暗室日晷：15—18世纪欧洲教堂的天文特征阐释

刘芳 张玉坤

摘要：建筑与天文的关联由来已久，通过列举宗教建筑中时空准线的多种表现形式，追溯了教堂暗室日晷的根源，同时阐述了诞生的时代背景与其基本原理，并通过分析15-18世纪欧洲教堂暗室日晷的发展历程及其在不同时期的特点和功能.发掘了教堂建筑的天文特征其鲜有提及的天文观测以及校准报时功能，进而揭示出建筑中蕴含的科学价值。

关键词·教堂.暗室日晷；时空准线；天文特征

引言

公元前1世纪，维特鲁威在《建筑十书））中将建筑学的内容概况为房屋建造（aedmcatio）、日晷制造（gnomon ice）和机械制造（machinatio），并在第9书中详细的介绍了日晷的基本原理川。他认为，建筑师应该了解辨别方位、划分时节的基本方法，知晓星辰的运行轨迹，以便理解日晷的基本原理。可见，早在两千多年前，建筑师就已经对子午线以及天文时空准线有一定的认识，并将其应用于建筑设计之中，且这种应用一直延续至近代。然而，伴随着社会生产力的发展，社会分工越来越细化，致使今天的建筑师对于天文的关注度远不及当时，对这些暗藏在古代建筑中的天文特征也鲜有了解和研究，本文试通过对15—18世纪欧洲教堂暗室日晷发展历程的梳理，对教堂的功能进行重新解读和认识。

一、教堂日晷的建造缘起

耶稣基督于公元30年到33年之间被钉死在十字架后的第三天复活，为了纪念这一天，复活节（EasterDay）成为基督教的一个重要节日。罗马大帝君士坦丁一世在公元325年确定复活节是每年春分月圆之后第一个星期日。理论上，只要确定了春分，其后再通过观察月圆之日，即可确定复活节的日期。但实际上由于春分和星期日之间的时间间隔有时太短并不能及时的通知准备，且各地春分及满月的时间也并不是同一时刻，这就需要教廷确定一个标准时间。尽管罗马教皇于6世纪统一了这个日期，但是，到了12世纪，人们发现这个前辈沿用下来的日期并不准确。于是教皇下令对太阳和月亮的运动重新进行观测和计算，以便确定精确的复活节日期，并为此给予天文研究财政和社会支持长达近6个世纪。而确定复活节日期的一个关键参数就是春分日的时间，如何精确的确定春分日时间成为问题的关键。15—18世纪，以丹堤（E～natio Danti）、卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）、比安基尼（Francesco Bianchini）为代表的多位天文学家纷纷在教堂中建立暗室日晷，教堂开始成为天文观测仪器。

暗室日晷出现在教堂并不是偶然事件，宗教建筑与天文之间的联系由来已久，朝向就是这种联系最直接的表现。“神庙以及内殿中供奉的神像都应朝向西方，这样携带着供品与牺牲走向神庙的人，就可以看到位于东面苍穹之下神庙内的神像……而神像本身也好像冉冉升起并俯视着祈祷者和牺牲品，因为所有神的祭坛都必须朝向东方。”这是所知最早关于宗教建筑朝向的文字描述，出自于维特鲁威《建筑十书》。事实上宗教建筑的朝向，与太阳、月亮等天体之间大多存在着时空准线。玛雅文明乌瓦夏克顿（Uaxactun）遗址群的E组神庙（E Group Temples），就通过特殊的设计，使得神庙组群与春秋分、夏冬至的日出方向呈现时空对应关系，神庙也兼作观察和预测天文事件的工具；代表着古埃及文明的吉萨金字塔群也与天空中的猎户座呈对位关系；中世纪法国的亚眠主教堂（图2）和巴黎圣母院（图3）的建筑朝向与冬至日出及夏至日落的方向一致。

此外，有的宗教建筑结合空间设计，与特定日期天体运行轨迹形成对位关系，使光线投射在壁画、浮雕或者雕塑上，渲染神圣的宗教气氛。如建于1135年意大利帕尔马阿尔赛诺的西多会修道院（Chiaravalle dellaColomba），因为圣约翰受洗与门这个符号有着密切的联系，同时也象征着新信徒受洗迈入基督教会，因此建筑师经过精密的计算设计使得在圣约翰受洗日这一天（6月24日接近夏至）清晨的第一缕阳光会从连接耳堂和后殿的垂直墙面上的两个小窗穿过投射在地面上，形成两个光斑，最终汇成一个大光斑直接投射在教堂大门上（图4、5、6）。又如意大利帕尔马洗礼堂，因早期教堂只在复活节、圣约翰受洗日等特定日期举行受洗仪式，为了配合受洗仪式，通过精确设计使复活节期间（3月25日一4月1 0日）光束会照射在洗礼堂穹顶第五层描绘耶稣在约旦河受洗的壁画上（图7）。也正是宗教建筑中对天文时空准线的这些应用，为暗室日晷在欧洲教堂的出现奠定了基础。

二、暗室日晷的原理

人类对于时间、季节的探索，早在尚未通晓天文知识的史前时代就已经开始。使用最广泛和操作最简便的方法是“立竿测影”：一日之中竿影最短时刻为正午；一年之中正午竿影最短一天为夏至，最长一天为冬至；全年中有两天日出影和日落影重合，这两天为春分和秋分。

教堂日晷作为一种特殊类型的日晷，其观测原理和立竿测影相似。不同的是，它利用教堂内昏暗的环境，将其变成一个“暗箱”

（图8）；在墙面或者屋顶设置小孔，常年接收太阳的照射，以小孔在地面的垂直投影为圆心作弧，连接日出日落时投射在地面上的太阳光标与弧线的交点，即为东西向（图9），并沿此东西轴线在地面上设置子午线作为“日历刻度”，神职人员通过观测穿过小孔照射在教堂子午线上的“太阳光标”位置，确定春分、秋分、夏至、冬至日，进而确定复活节的日期。由于大教堂内部昏暗的环境，经过小孔后投射在地上的太阳光标清晰可见，使得天文观测和记录变得更易操作。

三、欧洲教堂暗室日晷的发展历程及各阶段特点

1.第一阶段：暗室曰晷的雏形

早在1475年，天文学家托斯卡内利（Toscane…）就在佛罗伦萨圣母百花大教堂（Santa MariadeIFiore）中设立了教堂子午线（图10、11）。他当时作为大教堂建筑设计师伯鲁乃列斯基（F…ppoB runelleschi）的朋友兼数学顾问，在教堂新落成的穹顶上的采光亭上设置了采光小孔（图12）。由于圣母百花大教堂的穹顶过高，小孔在距离地面约90米的位置，致使穹顶下方的教堂十字翼空间无法容纳下整条子午线，室内仅存有一小段穿过祭坛到达北墙的子午线，只能供夏至前后数周使用。1510年教堂的神职人员用铜盘标记出夏至日正午太阳光斑的位置（图13）。但无论是托斯卡内利，还是伯鲁乃列斯基，都没有留下任何关于建造教堂子午线的缘由。有一些研究者认为此举亦是为了检测是否存在地轴倾斜。在1755年的意大利，一位名为莱昂纳多·希梅内斯（Leonardo Ximenes）的天文学家，在托斯卡内利的教堂日晷基础上根据观测到的夏至日光斑位置重建了子午线，发现与之前的子午线有5641”的偏差，子午线起点到夏至点的长度与1510年时相差4厘米，这个差值证实了黄道存在轻微的变化。

2.第二阶段：教堂子午线之父——丹埕与他的暗室室日晷

丹堤（ERnazio Danti）（图14）是意大利的神父、建筑师、数学家、天文学家及宇宙学家，1536年出生在佩鲁贾（Perugia）的一个盛产艺术家和科学家的家庭，从小接受的是自由艺术倡导的通识教育。他身兼工程师和建筑师的父亲朱利奥（GiuIio）开启了他对绘画和建筑的启蒙知识，而后跟随意大利著名画家佩鲁吉诺（Perugino）的徒弟即他的姑姑特奥多拉（Teodora）学习绘画。成年后，他在完成哲学和神学的研究后，很快便热忱地投身于数学、天文及地理研究。

1563年9月，他被托斯卡纳大公一世科西莫·德·美第奇（Cosimo l dei Medici）公爵邀请，参加其伟大的宇宙学工程。该工程其中一项便是关于历法的改革，大公希望借此使自己像凯撒大帝一样留名青史。为了实现大公的野心，丹堤在佛罗伦萨圣玛利亚教堂（SantaMaria NoveIla ChU FCh）较低一侧的假拱门上设置了象限仪和日晷。除此之外，其最重要的成果当数让其成为教堂子午线之父的暗室日晷的设计。

圣玛利亚教堂朝向正南方，丹堤利用教堂的长进深，在南北轴线大理石地面上设置一条“子午线”，在南立面距离地面20.45米处的玫瑰花窗上开凿了一个小洞口（图15），由于教堂内部十分昏暗，光线经过墙上的小孔后，投射在地面的光斑清晰可见，通过观测光斑在子午线上运动的轨迹，确定春分、秋分、夏至、冬至的位置点（图16）。随后，他被允许刺穿教堂墙体，在更高的26.29米处建立了他的第二时针（图17）。

不幸的是，科西莫一世于1574年去世。第二年，其子Francesco ldeMedici以莫须有的道德指控强迫丹堤离开佛罗伦萨，他被迫搬到博洛尼亚，这也使得圣母玛利亚教堂的日晷成为一个未完项目。不过1576年，他的暗室日晷还是在博洛尼亚圣佩特罗尼奥大教堂（San Petronio Church）中得以实现（图18）。由于该日晷巨大的尺寸，使观测太阳运动细小的变化成为可能，而这是当时其他天文仪器所不能做到的。通过该日晷确定了春分、秋分、夏至、冬至点的位置。但遗憾的是，由于固定小孔的圆盘在日后滑落，其定位也便不再精确。如今，该子午线已不复存在。

3.第三阶段：天文观测全盛时期

1650年代到1750年代是教堂观测的全盛时期，意大利的很多教堂都成为了天文研究中心。博洛尼亚圣佩特罗尼奥大教堂凭借其精准的设计和严格的仪器标准，成为那个时期最宏伟的教堂天文台。1655年，即丹堤建立圣佩特罗尼奥大教堂子午线75年之后，G.D.卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）接管了大教堂子午线的重建工作，由于丹堤的子午线不再具有利用价值，他决定重新修建一条子午线（图19、20）。为了避开中殿支柱的遮挡，同时保证太阳运动的整条轨迹可以呈现在教堂内部，他没有将小孔安置在中殿，而是将其设置在了第四个拱顶上（图21）。在室内，小孔被一个太阳图案的装饰包裹（图22），并且在这条子午线上用大理石标牌标示出春分、秋分、夏至、冬至点以及黄道十二宫的位置（图23、24）。该子午线因其对于太阳运动以及其他天文信息的可读性，被认为是阿波罗的神谕（OracIe of ADoI Jo）。

此时期另一典型实例是罗马安杰利圣母堂（SantaMaria degli Angeli）的双孔日晷。18世纪初，教皇克莱门特十一世（Clement XI）为了公历改革，委托身为天文学家、数学家、考古学家、历史学家及哲学家的比安基尼（Francesco Bianchini）构建子午线。之所以选择在米开朗基罗改建的安杰利圣母堂里创建子午线，有以下几个原因：首先该教堂为巴西利卡，是代表古罗马集会的场所，而它在1870—1946年间也作为国家教堂；其次，安杰利圣母堂在古罗马戴克里浴场的基础上改建的，在其中设置子午线代表着基督教日历对于早期异教日历的胜利。最后，则是因为它自身建筑设计给教堂子午线创造了有利条件：一方面罗马浴场原本为了获得更好的日照通风环境设计时采用了东西向的建筑轴线；另一方面，教堂中保留了原浴场一面高大的古城墙，该墙由于年代久远早已停止沉降，这为保证观测仪器的准确性提供了保障。

在教堂的中殿内，比安基尼设置了南、北两个小孔（图25、26）。南小孔位于南墙上距地20.5米高处，它被呈现在雕刻有教皇克莱门特的高浮雕可开启的活动板上，当活动板开启时，即使在距离子午线比较远的地方也可以观测太阳和月亮（图27），活动板的背面也绘制了教皇克莱门特的肖像，这样无论活动板开或关，都能让观测者感受到教皇的无上守护。从南小孔射入的太阳光会照射在镶嵌于大理石地面的子午线上（图28），同样，这条子午线上亦有黄道十二宫以及二分二至的标志点（图29）。除了用来测量子午线之外，南小孔同时是一个观测恒星的通道，比安基尼通过望远镜从南小孔获得了北极星每日的运动轨迹。同时为了使光线射入教堂内部，甚至去掉了建筑原有的一些线脚。此外，即使在光线充足的白天，也可以通过望远镜观测大角星、天狼星等恒星。

北小孔位于教堂中殿东北面的拱顶上，距地面约24.39米高，北极星的光线穿过圣孔（图30）照射在地板上，比安基尼将其每日的运行轨迹记录在地面上，形成了一个长轴为4.4米、短轴为3米的椭圆（图31）。其内部里一圈圈椭圆代表着在1 8世纪比北极星更靠近极点的星体的运行轨迹。整个点缀有黄铜星星的椭圆体系（图32）说明了当时对于时间的新认识：在当时极星已经越来越靠近极点运行。安杰利圣母堂的双孔子午线在当时最大的成就在于将一年和一个阴历月的时间更为准确地测量出来。

4.第四阶段：科学研究转折时期

至1 8世纪中叶，伴随着天文望远镜的普及，教堂子午线的科学研究功能已经开始慢慢减弱，但其报时功能的重要性开始提升。无论是圣佩特罗尼奥大教堂，还是安杰利圣母堂，其教堂日晷都兼具报时功能，但当时只为各种宗教活动服务。1750年代之后，统一全城的机械钟时间成为教堂日晷除天文观测外的另一个重要功能。

用于统一全城时间的巴黎圣叙尔皮斯（Saint—SulDice）教堂日晷是这个时期的代表。应圣叙尔皮斯教堂牧师Lanuet de Gercy先生的要求，天文学家勒莫尼耶（Pierre—Charies Lemonnier）在1743年把日晷引入教堂。该教堂是在13世纪一座古老教堂的基础上改建的，教堂建设初期为东西向，后期扩建过程中由于地形限制，平面轴线开始倾斜（图33）。勒莫尼耶将一条正南北向的铜线，从南面的耳堂起始，穿过祭坛。尽管圣叙尔皮斯教堂很大，但是它的十字翼的宽度并不足以在地面上完整的呈现太阳运动轨迹，因此铜线到达北面耳堂角落方尖碑的基石后向上转折90。，顺着碑体向上延伸10米，终结于碑顶的铜球（图34）。这条被称为玫瑰线（rosene）（图35）的铜线上标有刻度，当阳光通过南面耳堂窗户边缘高于地面25米处的小孔射入教堂（图36、37），光斑就会沿着玫瑰线的刻度移动，根据光斑在玫瑰线上的位置就可以计算日期。如图35夏至正午，光斑落在南耳堂地面上的一块石板上。冬至正午，光斑会出现在方尖碑的铜条上一个代表摩羯座同时也是冬至日的位置。春分、秋分的时候，光斑则会依次落在位于祭坛地面的椭圆形铜板上相应的标志点（图38）。

勒莫尼耶之所以选择将方尖碑作为子午线垂直延伸部分，是因为早在公元前10年，奥古斯都征服古埃及之后，将赫利奥波利斯（HeIiopoIis）的方尖碑搬到罗马，建造了有史以来最巨型的日晷——奥古斯都日晷（图39）。从那个时候起方尖碑就与时间产生了内在的联系。

5.第五阶段：公众的报时仪器

18世纪后期，教堂的天文观测功能几乎已经废弃，但是这并没有阻止教堂子午线的建造。此时的教堂子午线不再是为科学研究服务，而转变为向公众报时。为了使意大利的半岛时间与欧洲大陆时间相统一，各地纷纷在教堂建造日晷来为市民提供报时服务。米兰大教堂（Duomo Mlilano）的子午线（图40、41）就是在这个时期建造的。天文学家安杰洛·塞萨里斯（GiovanniAngelo Cesaris）1 786年在米兰大教堂屋顶上设置太阳入射小孔（图42），由于教堂平面布局严格遵循东西向轴线，塞萨里沿垂直于教堂长轴的方向在教堂东端设置子午线（图43、44），但由于教堂的宽度不足以容纳整条子午线，和圣叙尔皮斯教堂子午线的处理方式类似，将冬至日（摩羯座）的太阳标记转折到北墙上2.50米高处（图45）。此时的教堂日晷已经不再是为教皇控制的宗教服务仪器，这一点从子午线的位置就可以看出，早期的教堂子午线基本都在圣坛附近，而米兰大教堂的子午线已经移至教堂的东端入口处。

除了米兰大教堂之外，在意大利的贝加莫、巴勒莫、卡塔尼亚也有类似的教堂子午线作为太阳计时器来校正手表、机械时钟。甚至到19世纪30年代，比利时的教堂子午线还被应用在铁路列车时刻表的制定中。

早在古罗马时期维特鲁威将“日晷制造”作为建筑的一部分，并将天文学列为建筑师应掌握的知识。一千多年之后，欧洲建筑师仍然保持这个传统，将天文时空准线应用在教堂的设计中。

纵观15—18世纪欧洲教堂暗室日晷的发展历程，从圣母百花大教堂仅有一个标志点的子午线，到丹堤在圣母玛利亚教堂开创完整的暗室日晷观测体系，之后教堂暗室日晷历经天文观测全盛时期、科学研究转折时期，最后成为了公众报时的仪器。其建造的目的，从最初的确定复活节日期、划分时节，到之后的测定地轴倾角、黄道变化等天文参数；观测的对象，从单纯的太阳、月亮，到北极星等其他天体；使用功能从为教皇制定历法，到为公众校准报时。可见，教堂不仅仅是供教徒集会，进行宗教活动的场所，它曾经还利用其建筑中的时空准线和地面上的子午线，成为天文科学研究的实验室，甚至当天文望远镜和天文台出现之后，教堂凭借其精准的暗室日晷依旧作为发布城市标准时间的报时工具，它不仅仅是宗教的教堂，也是科学的教堂。

教堂作为神灵的居所，其与天体存在的时空联系概括起来主要有以下三种方式：首先是建筑朝向与特定日期、特殊天体的时空对应；其次，通过空间设计结合时空准线，使得光线成为内部装饰的一部分，营造神圣的宗教气氛；最后一种即将时空准线的原理与宗教建筑融合，使其成为人类了解宇宙奥秘的仪器，教堂暗室日晷就属于这一类。教堂中这些科学功能的本质，即为建筑与天体之间时空准线的应用。

事实上，时空准线在中国古代建筑中的应用也很普遍，本文仅以15—18世纪的欧洲教堂为例来阐述建筑中的时空准线及其科学内涵，希望对中国古代建筑天文特征的探索研究有一定启发。

（感谢郭满、郑婕在本文资料收集过程中给予的帮助。）