北京的建国门地铁站C口出来，有一处特别容易被忽略的全国重点文物保护单位——古观象台。
始建于元大都时期的古观象台，原名“司天台”，后毁于战火。明正统七年重建，改名“观星台”，清代改称“观象台”。这里是世界上最古老的天文台之一，也是中国明清两代的皇家天文台。它以观测时间久、观测记录完整、建筑功能完备和仪器配套齐全而在国际上久负盛名。
从明朝正统年间起，到1929年止，这座古观象台连续从事天文观测达五百年，其中包括从1724至1902年，近一百八十年间，每一天的气象记录完备资料，这也是世界上现存最早的气象观测记录。
北京 古观象台。©高铭
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天文极客
元世祖忽必烈至元十六年（1279），郭守敬等人在如今北京建国门附近建造了司天台，用于观测星象。
郭守敬在早年学过道家，精通五经，擅长数学、光学、水利学、天文学、地理学等，由于在科学领域的成就实在太大了，甚至无法用一个准确的头衔来描述。
古观象台及郭守敬铜像
郭守敬是一个世界知名的技术极客型的人物。1970年，国际天文组织将月球背面的一个环形山命名为“郭守敬环形山”，1978年，国际天文组织又将国际编号为2012号的小行星命名为“郭守敬星”。中科院国家天文台也将国家重大科技基础设施LAMOST望远镜命名为“郭守敬天文望远镜”。而这位郭守敬，有一个大名鼎鼎的老师，刘秉忠。
--- 神人刘秉忠 ---
刘秉忠（1216-1274），出身世宦之家，自幼聪颖，十三岁时入都元帅府为质子，十七岁为邢台节度府令史，之后一度弃官隐居，拜虚照禅师为师。后入大蒙古国忽必烈幕府，以布衣身份参预军政要务。他跟随忽必烈左右，因已出家穿僧衣，法名子聪，又为忽必烈掌管文案，所以被称为“聪书记”。他活跃于蒙元初期政坛，对元代政治体制、典章制度的奠定发挥了重大作用。
至元八年（1271），刘秉忠建议忽必烈取《易经》“大哉乾元”之意，将大蒙古国更名为“大元”。 他对元大都的规划设计，奠定了北京市最初的城市雏形。 最具代表性的北京“中轴线”即是他主持定的规划，并一直沿用至今。
北京中轴线被故意设计成与子午线偏离了2度，而其延长线恰好向北直指忽必烈的发祥地元上都，其实整个城市都是精心设计的一个超大型的跨地域风水布局。
北京市丰台区 卢沟桥旁 刘秉忠碑
刘秉忠出身道家，不但精通易理、方术，还是一位诗文词曲兼长的文学家，有《藏春集》六卷、《藏春词》一卷、《诗集》二十二卷等著作传世，也有术数类著作《平沙玉尺》四卷，《玉尺新镜》二卷。他在辅佐外族元首忽必烈的岁月中，伴君如伴虎，留下“藏春”的谜之名号。晚年皈依佛门，后无疾而终，是元初唯一位列三公的汉人。
--- 极客郭守敬 ---
郭守敬，邢州（今河北邢台）人，从小与祖父郭荣一起生活。郭荣学识渊博，不但通晓经书，对数学、天文、水利等都有研究。郭守敬少年时候，在祖父的影响下，对科学发生浓厚的兴趣。刘秉忠和他的朋友张文谦等在邢州西南紫金山讲学时，郭荣便把郭守敬送到刘秉忠那里学习。
在刘秉忠的带领下，郭守敬重度参与了北京城的原型元大都的建设。有资料显示，当时元朝皇宫的遗迹，如今就埋藏在故宫博物院地下，而天安门前的金水河，也是由他们设计的。
“金”代表西方，从西边把玉泉山的水引到皇宫门口，于是这条河就叫了金水河。现在已是相当著名的地理坐标，北京CBD南侧的通惠河，也是郭守敬主持修建的。
从金水河一直向东，可连接通惠河，顺流而下至京杭大运河，南北交通和漕运事业因为这些人工河道而得以快速发展。郭守敬修完通惠河后，深得忽必烈的赞赏，得了一万二千五百贯巨款作为奖金。
但让郭守敬留名青史的，还是作为天文学、占星术的大师，在距今700多年前主持修建的，用于天文观测的司天台。
至元十三年（1276），因为由南北朝时期著名数学家、科学家祖冲之创制作的旧法《大明历》已经沿用200多年，误差极大，需要修正。忽必烈决定颁行新的历法，令郭守敬成为主要制定者之一。而此时元朝能够用于天文观测的仪表要么年久失修，要么精度失调。
奉行“历之本在于测验，而测验之器莫先于仪表”的郭守敬，为了能够获得最准确的测量数据，在三年内就研制出简仪、仰仪、玲珑仪等十多种新的天文仪器。他发明的“简仪”是在传统的浑天仪的基础上改造完成的，不仅改变了基本机构，而且更加简单实用，在测量方面也更加精确，是当时世界最先进的天文观测仪器。
简仪 托马斯·查尔德 摄于1875年
郭守敬在司天台最大的贡献，是推出无比精确的《授时历》，这比同样精度的全球现行《格里高利历》（即阳历）早300多年。
在修编《授时历》的过程当中，除了改造设备仪器，郭守敬还非常重视实际观测所得的天文数据。他得到了忽必烈的授权，在全国建立了27个天文观测点，派遣监候官14人分道而出，自己也跋涉千里进行实地测验。这次观测范围，东起朝鲜半岛，西至四川、云南和河西走廊，南到南中国海，北到西伯利亚的广大地域，史称“四海测验”。
而由此整理出测定不同地域真太阳时的技术方法，加上他整理的之前近900年的天文资料，从中选出可信数据，经过精确运算，最终得出回归年为365.2425天的精确数字，这与现行天文历法完全一致。
浑仪 托马斯·查尔德 摄于1875年
古代东方与西方的天文学、占星术，在很多地方都有共同点。比如中国的十二地支（十二生肖），与西方的黄道十二宫就能够精准对应。
由于术数界的八字、六爻、紫微斗数等等，其有效的前提就是时间坐标准确、精确。尤其是介于两个时辰交界处，或是恰好生于节令日（如立秋）的换气点，往往分钟级的误差都会导致八字构成的迥异。
而在观测上最大的难点就在于，如何将一个太阳年的周期作完美的十二等分，甚至二十四等分，即确定节气点。
《授时历》的推出，让古人获取生辰八字这类时间坐标的精确度，能直接达到与现代相差无几的程度。
至元十八年（1281），《授时历》正式颁行。但是，郭守敬的工作仍然没有停止。他又花费四五年的时间，整理资料、潜心著书，先后完成《推步》、《立成》、《历议拟稿》等天文历书，使《授时历》得以流传后世，并且传播到日本、朝鲜等地。
大德七年（1303），成宗下诏，官员年满七十者可申请并批准退休。但是特别要求只有郭守敬不享受此政策。因为朝廷还有工作依靠他，不准他退休。于是他的职业生涯直到八十六岁寿终正寝时才结束。而由此形成了一个新例，太史院的天文官都不准退休。
郭守敬去世后，他的学生、太史院继承人、元代天文学家齐履谦在为他撰写的传记《行状》中，将郭守敬的一生功绩总结如下：“一曰水利之学，二曰历数之学，三曰仪象制度之学。
北京西城区德胜门 郭守敬纪念馆
随着改朝换代，司天台毁于明朝崛起的战火中。而明代初期订定历法时，舍弃了元代郭守敬主持推算的《授时历》，以宋代天文图为正统。
南宋 时刻天文图 拓片。©苏州文庙
到了明万历三十八年十一月丙寅日（1611年1月8日），礼部上奏，称钦天监屡测不验，于是朝廷便组织一批专家来解决历法失验、观象台建筑与天文仪器损毁等问题。
明成祖朱棣迁都北京后，在元大都的基础上重新营建北京城，但官方天文观测机构直到明英宗正统七年（1442）才设立，朝廷下令利用元大都的角楼旧址和土墙，新建观象台上放置了浑仪、简仪、浑象等天文仪器，从此开启了明清两代五百年的天文观测工作。
观象台城台 托马斯·查尔德 摄于1875年
02
外籍台长
明朝末年，东西方交流日益频繁，西洋传教士开始与中国皇家产生密切的接触。来自西方的天文学、数学被引入钦天监的工作，东西方的天文学开始交汇融合。
在玄学领域，对东西方交流产生重大推动作用的传教士有两位，一位是清朝康熙年间来华的法国传教士白晋（Joachim Bouvet），他把《易经》带去了欧洲并疯狂宣传，其中的阴阳二进制思想启发了数学家莱布尼茨，后者进而发明了计算机的雏形。
另一位则是德国传教士汤若望（Johann Adam Schall von Bell），他不但加入了中国皇家的钦天监，而且还成为跨越明、清两代的国家天文台台长。
利玛窦、汤若望与南怀仁。©波士顿图书馆
汤若望于天启二年（ 1622 ）进入中国传教，他有着丰富的天文学知识。1629 年，大明王朝的钦天监推算日食时间失败，崇祯皇帝命令官员徐光启重修历法，后者在1630年调汤若望进京，协助制定《崇祯历书》。汤若望虽是外国人，但因掌握着天文计算的独特技能，顺理成章进入了钦天监。
汤若望与星盘 版画 1668。©美国盖蒂中心
崇祯七年（1634），《崇祯历书》正式完成编辑，这部书包括137卷，全书分节次六目和基本六目，前者是关于历法的，后者是关于天文学理论、天文数学、天文仪器的。《崇祯历书》大量引用哥白尼的《天体运行论》，首次引入“地球”的概念，在计算方法上还利用了球面和平面三角学，并且引入了黄道坐标系。由于明朝末年的战乱，《崇祯历书》最终没能将新的历法在全国推行。
明崇祯十七年（1644）也就是清顺治元年，多尔衮率清军攻占北京城，中国面临改朝换代。汤若望上书请求保护，获得清政府的妥善庇护。钦天监也在一片风雨飘摇中保留下来，汤若望也因此成为跨越明、清两代的中国国家首席天文官。
顺治元年元月，汤若望上书，以西洋新法推算本年八月初一日将发生日食。届时验证，分秒不差，而同时参与预测的大统、回回两种历法均存在较大误差。由此，汤若望深受清宫信任并被重用，当年十一月，即被任命为钦天监监正，负责推算制定新历和预测天气等事宜。
顺治元年七月初二，顺治皇帝采用了汤若望删改《崇祯历书》后的103卷，作为《西洋新法历书》，后来多尔衮建议，易名为“时宪”，以符合朝廷“宪天乂民”的至意，《时宪历》在第二年正式颁行全国。
大清顺治二年七政经纬躔度时宪历。©故宫博物院
《时宪历》最重要的一个改进，就是将二十四节气的制定，由平气（全年平均分成二十四份，以确定节气时间）改为定气（以太阳在黄道上位置为标准），这一改变大大提高了历法的科学性。现代的中国旧历（或称夏历、农历）的基本标准，实际上就来自《时宪历》。
顺治十六年（1659），反对西法制历的杨光先即作《辟邪论》，指斥天主教为“邪教”，次年又上疏斥责汤若望在《时宪历》封面上题写“依西洋新法”其目的是“借大清之历以张大其西洋，而使天下万国晓然知大清奉西洋之正朔”。因当时顺治帝尚在，汤若望未受影响。
清 杨光先 《辟邪论》手稿局部。©台北国立中央图书馆
康熙元年（1662）传教士利类思作《天学传概》批驳杨光先。三年，杨光先作《不得已书》称：“宁可使中国无好历法，不可使中国有西洋人。”利类思又作《不得已辩》批驳。杨光先上书参汤若望“潜谋造反，邪说惑众，历法荒谬”，得到鳌拜等人的支持，汤若望被判死刑，南怀仁等被驱逐出境，史称“康熙历狱”或“汤若望案”。
康熙四年（1665），在孝庄皇太后干预下，汤若望等传教士被赦免，但钦天官员李祖白、宋可成等被杀，信奉天主教官员被革职，并改派杨光先为钦天监监正。康熙五年（1666）8月15日，汤若望逝于南堂。各省督抚奉旨拘押当地西方传教士30余人，除南怀仁等教士留京，其他25人被押至广州圈禁。
1874年 沙俄考察团摄南堂
03
历史终点
“康熙历狱”后，杨光先被任命为钦天监监副，但他有自知之明，不懂历法，于是上疏请辞，但朝廷却将其提升为钦天监监正。杨光先被迫上任后，只好编纂《不得已》一书以自明心志。他推举吴明烜为钦天监监副，实际负责立法推算，以旧历取代西洋历法。
清 杨光先像
康熙七年（1668），鳌拜倒台，皇帝亲政，朝廷发现杨光先确实无法胜任历法推算，复启用汤若望的助手南怀仁。南怀仁遂提出要以实证证明西洋历法的准确度，并在次年的推算比赛中战胜了杨光先、吴明烜。
康熙皇帝为汤若望平反，恢复“通玄教师”之名，并赐地厚葬汤若望于利玛窦墓旁，御赐祭文一篇。任命南怀仁为钦天监监正，恢复时宪历。
清 李明（Louis Daniel Le Comte）《中國近事報導》观象台 1696年
1669-1674年间，由康熙皇帝授命，南怀仁设计和监造了6架新的天文仪器：赤道经纬仪、黄道经纬仪、地平经仪、象限仪、纪限仪和天体仪。
康熙五十四年（1715）纪理安设计制造了地平经纬仪。乾隆九年（1744），皇帝又下令按照中国传统的浑仪再造一架新的仪器，命名为玑衡抚辰仪。
古观象台 托马斯·查尔德 1875年摄
1900 年，八国联军入侵北京城，德军从东便门进城，把德军司令部设在观象台。
德军统帅兼联军统帅瓦德西登台看到天文仪器时，震撼得目瞪口呆：“这些仪器具有极高的艺术价值，它们的造型和每个仪器上的龙形装饰都是极为完美的！”于是下达了把它们作为战利品劫掠走的命令，法国侵略军也要分一杯羹，得到了瓦德西的批准。
1901年德国、法国军队在观象台上架起了拆卸天文仪器用的支架。
德军拆运天体仪。摄影：穆默·冯·施瓦茨恩斯坦茨（Alfons Mumm von Schwarzenstein）
赤道经纬仪被瓜分并插上了法国国旗。
法军拆运黄道经纬仪。摄影：穆默·冯·施瓦茨恩斯坦茨（Alfons Mumm von Schwarzenstein）
在劫掠天文仪器时，为了方便搬运，观象台的城墙也被拆毁。
德、法军队拆卸观象台天文仪器。摄影：穆默·冯·施瓦茨恩斯坦茨（Alfons Mumm von Schwarzenstein）
对观象台上的天文仪器瓜分拆卸完毕后，法军军官在法国使馆前合影。
遭受德、法军队掠夺后，观象台上的天文仪器被搬运一空，台面、墙体均有不同程度受损，而台上，只剩下一面“向风旗”。
被德军盗走的天文仪器，在运回德国后，安置于波茨坦无忧宫的橘园宫殿前。
1903年德国发行的明信片，印有安放于德国波茨坦离宫的中国古仪。©北京天文馆
法军将观象台上的五件天文仪器拆卸后，运到法国领事馆，因国际社会舆论压力而不得以于1905年将仪器还原归位。
1905年 法军归还天文仪器后的观象台
1909年，美国地质学家、威斯康星大学校长张柏林（Thomas Chrowder Chamberlin）到中国考察时，登上古观象台，拍摄了一系列照片。
一战结束后，根据《凡尔赛合约》的规定，这些珍贵文物陆续被返还中国。1922年，在经历了近20年的离散后，观象台上的十件天文仪器终于全部归位。但由郭守敬创立，跨越元（司天台）、明（观星台）、清（观象台）三代的中国古代天文历法部门，其使命也基本走到了历史的终点。
观象台天文仪器 《北京相册》。©澳大利亚国家图书馆
1927年，民国政府迁都南京，并在当地筹建了紫金山天文台。位于北京的古观象台不再作为观测使用，而在1929年被改为国立天文陈列馆。1931年，日本侵华战争爆发，钦天监的若干文物被运往南京保存，至今仍陈列在紫金山天文台和南京博物馆内。
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灵台仪象
古观象台上的清制8架铜仪，除了造型、花饰、工艺等方面具有中国的传统外，在刻度、游表、结构等方面，均采用欧洲天文学度量制和仪器结构，反映了西欧文艺复兴时代以后，大型天文仪器的进展和成就，是东西文化交流的历史见证。
--- 地平经仪 ---
制于康熙八年至十二年（1669-1673），仪重1811千克，仪高3.201米。由来华的比利时传教士南怀仁监制。
此仪主体是地平圈，圈内设有东西通径，中间为圆盘，用云柱支撑。四隅用三根龙柱及一根铸造精细的铜柱支撑，下面是十字交梁，有螺柱用来调整水平。在东西柱上，又立两根柱，两只苍龙沿柱蜿蜒而上，顶端各伸出一爪，合捧一个火球，球心表示天顶，与地平圈的中心成一条垂线。沿垂线方向安有一根上指天顶下指地心的中空立表，此表可旋转360度，立表下端设有一个与它垂直的横表，其长和地平圈外经相齐，平放在地平圈上。立表的中空处，上下各设有一个立柱，柱顶端有一个垂直的小孔，旁边有一个小孔贯穿两侧，并与垂直的小孔相通，两个立柱用垂线相连，立表上端两侧，平置两个小柱，从小柱分引两条斜线与横表两端相连。观测时，使待测天体与横表两端的线，和中心垂直在一个平面上，就可定出地平经度。
此仪曾于1900年被德国侵略者掠至柏林20年之久，于1921年重新安置在古观象台上。
--- 赤道经纬仪 ---
制于康熙八年至十二年（1669-1673），由来华的比利时传教士南怀仁监制。
仪重2720千克，仪高3.380米.最外是子午圈，南北两极各安铜轴，用半圆契合，使它固定.距两极九十度位置，横贯着赤道圈，与子午圈相交，从南极处伸出两个象限弧用来支撑赤道圈。赤道圈内是一个可绕极轴转动360度的过极经圈——赤经圈。两极之间的通轴中央安有横表。仪器下边有一半圆形云座，用来支撑子午圈，它的中央有一洞孔，用来装垂球。
该仪是中国古代天文观测中经常使用的仪器，用途有十四项，主要用来测量真太阳时和天体的赤经、赤纬。该仪曾于1900年被法国侵略者掠至法国驻华大使馆内，后迫于世界舆论，于1902年归还我国，重新安装在原来位置上。
--- 天体仪 ---
制于康熙八年至十二年（1669-1673），由来华的比利时传教士南怀仁监制。
仪重3850千克，仪高2.735米。此仪用一个直径为六尺的铜球代表天球，球面上布列着大小不等的镀金铜星1876颗，并把它们分为282个星官。球面上刻有赤道圈，与钢轴垂直。铜球外边南北直立的是子午圈，其上最高点代表天顶的的铜制火球。球面外与地平平行的是地平圈，四根立柱托着地平圈立于底座上。该仪用途有60多项，但它主要用于黄道、赤道和地平三个坐标系统的相互换算以及演示日、月、星辰在天球上的视位置等。
该仪曾于1900年被德国侵略者掠至柏林，1921年才重新安放在北京古观象台上，至今球面上还留有侵略者打下的弹痕。
--- 象限仪 ---
象限仪又称地平纬仪，制于康熙八年至十二年（1669-1673），由来华的比利时传教士南怀仁监制。
仪重2483千克，仪高3.611米。主要部件是一个90度的象限环，环中间以一条腾云驾雾的巨龙作为装饰。象限环竖边上指天顶，下指地心，横边与地平线平行，横竖两边相交于圆心。仪器的背面正中是数轴，轴两端是圆的，象限环固定在数轴上，可做360度旋转。东西各有一立柱，立柱上端、下端都有一横梁相接，梁中心凿有圆孔用来安装竖轴。象限环的圆心，伸出一根横轴，其上挂窥横，窥横下端有立耳，背面设有夹螺子（现已折断），旁边有游表（已遗失）。
该仪主要用于测定天体在地平上的或天顶距。1900年曾被法国侵略者掠至法国驻华大使馆内，1902年归还我国，重新安置在古观象台上。
--- 黄道经纬仪 ---
制于康熙八年至十二年（1669-1673），由比利时传教士南怀仁监制。
仪重2752千克，仪高3.492米，是中国第一架独立的黄道坐标系统观测仪器。外圈正立的是子午圈，两极安有铜轴，用半圆契合，使它固定.里面为极致圈，连接在极轴上。距黄极90度，横置着黄道圈，和极致圈相直交，两圈的交点，靠近北极者为夏至点，靠近南极者为冬至点。最里面是黄道经圈，用铜轴贯于黄道南北极。支撑子午圈的是一个半圆形云座，座下用两条相背升龙支撑，下接斜十字交梁。
此仪主要用于测量天体的黄道经度和纬度以及测定二十四节气。由于我国历代天文学家对黄道坐标系统并不十分重视，因此该仪制成后使用较少。
--- 纪限仪 ---
康熙八年至十二年（1669-1673），由来华的比利时传教士南怀仁监制。
仪重802千克，仪高3.274米。在中国此类仪器始于清朝。主要部件是一个60度的圆弧和一个干，干末端有手柄，柄端有一个小环，用来挂滑车的钩（滑车已散失），干的顶端伸出一根横轴，用来挂窥横（原窥横已遗失，现仪器上的窥横是后配的）。横轴稍下位置，左右各立一个小柱，用来帮助测量.60度的圆弧而以流云作为装饰，背部有枢轴，可以随意调整高低，用半圆齿轮来支撑，同时还设有用来转动的柄轮，观测时可以左右升降，它的下面中柱，插入游龙缠绕的圆座柱里，可四方旋转。
该仪主要用来测定60度内两星之间的角距离。1900年曾被德国侵略者掠至德国，于1921年重新安置在古观象台上。
--- 地平经纬仪 ---
制于康熙五十二年至五十四年（1713－1715），由来华的耶酥会传教士德国人纪理安督造。
仪重7368千克，仪高4.125米。此仪集地平经仪和象限仪的构造与作用于一体，所不同的是，将象限弧向上，游表不用夹缝方法，而采用游表两端各开一窥孔的方法，装饰上与前两架仪器有所不同，它是古观象台唯一采用西方文艺复兴时期法国式艺术装饰的天文仪器。使用时减少了由于两架仪器测量所带来的误差。
1900年，该仪和其他四架仪器仪器被掠至法国驻华大使馆内，后迫于舆论压力，于1902年归还中国。今天仍然可以清楚地看到侵略者留在挡风罩上的弹孔。
--- 玑横抚辰仪 ---
乾隆九年（1744）皇帝视察观象台时，看到台上天文仪器均为西洋的构造，随下令按中国传统的浑仪结构建造一架占仪。同年开始设计制造，工期历经十年。于乾隆十九年（公元1754年）制成。仪器南面用满汉两种文字镌刻“御制玑横抚辰仪乾隆甲子年造”。
仪重5145千克，仪高3.379米。仪器分为三重：最外一重叫子午双圈，双圈空隙表示子午线；赤道单环与子午双相交。子午圈下半部分用云座支撑，南北两极设有铜轴。中间一层由连接在南北两极的赤道经圈和游旋赤道圈组成。最内层是贯于两极轴上的双层赤经圈，其上端有一十字丝，使观测更为准确。
玑横抚辰仪是清代制造的最后一架大型铜仪，无论从冶金制造还是雕刻方式，都反映了当时的发展水平。1900年该仪曾被德国侵略者掠至柏林，于1921年归还中国并重新安装在北京古观象台上。
人类的存在，之于天文意义上的生命周期，不过只是宇宙的一次呼吸。但当我们仰望星空时，本能地无法摆脱对“天”以及“天外”的好奇和想象。在文明的发展过程中，人类对苍穹的探索从古至今从未停止过，在对“天”的凝视中，不由地会去追索更遥远和深邃的未来。
古观象台的星空。©翟悦迪
◇ 本文部分信息来源于北京天文馆、古观象台、中国国家图书馆、故宫博物院等
◇ 本文未标注图片来源于网络，版权归原作者所有
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