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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，公元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：ٱلأَسْطُرلاب‎ al-Asṭurlāb; 波斯语：ستاره‌یاب‎ Setāreyāb）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、欧洲中世纪和地理大发现时代中，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）。

星盘的例子

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公元前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。星盘是平面球和望筒的结合，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）（约 335–约 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（约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（约373 – 约414）[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。大约在公元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》（约公元920年）中建立的，该论文由柏拉图·提布提努斯（英语：Plato Tiburtinus）（De Motu Stellarum）翻译成拉丁文。现存最早的星盘日期为伊斯兰历315（公元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在中世纪发明的[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 Abbey）的Herman 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 Athari）或ibn 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中[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，为分工的批式生产提供了一些最早的证据。

中世纪星盘

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，上面刻着一个圆的球极平面投影，表示天球在地平线上部分的方位角和高度角。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，承载着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。

星盘的建造
  • 耶鲁大学收藏的格奥尔格·哈特曼（英语：Georg Hartmann）星盘。该仪器显示出网格和尺规。
    耶鲁大学收藏的格奥尔格·哈特曼（英语：Georg Hartmann）星盘。该仪器显示出网格和尺规。
  • 1144年伊朗的伊斯法罕（？）天球仪。这个天球仪曾在卢浮宫的博物馆展出，是世界上现存第三古老的。
    1144年伊朗的伊斯法罕（？）天球仪。这个天球仪曾在卢浮宫的博物馆展出，是世界上现存第三古老的。
  • 计算机生成的平面球面星盘（planispheric astrolabe）
    计算机生成的平面球面星盘（planispheric astrolabe）

数学基础

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星盘的建造和设计是基于天球的立体投影的应用。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。它是能够在日和年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. 地平线和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、赤道和北回归线）来确定一年中的至日和分日的精确时刻

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，随着时间的推移，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和分日的确切时刻：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，它象征着冬至（对于南回归线的观测者来说，太阳将处于天顶，意味着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。这意味着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.  ：红点表示天顶和天底（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，会产生一条与天顶和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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    开放图书馆：18840299M
    repr. London: Holland Press, 1976,
    开放图书馆：14132393M
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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.
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注解
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  • Krebs, Robert E.; Krebs, Carolyn A., Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the Ancient World, Greenwood Press, 2003 .
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  • Neugebauer, Otto E, A History of Ancient Mathematical Astronomy, Springer, 1975 
  • North, John David, God's Clockmaker: Richard of Wallingford and the Invention of Time, Continuum International Publishing Group, 2005, ISBN 978-1-85285-451-5 

外部链接

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维基共享资源中相关的多媒体资源：星盘（分类）
英文维基文库中的《1911年版大英百科全书》条目：Astrolabe
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