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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世紀，平面的星盤（等高儀）。哈利利系列（英语：Khalili Collections）
2013年，在伊朗古都大不里士製作的現代星盤。

星盤（古希臘語：ἀστρολάβος astrolábos; 阿拉伯语：ٱلأَسْطُرلاب‎ al-Asṭurlāb; 波斯語：ستاره‌یاب‎ Setāreyāb）是一種古老的天文儀器，可以说是手持的宇宙模型。它的各種功能也使它成為一個精巧的測斜儀（英语：Inclinometer）和一個能够解决天文學中幾種問題的類比計算裝置。在最簡單的形式中，它是一個金屬圓盤，帶有導線、切口和穿孔的圖案，允許使用者精確計算天體的位置。歷史上的天文學家使用它，無論在白天或夜晚，能够量測天體在地平線上的高度；它可以用於識別恆星或行星，確定給定當地時間的當地緯度（反之亦然），量測或進行三角測量。它在古典時代、伊斯蘭黃金時代、歐洲中世紀和地理大發現時代中，用於所有這些目的。

星盤的重要性不僅來自於天文學研究的早期發展[1]，對於確定陸地或平靜海面上的緯度也很有效。然而，在波濤洶湧的海面上，船舶的甲板隨之升降時就不太可靠，為了解决這個問題，於是開發出了水手星盤（英语：Mariner's astrolabe）。

星盤的例子

應用

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16世紀用星盤測量建築物高度的木刻。

一位10世紀的天文學家推斷，星盤的各種功能大約有1000種應用[3][需要較佳来源]，範圍從占星術、天文學和宗教，到季節和日常計時和潮汐表。在星盤被大量使用的時代，占星術被廣泛認為與天文學一樣是一門嚴肅的科學，對兩者的研究是並行不悖，齊頭並進的。天文學的興趣在民間天文學（阿拉伯的前伊斯蘭傳統），和數學天文學之間有所不同，民間天文學與天文和季節性觀測有關，數學天文學則為知識實踐和基於天文觀測的精確計算提供資訊。關於星盤的宗教功能，伊斯蘭祈禱時間的要求是由天文數值確定，以確保每天的精確時間，穆斯林祈禱和朝拜必須朝向麥加的方向，也可以通過星盤這種裝置確定。除此之外，由星盤計算得出的陰曆對伊斯蘭教具有重要意義，因為它决定了重要宗教儀式的日期，如齋戒月。

詞源

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《牛津英語詞典》給出了英語單詞"astrolabe"翻譯自"star-taker"，並通過中世紀拉丁語將其追溯到Greek字詞"ἀστρολάβος"： astrolábos[4][5]，來自astron "star"和λαμβάνειν : lambanein "to take"[6]。

在中世紀伊斯蘭世界的阿拉伯語單詞al-Asturlāb（即星盤）被賦予了各種詞源。

在阿拉伯文中，這個詞被從希臘單詞直接翻譯成"星星塔"（阿拉伯语：آخِذُ ٱلنُّجُومْ‎，"star-taker"）[7]。

比魯尼引用並責備中世紀科學家哈姆扎伊斯法哈尼（英语：Hamza Al-Isfahani），他說[7]："asturlab是這個波斯語短語的阿拉伯化"（sitara yab，意思是"星星的接受者"。）[8]。在伊斯蘭黃金時代的來源，還有一個民間詞源（英语：Folk etymology）這個詞作為"lines of lab"，其中"Lab" 指的是伊德里斯（以諾）的某個兒子。 10世紀的一位名叫阿裡·伊本·易卜拉欣·庫米（英语：Ali Ibn Ibrahim Qomi）的科學家提到了這個詞源，但被花拉子米拒絕了[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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早期的星盤是佩爾加的阿波羅尼奧斯在西元前220年至150年之間在希臘化時代發明的，但一般都認為是喜帕恰斯發明的。星盤是平面球和望筒的結合，實際上是一個類比計算機，能够解决天文學中的幾種不同問題。亞歷山大的席恩（英语：Theon of Alexandria）（约 335–约 405）寫了一篇關於星盤的詳細論文，路易斯[10]認為托勒密使用星盤進行了占星四書中記錄的天文觀測。平面星盤的發明有時被錯誤地歸因於席恩的女兒希帕提亞（约350–370; died 415 AD）[11][12][13][14]。但事實上，在希帕提亞出生之前至少500年，星盤已經在使用了[12][13][14]。這個錯誤歸因來自於希帕提亞的學生辛奈西斯（约373 – 约414）[12][13][14]，其中提到希帕提亞教他如何建造平面星盤，但並沒有任何文字提到是她自己發明了它[12][13][14]。

星盤在整個拜占庭時期提的希臘語世界中一直在使用。大約在西元550年，基督教哲學家約翰·費羅普勒斯用希臘語寫了一篇關於星盤的論文，這是現存最早的關於該儀器的論文[a]。美索不達米亞主教西弗勒斯·塞博赫特（英语：Severus Sebokht）也在7世紀中葉用敘利亞語寫了一篇關於星盤的論文[b]塞博赫特在他的論文中提到星盤是由黃銅製成的，這表明金屬星盤在東正教的發展，早於伊斯蘭世界或拉丁西方發展之前就已經為人所知[15]。

文藝復興時期最早涉及科學問題的論文多基於早期的古典作品，並且經常關注托勒密教義[來源請求]。

中世紀時代

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星盤在中世紀伊斯蘭世界得到進一步發展，其中穆斯林天文學家在設計中引入了角度的尺度[16]，在地平線上添加標示方位的圓[17]。它在整個穆斯林世界被廣泛使用，主要是作為一種導航和一種尋找朝拜，即麥加方向的管道。八世紀的數學家穆罕默德·法紮裏（英语：Muḥammad ibn Ibrāhīm al-Fazārī）是伊斯蘭世界製作星盤的第一人[18]。

數學背景是由穆斯林天文學家巴塔尼在其論文《Kitab az Zij》（約西元920年）中建立的，該論文由柏拉圖·提布提努斯（英语：Plato Tiburtinus）（De Motu Stellarum）翻譯成拉丁文。現存最早的星盤日期為伊斯蘭曆315（西元927-28年）。在伊斯蘭世界，星盤被用來確定日出和恆星升起的時間，以幫助安排晨禱（salat）。在10世紀，阿左飛首先描述了星盤的1,000多種不同用途，包括天文學、占星術、導航、測量學、計時、祈禱、晨禱、基卜拉等領域[19][20]。

球面星盤是星盤和渾儀的變體，是由天文學家和伊斯蘭世界的發明家在中世紀發明的[c]。 對球面星盤的描述，最早可以追溯到Al Nayrizi（英语：Al Nayrizi）（[floruit | fl.]892-902）。在12世紀，薩拉夫·丁·圖西（英语：Sharaf al-Dīn al-Tūsī）發明了"線性星盤"，有時被稱為"圖西尺規"。這是"一根簡單的木棒，有刻度標記，但沒有瞄準鏡。它配有鉛垂線和雙弦，用於進行角度量測，並帶有穿孔指針"[21]。齒輪機械星盤是由伊斯法罕的Abi Bakr於1235年發明的[22]。

西歐第一個已知的金屬星盤是11世紀在葡萄牙用黃銅製成的德東布（英語：Destombes）星盤[23][24]。金屬星盤避免了大型木製星盤容易出現的翹曲，因此可以建造更大、更精確的儀器。但金屬星盤比同樣大小的木製星盤重，因此很難在航海中使用[25]。

Reichenau Abbey（英语：Reichenau Abbey）的Herman Contractus（英语：Herman Contractus）研究了11世紀"量測天文學"中星盤的使用[26]。馬里孔特的彼得（英语：Petrus Peregrinus de Maricourt）在13世紀後半葉寫了一篇關於全球星盤的構造和使用的論文，題為"Nova compositio astrolabii Specialis"。可以在牛津科學史博物館（英语：History of Science Museum, Oxford）找到全球星盤。[27]。伊斯蘭儀器歷史學家大衛·A·金（英語：David A.King）將阿勒坡的伊本·薩拉吉（英語：Ibn al-Sarraj，又名Ahmad bin Abi-Bakr；fl.1328）設計的全球星盤描述為"整個中世紀和文藝復興時期最複雜的天文儀器"[28]。

英國作家傑弗里·喬叟（約1343-1400）主要基於馬沙拉（英语：Mashallah ibn Athari）或ibn al-Saffar（英语：ibn al-Saffar）的作品，為他的兒子編纂了《"星盤論（英语：A Treatise on the Astrolabe）"》[29][30]。法國天文學家和占星家Pélerin de Prusse等人也翻譯同一來源的著作。關於星盤的第一本印刷書籍是普拉查提斯的克利斯蒂安（英语：Christian of Prachatice）的《星盤的組成和使用》，也使用了馬沙拉的資料，但相對來說是原創的。

在1370年，印度第一篇關於星盤的論文是由耆那教天文學家Mahendra Suri（英语：Mahendra Suri）撰寫的，標題為"Yantrarāja"[31]。

水手們在出海時使用一種簡化的星盤，稱為"balesilha"，以獲得準確的緯度讀數。"balesilha"是由亨利王子（1394-1460）在前往葡萄牙的途中推廣的[32]。

幾乎可以肯定的是，奧里拉克的格伯特（Gerbert d'Aurillac）（後來的教宗思維二世）首先將星盤帶到比利牛斯山脈北部，在11世紀初的某個時候，它在法國蘭斯的學校被綜合到四藝中[33]。 在15世紀，法國儀器製造商Jean Fusoris（約1365-1436年）也開始在他位於巴黎的商店裡重新製作和銷售星盤，以及可擕式日晷和其他當時流行的科學設備；他的星盤至今仍然留存了13個[34]。15世紀早期，歐洲工藝的另一個特殊例子是安東尼烏斯·德·帕森托設計的星盤，由多明尼克斯·德·蘭紮諾製造，日期為1420年[35]。

在16世紀，Johannes Stöffler（英语：Johannes Stöffler）出版了《"Declicatio fabricae ususque astrolabii"》，這是一本星盤構造和使用手册。由Georg Hartmann（英语：Georg Hartmann）製作的四個相同的16世紀星盤，為分工的批式生產提供了一些最早的證據。

中世紀星盤

中国的星盘

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用於中國的星盤,跟西方不一樣的地方是中國使用的是12個時辰，分別是子時、丑時、寅時、卯時、辰時、巳時、午時、未時、申時、酉時、戌時、亥時，依照上面的順序排版。[來源請求]

星盤和時鐘

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亞美利哥·維斯普奇用星盤觀察南十字座。作者Jan Collart II（英语：Jan Collart II），普朗坦-莫雷圖斯博物館，安特衛普，比利時。

機械天文鐘最初受到星盤的影響；它們在許多方面可以被視為發條式星盤，用於連續顯示太陽、恒星和行星的當前位置。例如，沃林福德的理查的鐘（約1330年）基本上由一張固定在網後旋轉的星圖組成，類似於星盤[36]。

許多天文鐘使用星盤式顯示，例如著名的布拉格天文鐘，採用黃道面的球極平面投影（見下文）。近年來，星盤手錶變得很流行。例如，1985年，瑞士鐘錶製造商Ludwig Oechslin（英语：Ludwig Oechslin）結合雅典表合作設計製造了一款星盤手錶[37]。荷蘭手錶製造商Christaan van der Klauuw現在也生產星盤手錶[38]。

構造

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星盤由一個稱為"母盤"（mater）的圓盤組成，其深度足以容納一個或多個稱為"子盤"或"克利莫（英语：Clime）"的平板。一個子盤（英语：tympan）是為一個特定的緯度製作的，上面刻著一個圓的球極平面投影，表示天球在地平線上部分的方位角和高度角。母盤金屬邊緣通常分為時間、弧度，或兩者並存[39]。

在母盤和子盤上方，是一個"網"的框架，承載著黃道平面的投影和幾個指針（英语：Pointer (rod)），可以自由旋轉來指示最亮恆星的位置。這些指針取決於工匠的技能，通常只是簡單的點，但也可以是非常精細和藝術化。有一些星盤的例子，其中有球、星星、蛇、手、狗頭和樹葉等形狀的藝術指針[39]。標示的恆星名稱通常用阿拉伯語或拉丁語刻在指針上[40]。一些星盤有一個狹窄的"尺子"或"標籤"，可以在網上旋轉，並且用赤緯的刻度來標記。

代表天空的網，起著星圖的作用。當它旋轉時，恆星和黃道在子盤上的座標投影上移動。一個完整的旋轉相當於一天的過去。因此，星盤是現代星座盤的前身。

在母體的背面，通常刻有許多刻度，這些刻度在星盤的各種應用中都很有用。但這些刻度會因為設計師不同而有很大的差異，可能包括時間轉換曲線、將一個月中的某一天轉換為太陽在黃道上位置的日曆、三角尺度以及圍繞後緣周圍360度的刻度。"照準儀"則附在背面。當星盤垂直握持時，可以旋轉星盤，並以方位儀觀察太陽或恆星，以便可以從星盤的刻度邊緣讀取（“得到”）其高度（以度為單位）；因此，這個詞的希臘語詞根：「astron」（ἄστρον）=star+“lab-”（λαβ-）=得到（to take）。

一些星盤的背面也出現一個可以產生陰影的正方形，這種星盤是穆斯林占星家在9世紀開發的，而古希臘傳統的設備背面只有高度的刻度[41]。這被用來轉換陰影長度和太陽的高度，其用途多種多樣，從可以量測到量測無法到達之處的高度[42]。

星盤製造商通常會在設備的背面署名，並在星盤背面刻有銘文。如果有該物品的贊助人，則其名稱會出現在正面；或者在某些情况下，在位蘇丹或星盤師的姓名也會出現在此處[43]。星盤的製造日期經常也會被簽署，這使歷史學家能够確定這些裝置是世界上第二古老的科學儀器。 星盤上的銘文也讓歷史學家得出結論，天文學家傾向於自己製作星盤，但許多星盤也是按訂單製作的，並有庫存出售，這表明這些設備在當代有一定的市場[43]。

星盤的一部分由一個圓盤、一個瞄準管、一個照準儀和裝有刻度尺的臂組成。圓形圓盤是星盤的主要部分，它主要用於查看天空中的物體。瞄準管放置在圓盤的頂部，用於觀察恆星或行星。照準儀有垂直和水平的十字準線，在稱為等高圈（almucantar）的方位環上繪製位置。一個稱為幅的臂從星盤的中心連接到光軸，光軸與另一個包含高度和距離測量值刻度的臂（也稱為幅）平行。

星盤的建造
  • 耶魯大學收藏的格奧爾格·哈特曼（英语：Georg Hartmann）星盤。該儀器顯示出網格和尺規。
    耶魯大學收藏的格奧爾格·哈特曼（英语：Georg Hartmann）星盤。該儀器顯示出網格和尺規。
  • 1144年伊朗的伊斯法罕（？）天球儀。這個天球儀曾在羅浮宮的博物館展出，是世界上現存第三古老的。
    1144年伊朗的伊斯法罕（？）天球儀。這個天球儀曾在羅浮宮的博物館展出，是世界上現存第三古老的。
  • 計算機生成的平面球面星盤（planispheric astrolabe）
    計算機生成的平面球面星盤（planispheric astrolabe）

數學基礎

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星盤的建造和設計是基於天球的立體投影的應用。通常進行投影的點是南極，投影到的平面是赤道的平面[44]。

通過立體投影設計鼓室

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星盤鼓室的一部分

鼓室捕捉到天球坐標軸，「地球」將在這些坐標軸上旋轉。它是能够在日和年的特定時間點上精確確定恆星位置的部件。

因此，它應該投影：

  1. 天頂：其將根據星盤用戶的緯度變化。
  2. 地平線和地平緯圈或平行於地平於地平線的圓圈，這將允許確定天體的高度（從地平線到天頂之間）。
  3. 天球子午線（穿過天頂，南北向的經度線）和次子午線（通過天體在天頂與南北子午線相交的大圓），這將使天體的方位能够量測。
  4. 三個主要的緯度圈（南回歸線、赤道和北回歸線）來確定一年中的至日和分日的精確時刻

回歸線和赤道定義了鼓室

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從南極到回歸線和赤道的立體投影。

在影像的右側：

  1.  ：淺藍色的球體代表天球。
  2.  ：藍色箭頭表示正北（北極星）的方向。
  3.  ：中心的藍色點代表地球（觀測者的位置）。
  4.  ：天球的地理南面是投影極。
  5.  ：赤道平面做為投影平面。
  6. 三個平行的圓圈代表地球主緯度圈在天空中的投影：

當投影到赤道平面上時，三個同心圓對應於地球的三個緯度圈（影像的左側）。其中最大的一個是南回歸線，它定義了星盤的鼓室大小。鼓室的中心（以及三個圓的中心）實際上是地球自轉的南北軸，因此，隨著時間的推移，星盤的「中心」將圍繞這一點旋轉（由於地球自轉）。

鼓室上的三個同心圓有助於確定全年至日和分日的確切時刻：如果知道太陽在「日期」上的位置，並且它的位置及鼓室的外圓（南回歸線）重合，它象徵著冬至（對於南回歸線的觀測者來說，太陽將處於天頂，意味著南半球的夏天和北半球的冬天）。另一方面，如果它的位置與內圈（北迴歸線）重合，則表示夏至。如果它的位置在中間的圓（赤道）上，它對應於兩個分點中的一個。

地平線和高度量測

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在特定緯度的觀測者，其地平線的立體投影

在第一個影像的右側：

  1.  ：藍色箭頭表示正北（北極星）的方向。
  2.  ：中心的藍色點代表地球（觀測者的位置）。
  3.  ：黑色箭頭代表觀測者的天頂方向（根據觀測者緯度的不同而變化）。
  4.  ：黑圈代表觀測者周圍的地平線，它垂直於天頂向量，定義了觀測者可見的天球部分。
  5.  ：天球的地理南面是投影極。
  6.  ：赤道平面做為投影平面。
地平線和地平緯圈的立體投影。

當將地平線投影到赤道平面上時，它會轉化為相對於南北軸（鼓室中心）向上移動的橢圓。這意味著天球的一部分將落在鼓室的外圓（南回歸線）之外，因此不會被呈現。

此外，當繪製平行於地平線直到天頂的圓（地平緯圈）時，會構建一個連續橢圓的網格，當「基準」與設計的鼓室重疊時（如第二張影像所示），可以確定恆星的高度

子午線與方位量測

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南北子午線和偏東40°的子午線在星盤鼓室上的立體投影。

在影像右側：

  1.  ：藍色箭頭表示正北（北極星）的方向。
  2.  ：中心的藍色點代表地球（觀測者的位置）。
  3.  ：黑色箭頭代表觀測者的天頂方向（根據觀測者緯度的不同而變化）。
  4.  ：黑圈代表觀測者所在地周圍的地平線，它垂直於天頂向量，定義了觀測者可見的天球部分。
  5.  ：紅點表示天頂和天底（天球上相對於觀測者與天頂相對的點）。
  6.  ：橙色圓圈代表天球子午線（或對觀測者來說，從地平線的正北方經過天頂至地平線正南方的子午線）。
  7.  ：紅圈代表一條相對於觀測者地平經線，在東方40°的次子午線。與所有次子午線一樣，它在天頂和天底與主子午線相交。
  8.  ：天球的地理南面是投影極。
  9.  ：赤道平面用作投影平面。

投影天球子午線時，會產生一條與天頂和天底所在的鼓室垂直軸重疊的直線。然而，當投影東方40°的次子午線時，會獲得另一個同時穿過天頂和天底投影的圓，因此其中心位於連接兩個點的線段的垂直平分線上。實際上，天球子午線的投影可以被認為是一個半徑無限大的圓（一條直線），其中心位於該平分線上，距離這兩點無窮遠。

如果投影將天球劃分為相等扇區的連續子午線（如從天頂輻射的「橙色切片」），則可以獲得穿過天頂投影在鼓室上的曲線族。這些曲線一旦與包含主要恆星的「軌道」重疊，就可以確定位於「軌道」上旋轉時，在一天中特定時間的恆星方位。

相關條目

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參考資料

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腳註
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  • 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 

外部連結

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维基共享资源中相關的多媒體資源：星盘（分類）
英文维基文库中的《1911年版大英百科全書》條目：Astrolabe
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