提 要 1669-1674年，耶稣会士南怀仁为北京观象台设计制造了六架欧洲式天文仪器，使中国天文仪器的精度达到了空前的水平。1713-1715年，纪理安为观象台添造了一架欧洲风格的地平经纬仪。1745-1754年，戴进贤、刘松龄和他们的中国合作者制造了一架玑衡抚辰仪。它遵循中国浑仪的结构旧制，采用了南怀仁用过的刻度制、零件结构和制造技术，本质上属于复古的设计。
关键词 天文仪器 欧洲化 清朝观象台
abstract
in 1669, the belgian missionary ferdinand verbiest (1623-1688) was in charge of guiding the design and manufacture of an ecliptic armillary sphere, an equatorial armillary sphere, an azimuthal instrument, a quadrant, a sextant, a stellar globe, which superseded such chinese-styled instruments as the armillary sphere and the simplified instrument in the observatory of peking in 1674. he published 16-volumed xinzhi lingtai yixiang zhi in 1674, which specialized in explaination of the design, manufacturing, installment and usage of his instruments. verbiest’s work enabled the precision of china’s instruments to come up to an unprecedented standard. it was obvious that verbiest consulted tycho’s design in the book astronomie instauratae mechania (1598), and absorbed the traditional chinese plastic arts.
in 1715, bernard-kilian stumpf (1655-1720) equipped the observatory with an azimuthal-quadrant again. according to the qianlong emperor’s desire, ignatius koegler (1680-1746), augustein de hallerstein (1703-1774) and their chinese co-workers made an equatorial armillary sphere for the observatory from 1745 to 1754. the instrument followed the system of the traditional chinese armillary sphere, and adopted 360°sexagesimal, precise graduation, screws, spare parts and manufacturing technology, which were used by verbiest. essentially, it restored ancient ways.
key words astronomical instruments, europeanization, the observatory of peking during the qing dynasty
中外学者曾对明末和清朝前期传入中国的天文仪器技术做了很有价值的研究，但仍留下了不少有待澄清的问题。本文试图系统地描述清朝前期观象台的天文仪器的欧洲化过程，以及其中的某些特点。
明末，利玛窦(matthieu ricci，1552-1610)、罗雅谷(jacques rho, 1590-1638)、汤若望(johann adam schall von bell, 1592-1666)等传教士向中国人介绍了1619年以前的绝大多数欧洲仪器①，并与中国人合作试制了部分仪器。入清以后，南怀仁（ferdinand verbiest, 1623-1688）等传教士在欧洲式仪器的制造和使用方面走得更远。
1．南怀仁与成套欧洲式仪器
南怀仁于1623年10月生于比利时布鲁日（bruges）的皮特姆镇（pittem）。1640年10月入鲁文（louvain）大学艺术系学习，这里的学生在前两个学年要学习哲学、自然科学和数学。当时多数鲁文大学的教授把托勒密、哥白尼和第谷的体系当作假说[1]。1641年9月他离开这所大学，加入耶稣会。两年后他回到鲁文的耶稣会学院（jesuit college），1645年获得哲学学位。在耶稣会学院的科学训练对南怀仁来说非常重要。1652-1653年在罗马学习了一年多的神学。1655年在塞维利亚（sevilla）获神学博士学位后，他要求去中国传教，获准。这可能是受到卫匡国（martin martini, 1614-1661）的影响[2]。在离开欧洲之前，南怀仁在葡萄牙教数学。1657年4月，他随卫匡国的传教组扬帆启程，1658年7月抵达澳门。
1660年，皇帝批准汤若望的请求，召南怀仁来钦天监协助工作。大概汤若望比较看重南怀仁的数学家名声。1661年顺治帝作古，朝政被保守辅臣把持。1664年9月，杨光先（1597-1669）控告汤若望、南怀仁等传教士，汤、南等人遂遭审讯。次年1月，刑部拟定汤若望、南怀仁等传教士为死罪。至4月和5月，南怀仁、汤若望被赦出狱。1666年7月汤若望故于寓所。1665-1668年，杨光先、吴明烜等守旧人物把持钦天监的历法测算工作，而南怀仁则忙于制造日晷和其它装置，以及气象观测等。
1668年12月，南怀仁奏报吴明烜所推算的七政历、民历有严重错误。年轻的康熙帝令大臣会同杨光先、南怀仁等共同以实测来验证历法。南怀仁在拉丁文的《观测之书》（compedium liber observatonum）中记述了他们的测验和所用的仪器，这些材料后来被他编入《欧洲天文学》（astronomia europaea）一书：1668年12月27-29日，南怀仁以圭表观测证实了他的推算与太阳的实际位置一致。安文思（gabriel de magalhaes，1609-1677）善于制作精巧的机械仪器和各种灵巧的装置，受到皇帝的器重。他在一夜之间为南怀仁的第二次观测制作了一具带有调节螺钉的新圭表。1669年2月1日，南怀仁到观象台，为火星和太阳位置推算的验证观测作准备。那里安置着一架 “黄道春秋分浑仪”、一架青铜象限仪、一架铁纪限仪。他调整了浑仪的环和照准器、象限仪的方向和照准仪。2月3日，火星果然处于浑仪照准器对着的位置，太阳处于象限仪和纪限仪的照准器所对准的位置。1669年2月18日，南怀仁再次用象限仪观测太阳纬度，又应验了推算的结果。当晚，他还用黄道春秋分浑仪观测了月亮的位置，结果与推算吻合。观测时间是靠事先计算的室女宫的角宿一与子午环之间的距离确定的，观测时用赤道浑仪找准这个位置。南怀仁还把一架直径差不多2尺的天球仪带到了观象台，以便向陪同的官员们讲解他的观测[3]。面对测验结果，杨光先仍为自己辩解，指责南怀仁“欲毁尧舜相传之仪器，以改西洋之仪器”[4]。然而，这种说辞再不能打动皇帝了。
南怀仁在《观测之书》和《欧洲天文学》中简要描述了他使用的仪器。青铜象限仪的半径为2.6中国尺，每度又分为60′，装在一个带三个调解螺钉的桌子上。铁纪限仪的半径为5或6几何尺①，带有青铜支翼、照准器和中心管，弧刻度的每度分为60′。“黄道春秋分浑仪”的直径2.5尺（一中国尺约等于一古罗马尺）的。春分点和秋分点是黄道环与赤道环交点，“春秋分”暗示着赤道环的存在。由此推测，黄道春秋分浑仪就是明末《崇祯历书》中所说的“黄赤全仪”。
我们可以肯定，仪器是前人留下的！旧的圭表和赤道浑仪是明朝使用的中国式装置。黄道春秋分浑仪、青铜象限仪、铁纪限仪和天球仪等欧洲式仪器应当是邓玉函（jean terrenz，1576-1630）、汤若望和罗雅谷主持试制的，它们起初可能被安放在历局或传教士的住处，后来曾被移到观象台。黄道浑仪或许是明末制造的黄赤全仪。 不过，南怀仁所说的尺寸与徐光启（1562-1633）造仪计划所说的尺寸不同。或许徐光启的计划在执行时曾被修改，可能性更大的是南怀仁对仪器尺寸的描述有误，甚至把自己后来制造的的仪器误记为别人的作品。据考证，拉丁文的《观测之书》在1671年或稍晚时与《测验纪略》一起出版过[5]，那时南怀仁还没有制造完新仪器。
我们再看一看南怀仁在1674年的一段说明：
“康熙己酉八年正月初三日[1669年2月3日]，是日立春”，“于本日午正，仁测得太阳，依象限仪，在地平上三十三度四十二分；依纪限仪，离天顶正南五十六度十八分；依黄道经纬仪，在黄道线正中，在冬至后四十五度零六分，在春分前四十四度五十四分；依赤道经纬仪，在冬至后四十七度三十四分，在春分前四十二度二十六分，在赤道南十六度二十一分；依天体仪，于立春度分所立置表，则表对太阳而全无影；依地平所立八尺零五寸表，则太阳之影长一丈三尺七寸四分五厘。六仪并用而恭互之，而立春一节皆合于预推定各仪之度分如此；则历凡所推之节气，其合于天行无疑矣。然非籍有合法之仪，又何从测而得之？”[6]
如果南怀仁没有记错日期的话，上述引文所说的仪器肯定是汤若望时期留下的仪器。在六架仪器中，有圭表，无地平经仪。黄道春秋分浑仪被写为“黄道经纬仪”，赤道浑仪改称“赤道经纬仪”，天球仪得名“天体仪”，而“表”则是中国传统的圭表。有学者认为，2月3日南怀仁所用观测工具是预先制造的木模[7]。这种猜测缺乏足够的依据，并且与南怀仁自己的描述相左。
1668年底和1669年2月的观测使传教士命运有了转机。由于杨、吴等所做推算与实测不符，而南怀仁据圭表观测和西法所做的推算皆与观象台的实测一致，1669年3月11日礼部建议授南怀仁钦天监监正，但南怀仁推辞不就。4月1日康熙帝下旨任命南怀仁负责“治理历法”。
欧洲人编算历书时采用60进位制，分周天为360°，引入黄道坐标等。若继续使用中国传统仪器的刻度，就要做繁复的换算。南怀仁决定把360又1/4度和百刻制改为便于划分刻度的360°制和60进位制。
观象台的明朝圭表、简仪和赤道浑仪年久失修，零部件形状有所变化，因而精度会降低。早在康熙七年（1668年）七月，南怀仁的对手、钦天监监副吴明烜就指出：“推历以黄道为验，黄道以浑仪为准。今观象台浑仪损坏，亟宜修整”[8]。因此，他曾提议为观象台添造一件“滚球铜盘”。
尽管南怀仁夸赞1668年底和1669年2月所用的黄道浑仪、赤道浑仪、象限仪、纪限仪等“尺寸合适，完全适合于精确的观测”[9]，但还是计划另造新仪器。康熙八年（1669年）五月，他在奏章中说：
“恭遇我皇上面询臣艺业，如测量奇器等制。臣少时涉猎系所长，容臣按图规制各样测天仪器，节次殚心料理，以备皇上采择省览。”[10]
近来有人发现了南怀仁作于1664年的《仪象图》序言，文中提到他为观象台绘制一系列欧洲式仪器图[11]。在南怀仁的《仪象图》的拉丁文本liber organicus（仪器之书）中，标题页写的是1668年。这可能说明那一年南怀仁正在设计天文仪器。1687年来华的法国传教士李明（louis le comte，1655-1728）在1696年的著作中称，南怀仁劝说皇帝制造新仪器的[12]。而南怀仁对欧洲的耶稣会士们却说，到过观象台的最重要的高级官员们[应当是礼部的]上奏皇帝，建议由他负责制造新式仪器，取代观象台的旧仪器[13]。此前，他已经为礼部官员和皇帝准备了设计“式样”。南怀仁的说法较李明的更为可信。他可能认为旧仪器构造和功能不够理想。
1669年8月底，礼部获旨同意换下旧仪。9月10日，康熙帝批准礼部“照南怀仁所指式样速造”新仪的建议：
“……因康熙八年七月二十七日题，八月初一日奉旨，这观象台不必开展建造，旧有简仪、浑仪仍着收存，毋致损坏。其新制仪器作何安设，礼部祥看议奏。钦此。
钦遵于八月初三日到部。臣等随到观象台，有得台基长十庹[一庹约合五尺]二尺八寸，阔十庹二尺五寸；简仪长二庹三尺八寸，阔一庹四尺三寸五分，高一庹三尺一寸；浑仪长一庹二尺六寸，阔一庹一尺六寸，高一庹四尺；星球[天球仪]长一庹六寸，阔一庹六寸，高一庹二尺八寸。随问南怀仁：新造仪器共几件，大小式样若何？据称，台上新安仪器共六件，东南角黄道经纬仪，西南角地平经仪，当中赤道经纬仪，正东象限仪，正西纪限仪，正北星球[天体仪]。每件仪器约高一丈，圈径约六尺。俱用砖台基，约高四尺，宽长约一丈二尺。台上板房一间。因遮仪器不便测星，应将板房移在临城东墙。风杆原在东南角，今有碍测验，应移在北方等语。该臣等议得见，在观象台旧简仪等三件仪器若仍存在台，则南怀仁新造六件仪器难以安设。俟南怀仁所造新仪器告成时，将简仪等旧仪器应移于台下厢房收存，令当值满汉官员看守，挨班交付当值官员。既称台上板房一间遮蔽仪器，应移在台东靠台，将门向台造作。风杆因碍测验，将风杆亦应移在北方。其新造仪器并安设仪器台基，应听工部俱照南怀仁所指式样速造可也。
康熙八年八月十四日题。本月十六日奉旨依议。”[14]
设计制造工作由南怀仁主持。参加此项工作的还有工部官员郎翁英、图哈齐，钦天监官员刘蕴德、孙有本和天文生等30人。在1670年8月20日的一封信中，南怀仁说仪器已经完成了一半：
“我寄给您工部以我提出的原型为基础负责制造的最佳黄铜天文仪器的设计或草图，目的是一旦将旧仪器迁走，就把它们放入‘数学塔’[观象台]。我称之为草图是因为这些设计与已经完成一半的那些仪器并不完全一致，在上帝的帮助下，那些仪器肯定要在今年内完成。”[15]
1673年3月以后，工部没有再为造仪器支付物料和工价。按南怀仁的记述，他用了四年时间才造完六架仪器[16]，仪器的弧背或立柱上刻有“康熙癸丑岁日躔寿星之次治理历法臣南怀仁立法”字样。1674年1月25日以前，工部已经验明了制成的仪器，准备交与钦天监[17]。这就是说，黄道经纬仪（黄道浑仪）、赤道经纬仪（赤道浑仪）、地平经仪、地平纬仪、纪限仪和天体仪制成于1674年1月25日以前或1673年下半年①。《大清会典图》说康熙十二年制六仪，这是有根据的。
1674年3月6日，吏部奏报，“钦造之仪象告成”，另有供皇帝御览的书表[18]。“书表”指的是《灵台仪象志》，其中收入了技术图，以及南怀仁在制造仪器或其它公共事物中用过的几条力学“定理”[19]。康熙帝看到这些书，很高兴。康熙十三年（1674年）三月，皇帝加封南怀仁为太常寺卿职衔[20]。1678年，南怀仁将32卷《康熙永年表》呈现给皇帝，得通政使职衔。1682年又加工部右侍郎衔。
1674年新制六仪被安装在观象台上，但具体位置与事先的计划有出入。天体仪象征着天，被看作最重要的仪器。大概是受中国人敬天传统的影响，天体仪被安置在南侧的中间 [21]。从东南角向西、向北、向东依次为赤道经纬仪、天体仪、黄道经纬仪、地平经仪、象限仪、纪限仪、风向器，东侧中部台基上有一座方塔，塔的中间设一个取暖炉。观测者在方塔上观测天象、大气现象。台上东北角的房子用于避雨或其它不良天气。台下的建筑里安装着漏刻，院内有青铜圭表。原有的其它中国式仪器不再用作正式观测工具，简仪、浑仪等被移到台下。这标志着以中国传统仪器为主要皇家观测工具的时代结束了。
为了解释仪器的构造原理，以及制造、安装和使用方法，南怀仁撰写了《新制灵台仪象志》，前14卷是《仪象志》，后两卷是《仪象图》。书中明确指出：将它们“公诸天下，而垂永久之意”，“要使肄业之官生服习心喻，不致扌干格而难操。传之后世亦得凭是而有所考究焉”[22]。 1674年3月6日奏请刊行《新制灵台仪象志》。康熙帝甚为满意，次年下诏准行。《灵台仪象志》刊刻之后发挥了重要作用。至1744年，它仍是钦天监天文科推测星象的常用书籍[23]。1714年，该书在朝鲜再版[24]。
南怀仁还用拉丁文把他们的活动介绍给欧洲的教士们，“以便类似的事件再发生时他们能预备要做的工作”[25]。附有《仪象志》序文的liber organicus（仪器之书）可能是从1668年开始编写，到1674年或此后才写完[26]。南怀仁把它献给了罗马教皇[27]。1675或1676年，他写出astronomiae apud sinas restitutae mechanica centum et sex figuris adumbrata （简称mechanica），描述了《仪象图》的106个图版。在中文记述、liber organicus和mechanica等论著的基础上，南怀仁在1678年至1680年初之间完成了《欧洲天文学》的拉丁文书稿[28]。1683年，书稿随柏应理（ph. couplet，1624-1692）到达欧洲，1687年在德国迪林根（dillingen）出版。书中记述了1668年12月至1669年4月欧洲天文学在中国的恢复，以及此后耶稣会士在天文仪器、日晷、机械学、数学、弹道学、水力学、静力学、光学、透视画法、蒸气动力、计时技术、气象学和音乐学等14个领域的活动与成就。作者介绍这些科技成就的目的是：第一，他想让每位读者都清楚，耶稣会为获得皇帝和王爷们的仁慈付出了巨大的努力，以便打开传教的通道；第二，他想鼓励未来可能继承中国教区的人以极大的细心、尊敬和爱来拥护最美的数学之神，因为她们将帮助传教士接近皇帝和王爷们，从而保护宗教事业；第三，他在liber organicus中已经描绘了天文仪器和其它有关的仪器[29]。
与写给中国人看的《仪象志》不同，《欧洲天文学》等拉丁文论著记下了作者的一些心里话，字里行间流露出欧洲科技的优越感，甚至把传教士在中国的历法改革夸赞为“一场天文学革命”[30]。南怀仁告诉他的欧洲读者，当那些不懂天文学的官方“裁判” 注意到有些事与天不合时，他们既不把差错归于仪器的建造，也不把它们归于自己不知道的仪器的方向；相反，他们指责天文学家的推算偏离了天象，甚至怀疑欧洲天文学与天相矛盾。因此，他的工作难度很大，需要仔细的注意力和敏锐的眼力[31]。
南怀仁的中文和拉丁文著作没有明确交代他的仪器技术出自何处。《仪象志》谈到有关历法的内容和仪器的理论根据，南怀仁有时请读者参考《崇祯历书》的书目及所谓“举重学”或“重学”。的确，他承袭和发展了罗雅谷和汤若望在《崇祯历书》中关于仪器的讨论。另外，从《仪象志》所描绘的仪器特征来推断，他主要参考了第谷的《机械学重建的天文学》[32]。比如，第三十一图就原封不动地复制了第谷的钢纪限仪图。
据《康熙永年表·提稿》记载，新制六仪安装到观象台以后，朝廷又“命造内庭备用测天诸器，如黄赤二道、天体、星球、圭表，并测地高低近远等项之仪器”[33]。我们估计它们尺寸较小，精度不高。1682年春，南怀仁随皇帝出巡关东，奉命随带内廷测天测地仪器，以便应用[34]。
徐光启曾强调，用漏刻测星定时“止可得其刻数”，须再用星晷测量，及用恒星推算时刻；漏刻“特以济晨昏阴雨晷仪表臬所不及，而非定时之本”[35]。尽管如此，漏刻仍然是钦天监必备的计时工具。南怀仁在描写日食或月食观测时说，天文官员要提前三天准备一个由若干青铜桶组成的大漏刻，看它是否严格与天象相符[36]。相反的说法是，清代钟表盛行，钦天监员生值班时，多视漏刻为“具文”[37]。这可能是较晚的情景。南怀仁未曾提议为观象台制造欧洲机械钟表这类计时器，可能是因为传教士认为一般机械钟表的精度还达不到天文计时的要求。清代测时大都用测中星法或测中天附近恒星的时角法[38]。
南怀仁还为皇帝制造了各种日晷和星晷。他的合作者闵明我（philippe-marie grimaldi，1639-1712）擅长利用光学原理或水力制作献给皇帝的精巧装置，比如计时、报时和模仿天象的复杂装置。南怀仁认为观象台和其它地方的旧漏刻存在“许多问题和错误”，于是试制了一种兼有计时和演示星象功能的新式水钟，但它不是那种天文观测所需要的精确时钟而是要献给皇帝的礼品[39]。所谓的“问题和错误”恐怕主要是针对非天文用途的说法。南怀仁去逝后，徐日昇（thoma pereira, 1645-1708）、苏霖（joseph suarez，1656-1736）也曾为康熙帝制造天文仪器。传教士制造一些实用的或用作消遣的机械装置，满足了皇帝和权贵们的需要和好奇心，也为自己创下了好名声。
1678年8月15日，南怀仁在致欧洲耶稣会士的信中说，天文学、光学、数学、静力学等受中国人的欢迎，“用天文学装饰起来的基督教易于接近高官们”，并希望增派传教士[40]。这封信引起了法国人的注意。1688年2月7日，洪若翰（jean de fontaney, 1643-1710）、李明等法国传教士来到进京，带来了法国皇家科学院赠送的天文仪器[41]。洪若翰负责天文观测，以便与巴黎天文台的观测做比较。他们带来的仪器应当是比较先进的，但它们游离于清朝以历法为中心的天文工作之外。中国人尚未掌握这些法国仪器及其所蕴涵的技术。
2．旧式仪器的添造
18世纪，观象台的人员仍使用南怀仁的仪器，并补造了旧式仪器。
2.1. 纪理安与地平经纬仪
德国传教士纪理安（又译作纪利安或纪里安，bernard-kilian stumpf，1655-1720）于1694年7月来华，1711-1720年在钦天监负责“治理历法”。《钦定仪象考成》称，康熙五十二年（1713年），“命纪利安制地平经纬仪”，即地平经度象限仪[42]。《皇朝文献通考》补充说：“五十二年二月，命臣纪利安制地平经纬仪，以铜为之，其制……”[43]。《钦定大清会典图》则说：“康熙五十四年（1715年）合地平、象限二仪为一”[44]。按这个时间差来推测，纪理安等人用了两年的时间为观象台制成了这个装置。
目前掌握的历史文献说明不了朝廷添造地平经纬仪的动机或起因。按理说，既然南怀仁的地平经仪和象限仪还能正常发挥作用，那似乎就没必要再造兼具两者功能的地平经纬仪。是谁提出添置新仪的呢？
难道纪理安觉得没有必要再像南怀仁那样为仪器写一部图说？人们找不到关于这架仪器的详细记载，它的身世引起了后人的不同猜测。美国1900年司密逊学会的报告书认为，它是法国路易十四赠给康熙帝的仪器。常福元怀疑，纪理安把法国的礼品冒充为自己的作品，以博取皇帝的欢喜[45]。
传教士肩负开拓宗教事业的使命，在中国权贵面前一直比较谨慎。为了保住在北京的立足点，传教士未必胆敢犯欺君之罪。纪理安要绕过钦天监的其他人员，以及礼部和工部去欺骗皇帝，也不是一件容易的事。据《清高宗实录》卷一百二十一记载，礼部左侍郎张照在1740年8月10日上奏请求保护旧仪器，并责备纪理安：
“元臣郭守敬仿玑衡遗意，制造仪器，向置观象台上，留传至今四百余年。嗣因西洋人纪里安，因制造新仪，将旧仪销毁，惟存简仪、浑仪、仰仪等数件。今又有交养心殿改造器皿之议。窃思羲和以来，中国所存躔度遗规，惟此一线，良可爱重。岂宜销毁？乞敕下礼部，会同钦天监，查观象台旧仪完全者几座，不全者几座，开造清册三本，分贮内阁、礼部、钦天监，以昭慎重从之。”[46]
这段奏文支持了纪理安造仪器的说法。
再者，与18世纪的法国天文仪器相比，纪理安的仪器显然是过时。如果认为法国人故意把落后的装置当成精品送给中国皇帝，这似乎不合情理。我们认为，纪理安在中国监造仪器的可能性是存在的。如果能在清朝礼部或工部的文献中找到有关的记述，那我们就可以作出一个肯定的结论。
地平经纬仪的设计风格完全是欧洲古典式的。它等于把南怀仁的地平经仪和象限仪又合成一架仪器，其主要观测部件与罗雅谷的《测量全仪·仪器图说》中描绘的地平经纬仪基本相同，与第谷的地平经度象限仪相近。
这架仪器在结构设计和零件设计方面与南怀仁的仪器有不少相同或相似之处。它的象限仪立轴与南怀仁象限仪的轴一样。伏兔（轴座）的结构与南怀仁地平经仪的伏兔没有差别。它的地平圈和象限弧的角度刻度划分方法与黄道经纬仪相同，最小刻度也是1′。简略的文字记载没有说明窥衡上是否有一种能够细分1′刻度的指线。1902年，法国人归还地平经纬仪时，上边缺少了窥衡。铜器铺的师傅为它配制了一条窥衡[47]。1995年，修复者补制了窥衡、铅垂，窥衡上没有细分1′刻度的指线。我们不知道补制的窥表（照准器）是否与原设计的完全一样。
它与南怀仁仪器的设计风格也存在着一些明显的差异。首先，它所用的刻度数字是阿拉伯数码，边上只有 “三十度”、“四十度”等少数汉字标记。其次，黄铜表尺是镶嵌在仪面上，而不是在仪面上直接刻出的。第三，象限弧正面的靠近内缘处安置了一列细小的铜柱；它们抵住照准仪，目的是防止照准仪磨坏刻度面。第四，从补制的窥衡来看，窥表与南怀仁的象限仪不同，采用了中心开小圆孔的立耳结构。第五，座架的造型和装饰风格是欧洲式的，不带任何龙、流云、狮子等中国传统造型。第六，上面没有刻制造年代和监造人的姓名。最后，座架周围未砌石台阶，操作和读数都比较费力。如果一直就没有台阶，那说明平时很少使用。它的设计者可能就是远离欧洲技术发展主流的传教士纪理安。圆明园的某些建筑采用了典型的欧洲造型艺术，观象台的地平经纬仪设计成欧洲式造型不是不可能的。
康熙朝后期，传教士还为皇宫制造了日晷、星晷仪、象限仪等礼器。据《大清会典》记载，钦天监于康熙五十三年“遵旨制中表、正表、倒表各二具，均高四尺；铜象限仪二具，半径均五尺，昼测日影，夜测勾陈帝星，测得畅春园北极高三十九度五十九分三十秒，黄赤大距二十三度二十九分三十秒，比旧少一分三十秒”[48]。这两架仪器很可能是一种便于拆装和搬运的仪器，刻度划分至少达到了1分甚至30秒。
2.2. 戴进贤、刘松龄与玑衡抚辰仪
利玛窦、汤若望、南怀仁和纪理安等传教士的仪器都属于欧洲式的设计。到18世纪中叶，又出现了另一种尝试。
耶稣会士戴进贤（ignatius koegler, 1680-1746），曾在英戈尔施塔特（ingostadt）大学教授数学和东方语文。1716年8月抵澳门，翌年奉召到北京，在钦天监佐理历政。1722年初接任“治理历法”。1725年升任钦天监监正，六年后加礼部侍郎衔。1742年，他和徐懋德、明安图（？-1764）、何国宗（？-1766）等编就《历象考成续编》。耶稣会士刘松龄（augustin de hallerstein, 1703-1774）于1735年入京，到钦天监协助戴进贤工作，1743年升补监副。
戴进贤等“据西洋新测星度，累加测验”，发现使用已久的南怀仁星表与天的运度不符，“理宜改定”[49]。遂于1744年11月9日与同仁一起奏请增修《灵台仪象志》，被批准。此举引起乾隆帝对观象台的注意。同年11月30日，皇帝视察了观象台。看了台上的仪器后，他认为浑仪符合中国的观测传统，而西法在刻度划分方面却占优。后来，他在为《仪象考成》作的序中道出了遗憾：南怀仁的六架仪器“占候虽精，体制究未协于古。赤道一仪，又无游环以应合天度”[50]。
1744年12月20日，和硕庄亲王允禄等迎合照皇帝的意愿，奏请制造三辰公晷仪：
“三辰公晷仪制规仿玑衡，其用广大简易，为从前所未有。请制造大仪，安置观象台上，以便测量之用。”[51]
是年12月24日，皇帝批准了允禄的请求，并就造大仪作了指示：
“观象台所存旧仪、座架废铜著即为制造新仪之用。”[52]
我们认为，“用旧仪、座架废铜铸造”，恐怕不是刻意要销毁旧的中式仪器，而应当是为了减少开支①。
允禄的那段话暗示，当时已经有了尺寸较小的三辰公晷仪。据文献记载，乾隆九年（1744年）二月制作镀金铜制三辰公晷仪[53][54]。据何国宗书写的《三辰公晷仪说》记载[55]，它没有地平圈，用游表而不用窥衡，借助螺旋调节水平，引入了天体仪调节北极高度的原理，因而具有欧洲仪器的结构特征。同时，它将赤道环再次分为中国简仪上的那种天常赤道圈和游旋赤道圈。我们认为，它的主要设计者是既理解中国传统仪器，又熟悉欧洲仪器技术的人。如果戴进贤与何国宗这样的中国学者合作，他们设计三辰公晷仪是不困难的。由于尺寸小，它不能作为精密观测的实用工具。
允禄等考察了南怀仁的黄道、赤道二仪，于1745年5月1日向皇帝报告了在雍和宫铸造大仪的计划：
“今应按其尺度制造，谨用五分之一拟制式样，恭呈御览，伏候圣训，再铸造仪器。……今郎中佛保现在雍和宫办理铸造之事，请就便交与佛保处，遵旨用旧仪、座架废铜铸造。如有不敷，再行配搭添补。臣等已派出内务府郎中杨作新、公议副总领叶文成、臣馆算学教习何国栋、原任钦天监五官正刘裕锡，会同监制督工。臣等不时前往查看，一切作法仍会同西洋人戴进贤、刘松龄等商酌办理。”[56]
乾隆帝对上述请求作了如下批示：
“好。照议办理。依此五分之一式样制造铜仪一座进呈。”[57]
与戴进贤、刘松龄等人商议“一切作法”这个说法表明，传教士发挥了重要作用，甚至可以说他们指导了制作工作。1745年8月14日，允禄等在奏折中再次提到仪器模型，并称大型仪器为“三辰仪”：
“臣等随令郎中佛保等将五分之一铜仪一座现今敬谨制造外，其观象台添设三辰仪。”[58]
1746年春，戴进贤去世。5月6日，刘松龄继任监正，继续做编书和制造浑仪的工作。在三辰公晷仪的基础上，钦天监先制成了一架黄铜镀金的小三辰仪，子午圈的侧面镌刻着“大清乾隆丙寅年刻”。何国宗在1747年1月或2月初为此写了《三辰仪说》，多半文字与《三辰公晷仪说》相同[59]。《皇朝礼器图式》绘制了三辰仪插图[60]。《皇朝文献通考》几乎完全重复了《皇朝礼器图式》的文字说明，但把它错安在“三辰公晷仪”的名下。与三辰公晷仪不同的是，三辰仪强调了测赤道经纬度的功能，增加了窥管的过极游圈变成了中国传统的四游仪。
1754年1月27日，允禄等报告，已经铸成并安设了大仪。他们认为，此仪“若仅名三辰，于义未备”，故请求皇帝赐名。乾隆帝将它定名为“玑衡抚辰仪”。4月8日在仪器上用满汉两种文字镌刻“御制玑衡抚辰仪乾隆甲子造”。它成了中国历史上最后一架大型浑仪，安装在观象台的西北角。负责监造的人员有内务府的佛保、杨作新、公义、舒山、叶文成，以及钦天监的何国栋和刘裕锡。从仪器构造的中国化推断，中国人发挥了重要作用。“乾隆甲子造”指的是乾隆九年制造三辰公晷仪的时间，目的是强调两者之间的联系。
有关玑衡抚辰仪的情况被编成《玑衡抚辰仪说》两卷，列为《仪象考成》之卷首，并补上“御制”二字，于1757年刊印。此书是中国仪器史上对技术内容作文字描述最详尽的专书。其中，《制法》一节可以看作是对南怀仁《仪象图》的制造工艺部分的文字补充和诠释。玑衡抚辰仪的制造者基本上承袭了南怀仁用过的制造工艺。
据《御制玑衡抚辰仪说》的《仪制》记述，最后的成品基本上是中式的三重环结构。它既继承了三辰公晷仪的过极圈（赤极经圈）与游旋赤道圈相连的结构，又选择了三辰仪的过极游圈和窥管（四游仪），并采用中国浑仪的典型子午双环和过极双环（赤极经圈），以及欧洲式的刻度划分方法、螺旋和垂球。由于仪器被固定在北京的观象台，设计者放弃了调节北极高度的结构。因此，它本质上成了中国传统浑仪的改型设计，“即玑衡遗法”[61]。
和历代中国浑仪相比，玑衡抚辰仪结构简洁，刻度精，设计和制造时间长，装饰造型华丽。因此，有人称赞它是“清朝一代最杰作的天文仪器”[62]。然而，从仪器的技术特点和功能来审视，这种赞誉似言过其实，因为它有不容忽视的铸造缺陷[63]，它的刻度没超过南怀仁的仪器。虽然它的带十字线的窥衡要比南怀仁的缝隙式照准器的瞄准精度高，但比当时欧洲仪器上带测微计的望远镜照准仪落后得多。参与制造的传教士仅遵皇帝的意愿而对欧洲的新技术视而不见；中国匠师对欧洲新仪器了解不够或者不得要领，似乎对另一个世界（欧洲）的技术进步有很大的距离感。
综上所述，制造者先以“三辰公晷仪”为基础制作了模型“三辰仪”，最后制就成品“玑衡抚辰仪”。设计思路与观象台仪器的欧洲化趋势相反，中国的铸造工艺还在发挥着一定的作用。这表明，清朝的仪器技术经历了一个欧洲化的过程，但并没有实现彻底的欧洲化。
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