暗室日晷：15—18世紀歐洲教堂的天文特征闡釋

劉芳 張玉坤

摘要：建筑與天文的關聯由來已久，通過列舉宗教建筑中時空準線的多種表現形式，追溯了教堂暗室日晷的根源，同時闡述了誕生的時代背景與其基本原理，并通過分析15-18世紀歐洲教堂暗室日晷的發展歷程及其在不同時期的特點和功能.發掘了教堂建筑的天文特征其鮮有提及的天文觀測以及校準報時功能，進而揭示出建筑中蘊含的科學價值。

關鍵詞·教堂.暗室日晷；時空準線；天文特征

引言

公元前1世紀，維特魯威在《建筑十書））中將建筑學的內容概況為房屋建造（aedmcatio）、日晷制造（gnomon ice）和機械制造（machinatio），并在第9書中詳細的介紹了日晷的基本原理川。他認為，建筑師應該了解辨別方位、劃分時節的基本方法，知曉星辰的運行軌跡，以便理解日晷的基本原理。可見，早在兩千多年前，建筑師就已經對子午線以及天文時空準線有一定的認識，并將其應用于建筑設計之中，且這種應用一直延續至近代。然而，伴隨著社會生產力的發展，社會分工越來越細化，致使今天的建筑師對于天文的關注度遠不及當時，對這些暗藏在古代建筑中的天文特征也鮮有了解和研究，本文試通過對15—18世紀歐洲教堂暗室日晷發展歷程的梳理，對教堂的功能進行重新解讀和認識。

一、教堂日晷的建造緣起

耶穌基督于公元30年到33年之間被釘死在十字架后的第三天復活，為了紀念這一天，復活節（EasterDay）成為基督教的一個重要節日。羅馬大帝君士坦丁一世在公元325年確定復活節是每年春分月圓之后第一個星期日。理論上，只要確定了春分，其后再通過觀察月圓之日，即可確定復活節的日期。但實際上由于春分和星期日之間的時間間隔有時太短并不能及時的通知準備，且各地春分及滿月的時間也并不是同一時刻，這就需要教廷確定一個標準時間。盡管羅馬教皇于6世紀統一了這個日期，但是，到了12世紀，人們發現這個前輩沿用下來的日期并不準確。于是教皇下令對太陽和月亮的運動重新進行觀測和計算，以便確定精確的復活節日期，并為此給予天文研究財政和社會支持長達近6個世紀。而確定復活節日期的一個關鍵參數就是春分日的時間，如何精確的確定春分日時間成為問題的關鍵。15—18世紀，以丹堤（E～natio Danti）、卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）、比安基尼（Francesco Bianchini）為代表的多位天文學家紛紛在教堂中建立暗室日晷，教堂開始成為天文觀測儀器。

暗室日晷出現在教堂并不是偶然事件，宗教建筑與天文之間的聯系由來已久，朝向就是這種聯系最直接的表現。“神廟以及內殿中供奉的神像都應朝向西方，這樣攜帶著供品與犧牲走向神廟的人，就可以看到位于東面蒼穹之下神廟內的神像……而神像本身也好像冉冉升起并俯視著祈禱者和犧牲品，因為所有神的祭壇都必須朝向東方。”這是所知最早關于宗教建筑朝向的文字描述，出自于維特魯威《建筑十書》。事實上宗教建筑的朝向，與太陽、月亮等天體之間大多存在著時空準線。瑪雅文明烏瓦夏克頓（Uaxactun）遺址群的E組神廟（E Group Temples），就通過特殊的設計，使得神廟組群與春秋分、夏冬至的日出方向呈現時空對應關系，神廟也兼作觀察和預測天文事件的工具；代表著古埃及文明的吉薩金字塔群也與天空中的獵戶座呈對位關系；中世紀法國的亞眠主教堂（圖2）和巴黎圣母院（圖3）的建筑朝向與冬至日出及夏至日落的方向一致。

此外，有的宗教建筑結合空間設計，與特定日期天體運行軌跡形成對位關系，使光線投射在壁畫、浮雕或者雕塑上，渲染神圣的宗教氣氛。如建于1135年意大利帕爾馬阿爾賽諾的西多會修道院（Chiaravalle dellaColomba），因為圣約翰受洗與門這個符號有著密切的聯系，同時也象征著新信徒受洗邁入基督教會，因此建筑師經過精密的計算設計使得在圣約翰受洗日這一天（6月24日接近夏至）清晨的第一縷陽光會從連接耳堂和后殿的垂直墻面上的兩個小窗穿過投射在地面上，形成兩個光斑，最終匯成一個大光斑直接投射在教堂大門上（圖4、5、6）。又如意大利帕爾馬洗禮堂，因早期教堂只在復活節、圣約翰受洗日等特定日期舉行受洗儀式，為了配合受洗儀式，通過精確設計使復活節期間（3月25日一4月1 0日）光束會照射在洗禮堂穹頂第五層描繪耶穌在約旦河受洗的壁畫上（圖7）。也正是宗教建筑中對天文時空準線的這些應用，為暗室日晷在歐洲教堂的出現奠定了基礎。

二、暗室日晷的原理

人類對于時間、季節的探索，早在尚未通曉天文知識的史前時代就已經開始。使用最廣泛和操作最簡便的方法是“立竿測影”：一日之中竿影最短時刻為正午；一年之中正午竿影最短一天為夏至，最長一天為冬至；全年中有兩天日出影和日落影重合，這兩天為春分和秋分。

教堂日晷作為一種特殊類型的日晷，其觀測原理和立竿測影相似。不同的是，它利用教堂內昏暗的環境，將其變成一個“暗箱”

（圖8）；在墻面或者屋頂設置小孔，常年接收太陽的照射，以小孔在地面的垂直投影為圓心作弧，連接日出日落時投射在地面上的太陽光標與弧線的交點，即為東西向（圖9），并沿此東西軸線在地面上設置子午線作為“日歷刻度”，神職人員通過觀測穿過小孔照射在教堂子午線上的“太陽光標”位置，確定春分、秋分、夏至、冬至日，進而確定復活節的日期。由于大教堂內部昏暗的環境，經過小孔后投射在地上的太陽光標清晰可見，使得天文觀測和記錄變得更易操作。

三、歐洲教堂暗室日晷的發展歷程及各階段特點

1.第一階段：暗室曰晷的雛形

早在1475年，天文學家托斯卡內利（Toscane…）就在佛羅倫薩圣母百花大教堂（Santa MariadeIFiore）中設立了教堂子午線（圖10、11）。他當時作為大教堂建筑設計師伯魯乃列斯基（F…ppoB runelleschi）的朋友兼數學顧問，在教堂新落成的穹頂上的采光亭上設置了采光小孔（圖12）。由于圣母百花大教堂的穹頂過高，小孔在距離地面約90米的位置，致使穹頂下方的教堂十字翼空間無法容納下整條子午線，室內僅存有一小段穿過祭壇到達北墻的子午線，只能供夏至前后數周使用。1510年教堂的神職人員用銅盤標記出夏至日正午太陽光斑的位置（圖13）。但無論是托斯卡內利，還是伯魯乃列斯基，都沒有留下任何關于建造教堂子午線的緣由。有一些研究者認為此舉亦是為了檢測是否存在地軸傾斜。在1755年的意大利，一位名為萊昂納多·希梅內斯（Leonardo Ximenes）的天文學家，在托斯卡內利的教堂日晷基礎上根據觀測到的夏至日光斑位置重建了子午線，發現與之前的子午線有5641”的偏差，子午線起點到夏至點的長度與1510年時相差4厘米，這個差值證實了黃道存在輕微的變化。

2.第二階段：教堂子午線之父——丹埕與他的暗室室日晷

丹堤（ERnazio Danti）（圖14）是意大利的神父、建筑師、數學家、天文學家及宇宙學家，1536年出生在佩魯賈（Perugia）的一個盛產藝術家和科學家的家庭，從小接受的是自由藝術倡導的通識教育。他身兼工程師和建筑師的父親朱利奧（GiuIio）開啟了他對繪畫和建筑的啟蒙知識，而后跟隨意大利著名畫家佩魯吉諾（Perugino）的徒弟即他的姑姑特奧多拉（Teodora）學習繪畫。成年后，他在完成哲學和神學的研究后，很快便熱忱地投身于數學、天文及地理研究。

1563年9月，他被托斯卡納大公一世科西莫·德·美第奇（Cosimo l dei Medici）公爵邀請，參加其偉大的宇宙學工程。該工程其中一項便是關于歷法的改革，大公希望借此使自己像凱撒大帝一樣留名青史。為了實現大公的野心，丹堤在佛羅倫薩圣瑪利亞教堂（SantaMaria NoveIla ChU FCh）較低一側的假拱門上設置了象限儀和日晷。除此之外，其最重要的成果當數讓其成為教堂子午線之父的暗室日晷的設計。

圣瑪利亞教堂朝向正南方，丹堤利用教堂的長進深，在南北軸線大理石地面上設置一條“子午線”，在南立面距離地面20.45米處的玫瑰花窗上開鑿了一個小洞口（圖15），由于教堂內部十分昏暗，光線經過墻上的小孔后，投射在地面的光斑清晰可見，通過觀測光斑在子午線上運動的軌跡，確定春分、秋分、夏至、冬至的位置點（圖16）。隨后，他被允許刺穿教堂墻體，在更高的26.29米處建立了他的第二時針（圖17）。

不幸的是，科西莫一世于1574年去世。第二年，其子Francesco ldeMedici以莫須有的道德指控強迫丹堤離開佛羅倫薩，他被迫搬到博洛尼亞，這也使得圣母瑪利亞教堂的日晷成為一個未完項目。不過1576年，他的暗室日晷還是在博洛尼亞圣佩特羅尼奧大教堂（San Petronio Church）中得以實現（圖18）。由于該日晷巨大的尺寸，使觀測太陽運動細小的變化成為可能，而這是當時其他天文儀器所不能做到的。通過該日晷確定了春分、秋分、夏至、冬至點的位置。但遺憾的是，由于固定小孔的圓盤在日后滑落，其定位也便不再精確。如今，該子午線已不復存在。

3.第三階段：天文觀測全盛時期

1650年代到1750年代是教堂觀測的全盛時期，意大利的很多教堂都成為了天文研究中心。博洛尼亞圣佩特羅尼奧大教堂憑借其精準的設計和嚴格的儀器標準，成為那個時期最宏偉的教堂天文臺。1655年，即丹堤建立圣佩特羅尼奧大教堂子午線75年之后，G.D.卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）接管了大教堂子午線的重建工作，由于丹堤的子午線不再具有利用價值，他決定重新修建一條子午線（圖19、20）。為了避開中殿支柱的遮擋，同時保證太陽運動的整條軌跡可以呈現在教堂內部，他沒有將小孔安置在中殿，而是將其設置在了第四個拱頂上（圖21）。在室內，小孔被一個太陽圖案的裝飾包裹（圖22），并且在這條子午線上用大理石標牌標示出春分、秋分、夏至、冬至點以及黃道十二宮的位置（圖23、24）。該子午線因其對于太陽運動以及其他天文信息的可讀性，被認為是阿波羅的神諭（OracIe of ADoI Jo）。

此時期另一典型實例是羅馬安杰利圣母堂（SantaMaria degli Angeli）的雙孔日晷。18世紀初，教皇克萊門特十一世（Clement XI）為了公歷改革，委托身為天文學家、數學家、考古學家、歷史學家及哲學家的比安基尼（Francesco Bianchini）構建子午線。之所以選擇在米開朗基羅改建的安杰利圣母堂里創建子午線，有以下幾個原因：首先該教堂為巴西利卡，是代表古羅馬集會的場所，而它在1870—1946年間也作為國家教堂；其次，安杰利圣母堂在古羅馬戴克里浴場的基礎上改建的，在其中設置子午線代表著基督教日歷對于早期異教日歷的勝利。最后，則是因為它自身建筑設計給教堂子午線創造了有利條件：一方面羅馬浴場原本為了獲得更好的日照通風環境設計時采用了東西向的建筑軸線；另一方面，教堂中保留了原浴場一面高大的古城墻，該墻由于年代久遠早已停止沉降，這為保證觀測儀器的準確性提供了保障。

在教堂的中殿內，比安基尼設置了南、北兩個小孔（圖25、26）。南小孔位于南墻上距地20.5米高處，它被呈現在雕刻有教皇克萊門特的高浮雕可開啟的活動板上，當活動板開啟時，即使在距離子午線比較遠的地方也可以觀測太陽和月亮（圖27），活動板的背面也繪制了教皇克萊門特的肖像，這樣無論活動板開或關，都能讓觀測者感受到教皇的無上守護。從南小孔射入的太陽光會照射在鑲嵌于大理石地面的子午線上（圖28），同樣，這條子午線上亦有黃道十二宮以及二分二至的標志點（圖29）。除了用來測量子午線之外，南小孔同時是一個觀測恒星的通道，比安基尼通過望遠鏡從南小孔獲得了北極星每日的運動軌跡。同時為了使光線射入教堂內部，甚至去掉了建筑原有的一些線腳。此外，即使在光線充足的白天，也可以通過望遠鏡觀測大角星、天狼星等恒星。

北小孔位于教堂中殿東北面的拱頂上，距地面約24.39米高，北極星的光線穿過圣孔（圖30）照射在地板上，比安基尼將其每日的運行軌跡記錄在地面上，形成了一個長軸為4.4米、短軸為3米的橢圓（圖31）。其內部里一圈圈橢圓代表著在1 8世紀比北極星更靠近極點的星體的運行軌跡。整個點綴有黃銅星星的橢圓體系（圖32）說明了當時對于時間的新認識：在當時極星已經越來越靠近極點運行。安杰利圣母堂的雙孔子午線在當時最大的成就在于將一年和一個陰歷月的時間更為準確地測量出來。

4.第四階段：科學研究轉折時期

至1 8世紀中葉，伴隨著天文望遠鏡的普及，教堂子午線的科學研究功能已經開始慢慢減弱，但其報時功能的重要性開始提升。無論是圣佩特羅尼奧大教堂，還是安杰利圣母堂，其教堂日晷都兼具報時功能，但當時只為各種宗教活動服務。1750年代之后，統一全城的機械鐘時間成為教堂日晷除天文觀測外的另一個重要功能。

用于統一全城時間的巴黎圣敘爾皮斯（Saint—SulDice）教堂日晷是這個時期的代表。應圣敘爾皮斯教堂牧師Lanuet de Gercy先生的要求，天文學家勒莫尼耶（Pierre—Charies Lemonnier）在1743年把日晷引入教堂。該教堂是在13世紀一座古老教堂的基礎上改建的，教堂建設初期為東西向，后期擴建過程中由于地形限制，平面軸線開始傾斜（圖33）。勒莫尼耶將一條正南北向的銅線，從南面的耳堂起始，穿過祭壇。盡管圣敘爾皮斯教堂很大，但是它的十字翼的寬度并不足以在地面上完整的呈現太陽運動軌跡，因此銅線到達北面耳堂角落方尖碑的基石后向上轉折90。，順著碑體向上延伸10米，終結于碑頂的銅球（圖34）。這條被稱為玫瑰線（rosene）（圖35）的銅線上標有刻度，當陽光通過南面耳堂窗戶邊緣高于地面25米處的小孔射入教堂（圖36、37），光斑就會沿著玫瑰線的刻度移動，根據光斑在玫瑰線上的位置就可以計算日期。如圖35夏至正午，光斑落在南耳堂地面上的一塊石板上。冬至正午，光斑會出現在方尖碑的銅條上一個代表摩羯座同時也是冬至日的位置。春分、秋分的時候，光斑則會依次落在位于祭壇地面的橢圓形銅板上相應的標志點（圖38）。

勒莫尼耶之所以選擇將方尖碑作為子午線垂直延伸部分，是因為早在公元前10年，奧古斯都征服古埃及之后，將赫利奧波利斯（HeIiopoIis）的方尖碑搬到羅馬，建造了有史以來最巨型的日晷——奧古斯都日晷（圖39）。從那個時候起方尖碑就與時間產生了內在的聯系。

5.第五階段：公眾的報時儀器

18世紀后期，教堂的天文觀測功能幾乎已經廢棄，但是這并沒有阻止教堂子午線的建造。此時的教堂子午線不再是為科學研究服務，而轉變為向公眾報時。為了使意大利的半島時間與歐洲大陸時間相統一，各地紛紛在教堂建造日晷來為市民提供報時服務。米蘭大教堂（Duomo Mlilano）的子午線（圖40、41）就是在這個時期建造的。天文學家安杰洛·塞薩里斯（GiovanniAngelo Cesaris）1 786年在米蘭大教堂屋頂上設置太陽入射小孔（圖42），由于教堂平面布局嚴格遵循東西向軸線，塞薩里沿垂直于教堂長軸的方向在教堂東端設置子午線（圖43、44），但由于教堂的寬度不足以容納整條子午線，和圣敘爾皮斯教堂子午線的處理方式類似，將冬至日（摩羯座）的太陽標記轉折到北墻上2.50米高處（圖45）。此時的教堂日晷已經不再是為教皇控制的宗教服務儀器，這一點從子午線的位置就可以看出，早期的教堂子午線基本都在圣壇附近，而米蘭大教堂的子午線已經移至教堂的東端入口處。

除了米蘭大教堂之外，在意大利的貝加莫、巴勒莫、卡塔尼亞也有類似的教堂子午線作為太陽計時器來校正手表、機械時鐘。甚至到19世紀30年代，比利時的教堂子午線還被應用在鐵路列車時刻表的制定中。

早在古羅馬時期維特魯威將“日晷制造”作為建筑的一部分，并將天文學列為建筑師應掌握的知識。一千多年之后，歐洲建筑師仍然保持這個傳統，將天文時空準線應用在教堂的設計中。

縱觀15—18世紀歐洲教堂暗室日晷的發展歷程，從圣母百花大教堂僅有一個標志點的子午線，到丹堤在圣母瑪利亞教堂開創完整的暗室日晷觀測體系，之后教堂暗室日晷歷經天文觀測全盛時期、科學研究轉折時期，最后成為了公眾報時的儀器。其建造的目的，從最初的確定復活節日期、劃分時節，到之后的測定地軸傾角、黃道變化等天文參數；觀測的對象，從單純的太陽、月亮，到北極星等其他天體；使用功能從為教皇制定歷法，到為公眾校準報時。可見，教堂不僅僅是供教徒集會，進行宗教活動的場所，它曾經還利用其建筑中的時空準線和地面上的子午線，成為天文科學研究的實驗室，甚至當天文望遠鏡和天文臺出現之后，教堂憑借其精準的暗室日晷依舊作為發布城市標準時間的報時工具，它不僅僅是宗教的教堂，也是科學的教堂。

教堂作為神靈的居所，其與天體存在的時空聯系概括起來主要有以下三種方式：首先是建筑朝向與特定日期、特殊天體的時空對應；其次，通過空間設計結合時空準線，使得光線成為內部裝飾的一部分，營造神圣的宗教氣氛；最后一種即將時空準線的原理與宗教建筑融合，使其成為人類了解宇宙奧秘的儀器，教堂暗室日晷就屬于這一類。教堂中這些科學功能的本質，即為建筑與天體之間時空準線的應用。

事實上，時空準線在中國古代建筑中的應用也很普遍，本文僅以15—18世紀的歐洲教堂為例來闡述建筑中的時空準線及其科學內涵，希望對中國古代建筑天文特征的探索研究有一定啟發。

（感謝郭滿、鄭婕在本文資料收集過程中給予的幫助。）