色点代表地球(观测者的位置)。
  3.  :黑色箭头代表观测者的天顶方向(根据观测者纬度的不同而变化)。
  4.  :黑圈代表观测者所在地周围的地平线,它垂直于天顶向量,定义了观测者可见的天球部分。
  5.  :红点表示天顶天底天球上相对于观测者与天顶相对的点)。
  6.  :橙色圆圈代表天球子午线(或对观测者来说,从地平线的正北方经过天顶至地平线正南方的子午线)。
  7.  :红圈代表一条相对于观测者地平经线,在东方40°的次子午线。与所有次子午线一样,它在天顶和天底与主子午线相交。
  8.  :天球的地理南面是投影极
  9.  :赤道平面用作投影平面

投影天球子午线时,会产生一条与天顶天底所在的鼓室垂直轴重叠的直线。然而,当投影东方40°的次子午线时,会获得另一个同时穿过天顶和天底投影的圆,因此其中心位于连接两个点的线段的垂直平分线上。实际上,天球子午线的投影可以被认为是一个半径无限大的圆(一条直线),其中心位于该平分线上,距离这两点无穷远。

如果投影将天球划分为相等扇区的连续子午线(如从天顶辐射的“橙色切片”),则可以获得穿过天顶投影在鼓室上的曲线族。这些曲线一旦与包含主要恒星的“轨道”重叠,就可以确定位于“轨道”上旋转时,在一天中特定时间的恒星方位

相关条目

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参考资料

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脚注
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    Severus' treatise was translated by Jessie Payne Smith Margoliouth in R.T. Gunther, Astrolabes of the World, Oxford, 1932, pp. 82–103.
  3. ^ Savage-Smith, Emilie. Book Reviews. Journal of Islamic Studies. 1993, 4 (2): 296–299. doi:10.1093/jis/4.2.296. 没有证据表明球面星盘起源于希腊,但迄今为止已有的证据表明,它可能是一个早期但明显的在伊斯兰发展,没有希腊的先例。 
注解
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书目
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  • King, Henry, Geared to the Stars: the Evolution of Planetariums, Orreries, and Astronomical Clocks, University of Toronto Press, 1978 
  • Krebs, Robert E.; Krebs, Carolyn A., Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the Ancient World, Greenwood Press, 2003 .
  • Laird, Edgar, Carol Poster and Richard Utz , 编, Astrolabes and the Construction of Time in the Late Middle Ages., Constructions of Time in the Late Middle Ages (Evanston, Illinois: Northwestern University Press), 1997: 51–69 
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  • Neugebauer, Otto E, A History of Ancient Mathematical Astronomy, Springer, 1975 
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外部链接

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