明清之际汤若望的窥筒远镜

明清之际汤若望的窥筒远镜! 戴 念 祖 （中国科学院自然科学史研究所 北京 !"""!"） 常 悦 （首都师范大学物理系 北京 !"""#$） 摘 要 明末清初耶稣会士汤若望（%&’()+’,,-./ 01,,，!23!—!444）所制造和使用的窥筒远镜是什么样的光学 仪器，已有人做出了一些分析与推测5文章根据有关历史文献的记述，又在物理实验室做相关模拟实验，从而得出， 汤若望的“窥筒远镜”既非摄影箱、亦非开普勒式望远镜，就其结构而言，它本质上是属于伽利略式望远镜5 关键词 汤若望，望远镜，光学史，天文学史 !"# !#$#%&’(# ’) +, %&"$$ -’. /#$$ 6%7 89’/:;< （!"#$%$&$’()%#$(+,()-.$&+./01%’"1’，23%"’#’41.5’6,()01%’"1’#，7’%8%"9!"""!"，23%".） =>%8? @<1 （:’;.+$6’"$()<3,#%1#，2.;%$./-(+6./="%>’+#%$,，7’%8%"9 !"""#$，23%".） 0123452 A+1B1 +’-1 C11/ -’B9.<D ./E1F<B1D ./ F+1 G9/& .H F1,1D.I1 IB.&<1& ’/& <D1& CJ F+1 K1D<9F (9DD9./: ’BJ%&’()+’,, -./01,（, !23!—!444）9/F+1,’F1L9/M’/&1’B,JN9/M6J/’DF91D5 0’D1&./F+1’**.</FD9/+9DF.B9: ’, &.<(1/FD F.M1F+1B O9F+D9(<,’F1&1PI1B9(1/FD./&<F1&CJF+1’<F+.BD9/’I+JD9D,’C.B’F.BJ，O1*./,<&1F+’F F+1 D’9& .IF9’, 9/DFB<(1/F O’D /19F+1B ’ ’(1B’ .CD<B’ /.B ’ Q1I,1B9’/ F1,1D*.I1，’/& F+’F E<&M9/M HB.( 9FD DFB<: F<B1，9F O’D 1DD1/F9’,,J ’ ?’,9,1’/ F1,1D.I15 678 9:3;1 %&’()+’,, -./ 01,,，+9DF.BJ .H .IF9D，+9DF.BJ .H ’DFB./.(J !4!U 年，金尼阁（89*.,’<D AB9M’<,F，!2$$—!4RU） 和汤若望（%&’( )+’,, -./ 01,,，!23!—!444）一同离 欧来华，将望远镜携入中国5金尼阁早在 !4!" 年入 华，!4!#年被派回欧洲向教皇报告在中国的传教活 动并募集书籍和科学仪器5他和汤若望携入华的望 远镜就是在欧洲募集的捐赠品之一［!］5汤若望来华 后的第一件工作是撰写《远镜说》一书（见图 !）5此 后又制造了所谓“窥筒”、“远镜”或“窥筒远镜”，并用 于观测日月交食和少数其他天象，如“木星食司怪二 星”［R］，看见“积尸气为数十小星团聚”［#］而成等［T］5 汤若望的“窥筒远镜”究竟是什么样的光学仪器？本 文就此谈点看法5不当之处，祈识者教正5 图! 《远镜说》书影 ! 有关窥筒远镜的文献记载 用望远镜观察天象的成功及其巨大社会影响，汤若 望入华后撰写的《远镜说》只介绍了伽利略式望远 当汤若望和金尼阁来华时，伽利略式望远镜 镜5或许，这也与他们携带入华的望远镜只有伽利略 （?’,9,1’/ F1,1D.I1D）和开普勒式望远镜（Q1I,1B9’/ F1,1D*.I1D）在欧洲都已制造成功5或许，由于伽利略 ! R""!S"TS!"收到 ·#RR· 物理

式一种类型相关!后来，汤若望进入由徐光启、李天	矣!”［*］
经先后主持的“崇祯历局”!从他们在历局所写的著	这段文字中，“尺素”是一张正方形白纸!它和
作和奏疏中，可以知道他们所使用和制造的望远镜	“其法”中“界一圆圈”的“别纸”都是作为像屏使用
类型!	的!这段文字表明，汤若望籍助望远镜观察日食，不
徐光启（"#$%—"$&&）主持崇祯历局期间，汤若	以肉眼直接对准望远镜的目瞳观察，而是以白纸为
望未制成望远镜!此时历局所用望远镜是汤若望等	像屏，将来自望远镜的光束投射于屏上，呈现于屏上
从欧洲携带入华的!崇祯七年（"$&’）十月二十九日，	的是物体的倒立实像，眼睛观看屏幕就见到了像!所
李天经奏疏：	以在屏上画圆，将其径分十等，这是为了测量日食多
“若夫窥筒，亦名望远镜，前奉明问，业已约略陈	寡的需要!汤若望于顺治元年（"$’’）八月初一日食
之!但其制，两端俱用玻璃，而其中层层虚管，随视物	前，推算日食绘图正是这种望远镜投影图（图	%）［(］!
远近以为短长，亦有引伸之法，不但可以仰窥天象，	然而，以上所引文献均不见其望远镜内装置的是什
且能映数里外物如在眼前，可以望敌施炮，有大用	么形状的透镜!
焉!此则远西诸臣罗雅谷、汤若望等从其本国携来而
葺饰之，以呈御览者也!”［#］
这具进呈御览的望远镜是由耶酥会士汤若望等
人从欧洲携入华的［$］!可以推知，或许它就是
"$"(
年金尼阁、汤若望入华时所携带者!时隔"#年，此望
远镜已外表陈旧!因此，进呈时重新加以油彩粉饰而
已!
汤若望首次制造的两具望远镜完成于崇祯八年
（"$&#）七八月间!李天经在同年八月初五日奏：
“臣即督同本局远臣汤若望、罗雅谷等，将其本
国携来玻璃，星夜如法制造，今已造完!谨将窥远二
具恭进御览!”［)］
“如法制造”是如同已携入华的望远镜而制造
者!入清后，汤若望于顺治元年（"$’’）又制造了一具
望远镜进献清朝廷!他在同年七月初九“进新法测天
仪器事”疏中列出了所进仪器清单，其中有“窥远镜 图% 汤若望绘日食图
一具（置镜铜架并螺丝转架各一，木立架一，看日食
实际上，在仅涉及伽利略式望远镜的造法与用
绢纸壳二）”［(］“! 看日食绢纸壳”的用途将在下面涉
法的《远镜说》一书中，同样叙述了用望远镜观察太
及!由上可见，汤若望制造了三具望远镜以进献明清	阳的情形!他写道：“视太阳……只以筒镜两相合宜，
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两朝廷!当然，他也会为观察天象而制造一些同类型	以前镜直对太阳，以白净纸一张置眼镜下，远近如
的望远镜!至于其类型，只能从其他文字中作出断	法!撮其光射，则太阳本体在天，在纸丝毫不异!若用
论!	硬纸尺许，中剪空圆形，冒靠后镜上，则日光团聚，下
崇祯九年（"$&$）十二月十九日，李天经在奏疏	射纸面，四暗中光，黑白更显，体相更真矣!”［"+］
各家有关日食之争中写道：“临期日光闪耀，止凭目
因为《远镜说》只涉及早期伽利略式望远镜，因
力，炫耀不真，或用水盆，亦荡摇难定!惟有臣前所进
此，这里所谓的“筒镜”肯定是伽利略式望远镜!所谓
窥远镜，用以映照尺素之上，自初亏至复圆，所见分	“前镜”即物镜、凸透镜；所谓“眼镜”或“后镜”，就是
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数，界限真确，昼然不爽!随以亏复之际，验以地平日	目镜、凹透镜!中剪空圆形的硬纸壳（也即前述“绢纸
晷，时刻自定!其法：以远镜与日光正对，将圆纸壳中	壳”）套于望远镜后，是为了造成望远镜后端较为黑
开圆孔，安以镜尾以掩其光，复将别纸界一圆圈，大	暗的观察背景，以便在其投影的纸屏上看清太阳的
小任意，内分十分，置对镜下，其距离远近以光满圈	像!
界为度!将亏时，务移所界分数就之，而边际了了分
不仅《远镜说》有记述，而且，正是在崇祯历局期
明矣!但在天之正南，实为纸上之正北，方向乃相反
间编写的《交食历指》一书中，汤若望叙述了多种观
&"卷（%++%年）#期	·&%&·
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测日月食的方法!其中，就望远镜观察法，他写道：			薄透镜组成的!它们的成像光路如图$、图%!伽利略
“又一法，用远镜或于密室、或在室外!但在外者，必			式望远镜由一凸透镜（&			）和一凹透镜（&		）组成，两
						"		#
以纸壳围窥筒以掩余耀，若绝无次光者，然而形始显
			透镜共焦，即		& 的像方焦点与		& 的物方焦点重合，
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					"		#
矣!盖玻璃原体厚，能聚光，使明分于周次光!又以本			筒长为	! ’ "	( "（"	，" 分别为两透镜的焦距）"）!当
				"	# "	#
形能易光以小为大，可用以细测（因镜后玻璃得缺形			无限远物点的光线（平行光）入射时，经伽利略式望
光以斜透，其元形无不易之使大，见《远镜》本论）!然
			远镜射出的仍为平行光，但视角被放大（					! )! ）!
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" *
距镜远近无论，止［只］以平面与镜面平行，开阖长短
因此，它的特点是：通过目瞳看到的像是正立的虚
俱取乎正（光中现昏白若云气则长，边有兰色则短!
像，虽便于观察，但不能测量；筒长相对较短；视场较
进管时需开阖得正）!”［""］
小!而开普勒式望远镜是由两片凸透镜组成的，两片
继而，汤若望在进一步解释所以能用望远镜观
			透镜共焦，但筒长				"（" 和	分别为两透镜
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					!	’ " +	"
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测日食的原因时，透露出他所制造和使用的望远镜
			的焦距）!&	的焦距要大一些，&			焦距小些!其主要
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				"			#
类型!他写道：“或问：远镜前后有玻璃，在前者聚光
特别是，通过目瞳看到的像是到立实像，不便于观
渐小至一点，乃在后者受其光而复散于外，则后玻璃
察；若在共焦面装上刻度光阑，却又便于测量；但筒
可当一点之孔，何所射之光形不真乎？曰：后玻璃不
长相对地较长；视场较大!
正居聚光之点，必略进焉，以接未全聚之光，乃复开
展可耳!故谓此当甚微之孔则可，谓当无分点之孔则
不可!所以用远镜测者，纵或不真，然较之不用镜者，
不但能使测之形大而显，亦庶几于真形不远矣”!［""］
在有两片“玻璃”组成的望远镜中，“前者”为物
镜，它既能“聚光渐小至一点”，必为凸透镜无疑，这
“一点”也就是凸透镜的焦点“!		后者”或“后玻璃”为
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目镜，它能“受其（前者）之光而复散于外”，也显然是
图$ 伽利略式望远镜光路
凹透镜!由一凸一凹的两片玻璃透镜组成的望远镜，
就其结构而言，是属于伽利略式望远镜!伽利略式望
远镜的凸透镜焦点与凹透镜虚焦点几乎重合，物镜
与目镜共焦!汤若望在这段文字中设想的问题，实质
上是说为什么伽利略望远镜能在其后的屏上呈现出
真的太阳实像？汤若望自己对此作出的解释，说明
他对伽利略式望远镜的两个镜头作了位置调整，使
其中凹透镜的位置“不正居聚光之点（即凸透镜的焦					图%	开普勒式望远镜光路
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点———本文笔注），必略进矣”“!		略进”到何处？是否	但是，汤若望不是以肉眼在望远镜目瞳上观察
使物镜与目镜共焦？汤若望对此未有明言!是否共			筒内的像，他是将物体的像通过望远镜投影到镜后
焦，是汤若望“窥筒远镜”与伽利略式望远镜的稍许			屏上，肉眼观察屏，并测量屏上的像!汤若望制造和
差别!正是这一差别，致使“窥筒远镜”可以投影在屏			使用的是类似于伽利略式望远镜的“窥筒远镜”，它
上!为了解释“窥筒远镜”投影在屏上的倒立实像，汤			能在其后的屏上成像吗？我们为此做了一个简单实
若望将目镜看成“甚微之孔”，即比“针孔”（“无分点			验!
之孔”）大的小孔，试图以“小孔成像”解释“窥筒远
			取一片凸透镜（&			）和一片凹透镜（&		），& 的焦
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						"		# "
镜”的投影!这个解释并不正确!			距 " ’",-./0，&		的焦距	"	’ (""-#1/0!在&	前方
			"		#		#	"
	由上分析可知，汤若望所谓“窥筒”、“远镜”或		,*/0处置一物体		2!调节		和 的距离，使其不共
						&	&
							" #
“窥筒远镜”本质上是伽利略式望远镜!
			焦!当 &	处于&	后方约"1-1/0处时（如图1），在&
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				#	"			#
后方约#1/0处的像屏上看到一个倒立的实像23!调

窥筒远镜成像解

"）本文不以教科书中的负符号表示凹透镜的虚焦距，否则，筒长 公式为

	早期伽利略式和开普勒式望远镜都是只有两片		!’"	" +" #
	·$#%·							物理

节! 与 ! 、! 与像屏的位置，可在屏上看到大小不 分，不能同见；五车西柱下二星相距四十四分，愈不 " # # 同、清晰度亦不同的像$这个实验表明，由凸、凹两片 能同见$则此管之度分为半度强，不其彰明较著 透镜组成的光学系统，确实可以在凹透镜后方像屏 乎？！”［"#］ 上形成倒立实像$这是因为入射到凹透镜的光并非 窥筒远镜的视场为“半度强”$按今天话说，在 平行光，而是收敛式光锥；凹透镜虽有发散作用，但 )+,—*%,之间都可以称作“半度强”，甚至于勉强些 只能使入射光锥有所偏折，光锥顶点延长而已$自 %+,亦可称作“半度强”$汤若望用此窥筒主要是观察 然，凹透镜的作用也不是如同汤若望所解释的那样 日月交食$观测到：“五车西柱下二星相距四十四分” 具有小孔的光学性能$ 是该窥筒最大视场的一次记录，而今天的计算值是 &,［］$可见，类似伽利略式望远镜的窥筒，能满足汤 若望观察天象、尤其观测日月交食以改历的需要$ 汤若望等人用窥筒观测日食或月食的情形，如 同图.所示$崇祯四年（"&)"），徐光启、汤若望和历 局其他人员开始用此窥筒观测日食食分［")］$事实 图% 由一片凸透镜和一片凹透镜组成的 上，早在"&"#年前后，德国耶稣会士沙伊纳（/0123456 光学系统的成像光路 7081 9:082;81）曾用这种方法观察太阳黑子，此时他 在这样的两片透镜组成的光学系统中，如果入 所用的类似伽利略式望远镜称之为“太阳镜”$将“太 射到 ! 的光是平行光（如图&），也即物体为无限远 " 阳镜”物镜端伸出暗室窗外，对准太阳，在其后面即 处，如太阳，那么，此时只要使 ! 稍微离开共焦状

暗室的白屏上得到有黑子的日轮像，暗室里的人就

态，也就是令 ! 与 ! 两透镜间距（筒长）略大于该 " # 全都能看到它［"］$汤若望用窥筒观测日月食的方 两透镜的焦距之差（! ’ " ( " ）"），这样就可以用像 " # 法，可能是从他的同乡、同教派的沙伊纳那里学到 屏看到来自望远镜的投影之像$ 的$ 图. 窥筒远镜观察日食方法及其光路 本文作者之一在不久前发表的文章［"］和著 图& 平行光对凹凸透镜组合的成像光路 作［"%］中，曾经误以为，汤若望的窥筒远镜是摄影箱 由此可见，汤若望所使用和制造的窥筒，确实可 （:<=81<）$虽然摄影箱的屏上有倒实像，其观测方法 以在其后的像屏上观察到物体的投影实像$严格说 与窥筒远镜相似，但像小，不便测量$因此，这些论著 来，这种窥筒并非伽利略式望远镜$但是，调节后者 的有关结论应当根据本文的讨论予以更正$ 的两透镜位置（也即距离），又很容易使后者成为前 日本科学史学家桥本敬造也曾对汤若望窥筒作 者$虽然伽利略式望远镜或窥筒的视场小，但也足于 过推测性结论$他根据太阳与它的投影像成上下颠 观测日月交食及本文前言中所述及的少量天象$就 倒关系的记述，以为“崇祯改历”所用的望远镜（也即 其视场问题，李天经在崇祯七年（"&)）九月十三日 汤若望所制造和使用的望远镜）是开普勒式望远 奏疏中说： 镜［］$张柏春在其最近的一篇论文中似乎也同意桥 “此窥管之制，论其圆径不过寸许，而上透星光， 本的看法［"&］$桥本的看法也是错误的$他将文献记 注于人目$凡两星密联，人目难辨其界者，此管能别 述的望远镜后面像屏上成倒像与人眼通过望远镜目 之；凡星体细微，人目难见其体者，此管能见之；凡两 瞳看到的像混同了$人眼对准开普勒式望远镜的目 星距半度以内，新法所谓三十分，穷仪器与目力不能 瞳观察，确实可以看到物体的倒像（参见图），但汤 测见分明者，此管能纳其星于中而明晰之$是其容半 度强者，即此管之度分是也$惟两星相距半度以外， "）凹透镜的虚焦距常以负值表示，因此，一般地，这公式应写为： 则不能同见$臣请略举一二$如觜宿三星相距三十七 !’" -" " # )"卷（#++#年）%期 ·)#%·

若望并非如此观察物像!如果令其两凸透镜不共焦，			望远镜是不能作为测量用的光学仪器，因此，在明清
适当地调节它们的距离或位置，开普勒式望远镜也			之际，中国人和在中国的耶酥会士没有绘制恒星座
能在其后的屏上成像，不过这像是正立的（图"），这			标图，也就不足为怪了!
与文献记载的成倒像之情又不符合!			致谢：本文写作过程中，曾请教北京大学物理系
赵凯华教授，中国科学院北京天文台李竞研究员、林
元章研究员，首都师范大学物理系申先甲教授，他们
热情地与作者之一戴念祖电话讨论本文主题，提出
建议；科学史研究所张柏春研究员提供本文参考文
献［#］的复印件!特此向他们表示感谢!
图"	由两片凸透镜组成的光学系统及其成像图
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在这里，要特别指出，从图		# 可知，由于开普勒
				参 考	文 献
式望远镜经过	$ 的出射光线是平行光，因此，开普
	%		［’］ 戴念祖《!	燕京学报》新第九期，%***，’%)
勒式望远镜一般地不能在其后面屏上成像!欲使其
			［%］ 罗雅谷《!	五纬历指》卷三，载徐光启等编《新法算书》卷三十
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			八《!	四库全书》影印本：台湾商务印书馆（以下凡引该书版
后面屏上能见像，必须将其两片凸透镜拉开些距离，
本者只注册数和页码），第7""册!("#
即令两透镜之距离大于两透镜焦距之和（如图		"）!
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			［)］ 徐光启等编《!	治历缘起》卷三《!	新法算书》卷三，第7""册!
这样，望远镜筒后端的出射光线才是收敛光线，才能
&*
在其后的屏上见到正像!然而，这样做之后，望远镜
			［#］ 橋本敬造〈!	崇祯改歷の正當化と望遠镜の位置〉!京都大學
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的镜筒加长了；比较图"和图#、图&还可知道，图"			人文科學硏究所硏究報吿《中國古代科學史論》（別刷），
的成像效果不如图	# 和图 &，即开普勒式望远镜后		’8"8!)()—)8#
屏上的像不如伽利略式的大，测量反而有所不便!			［&］《治历缘起》卷三《!	新法算书》卷三，第7""册!&%
［(］ 李迪!自然科学史研究，’8"7，#：)7%
实际上，从汤若望的《远镜说》到《崇祯历书》或
			［7］《治历缘起》卷四《!	新法算书》卷四，第7""页!(7—("
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汤若望改编之后的《西洋新法历书》，从崇祯历局的
			［"］ 汤若望改编《!	西洋新法历书·汤若望奏疏》!薄树人主编!
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奏疏和汤若望在清初的奏疏中，没有任何文字表明
《中国科学技术典籍通汇·天文卷》!郑州：河南教育出版社，
汤若望等人曾经使用或制造过开普勒式望远镜!假			’88"，第"册!"(&；"7’
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			［8］《治历缘起》卷六《!	新法算书》卷六，第7""册!8)
设，汤若望知道并手中有开普勒式望远镜，那么，他
			［’*］ 汤若望《!	远镜说》!丛书集成初编本，%"
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理应用该类型望远镜直接观测日月食和其他天象
			［’’］ 汤若望《!	交食历指》卷七，《新法算书》卷七十!第7"8册!
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（诸如，绘制恒星座标图），而不需要在其后端套上一
%((；%(7
个或二个“绢纸壳”，也无需另设像屏!因为，一则开
			［’%］《治历缘起》卷三《!	新法算书》卷三，第7""册!&*
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普勒式望远镜的视场比较大；二则，’()*		年之前几	［’)］《治历缘起》卷二《!	新法算书》卷二，第7""册!%(—%7
年，沙伊纳已在开普勒式望远镜共焦面上装入一小 ［’#］ +3-9:! :;,1<3=> 39 ?2,6526，@62A53-34> .5B CA,-313DA> ,5 <A6
$35B35：063=46:--65EH5I,5$<B!’8)&!
物体，以便观测和比较实物的大小度数；’()"年，盖			’(<AE’7<AF65<G=,61!
-------------------------	---	---	-------------------	---	---
7"，78；中译本：周昌忠等译!十六、十七世纪科学、技术和哲
斯科因（+,--,./	0.123,456）由此发明了测微计［’#］!将
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学史!北京：商务印书馆，’8"&!8)，8&
这类十字丝或带有刻度的光阑安装在开普勒式望远
［’&］ 戴念祖主编!中国科学技术史·物理卷!北京：科学出版社，
镜共焦面上，对于测量天上物体的大小、方位提供了			%**’年!#8’
-----------------------	--------	---------	-------------------------	---	---
极大方便!汤若望在	’()&年，甚至	’(##年所进呈的	［’(］ 张柏春!中国科技史料，%***，’：7&
·)%(· 物理

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