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紫禁城里的古代计时工具——日晷和漏刻

 昵称37581541 2019-09-29

本文载于《科技日报》2019年9月27日第8版,有修改

时间是人类生活的重要参考依据。现代人往往通过钟表来计时并安排工作和生活,但我国在清代以前是没有钟表的,要想计时的话很不容易。当然,这并不代表古代没有计时工具。古代人们在长期的生活和生产实践中,通过对一些自然现象的不断观察,逐渐掌握了日升日落、星辰出没、月亮圆缺等周期性的变化规律,并以此为契机便发明了各式各样的计时工具。“日晷”就是其中之一。所谓日晷,就是人类根据日影位置的变化来测量时间的一种工具。作为明清皇宫的紫禁城,太和殿、乾清宫、坤宁宫、养心殿、慈宁宫等建筑前都有日晷。如图1所示为太和殿前日晷,其采用汉白玉制,造型雄伟,气魄宏大,为我国典型的赤道式日晷。这种日晷的主要特点为:日晷的晷面(即图1所示的圆盘面)与赤道面平行,晷面的上下两面均刻有子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥12个刻度均匀的时辰,在晷面中心有一根垂直于晷面的指针。太阳照射指针后,指针的影子落在哪个时辰的刻度上,即说明此时是什么时辰。

图1  太和殿前日晷

图2所示为太和殿日晷放置示意图。该日晷由底座、晷面、指针组成。底座与地面平行,晷面与赤道平行,指针与地轴(指向南北极)平行。指针与地平面的夹角必需与当地的地理纬度相同。北京的纬度为北纬39.9度,所以太和殿日晷的指针与地面的夹角也为39.9度。指针一般为铜质,垂直穿过晷面,其最重要的作用是确定南北方向。由于晷面平行于赤道面,这样,指针的上端正好指向北天极,下端正好指向南天极。所以,太和殿日晷的指针是南北向设置,指针朝向北极固定。指针的第二个作用才是用来确定时间。其时间的确定,主要通过太阳照射指针在晷面的投影来实现。晷面呈圆盘形,石质,正反两面都刻有12个时辰。当太阳光照在日晷上时,指针的影子投向晷面。太阳由东向西移动,指针影子也慢慢地由西向东移动。晷面的刻度是均匀的,移动着的指针影子犹如是现代钟表的指针。随着太阳位置的变化,晷针影子在盘上移动一寸所花的时间称为“一寸光阴”,而“一寸光阴一寸金”的成语就是由此而来。春分(每年公历大约为3月20日左右)到秋分时间(每年公历9月23日-24日之间),太阳在赤道北侧运行,指针的影子投在盘面的上方(北方),此时的时刻看盘面上方的读数。秋分到春分期间,太阳在赤道南侧运行,指针的影子投在盘面的下方(南方),此时的时刻看盘面下方的读数。日晷读数和日期无关,因为读取的是影子的方向,不是影子的长度。可以说,整个日晷就是一个缩小版的地球,不管太阳高度如何变化,晷针在晷面上的影子变化都是均匀的。而春分和秋分日前后几天,太阳光与晷面平行,难以从晷面上读数,这几天赤道式日晷是没法用的。

图2  太和殿日晷放置示意图

日晷利用太阳射影的方向来测量时间,但是,在阴雨天和夜间就会失去效用,且在春分、秋分时期无法使用。所以,我国古代工匠又发明了漏刻。作为计时器,漏刻的使用比日晷更为普遍,时间也更为久远。紫禁城交泰殿内,就有一座铜壶漏刻。漏,是指盛水漏壶,用于泄水或盛水;刻,是指划分一天的时间单位,它通过漏壶的浮箭来计量一昼夜的时刻。交泰殿内铜壶漏刻初造于清乾隆十年(1745),由清宫造办处制作。乾隆六十二年(1797)十月二十一日,乾清宫大火,不仅乾清宫被毁,还殃及交泰殿及其中的铜壶漏刻。现存于交泰殿内这座高5. 76米的红漆画彩漆亭的铜壶漏刻,为清嘉庆三年(1798)仿原件制成并安装于此的,见图3。漏刻使用时,把水注入漏壶内,水便从壶孔中流出,流到水壶下放置的容器中,容器内有一根刻有时刻的标竿,称为箭。箭下以一只船相托,浮于水面。当水流出或流入壶中时,箭杆相应下沉或上升,古人从盖孔处看箭杆上的标记,就能知道具体的时刻。

图3  交泰殿的铜壶漏刻

需要说明的是,交泰殿的铜壶漏刻是我国历代漏刻中较为先进的。我国西周时期就出现了漏刻。早期漏刻大多使用单只漏壶,滴水速度受到壶中液位高度的影响,液位高,滴水速度较快,液位低,滴水速度较慢。为解决这一问题,古人进一步创制出多级漏刻装置。所谓多级漏刻,即使用多只漏壶,上下依次串联成为一组,每只漏壶都依次向其下一只漏壶中滴水。这样一来,对最下端的受水壶来说,其上方的一只泄水壶因为有同样速率的来水补充,壶内液位基本保持恒定,其自身的滴水速度也就能保持均匀。如唐初太常博士吕才制作了一种四级补偿型浮箭漏刻,称为“吕才漏刻”,其构造示意图见图4。该漏刻有四个壶,从上至下分为取名为夜天池、日天池、平壶、万分壶。水流从上述四个壶依次往下流,最后由万分壶流入一个装有抱浮箭铜人的木桶中,该木桶称为水海。水海的水位涨落时,浮箭上下移动,其刻度数即用于观察时辰。

图4  吕才漏刻示意图

交泰殿铜壶漏刻实际是仿造唐吕才漏刻制作,其基本组成包括1个铜人、5个铜壶。这5个铜壶由上至下分别取名为日天壶、夜天壶、平水壶、分水壶、受水壶,前4个铜壶为方斗形,第5个铜壶为圆柱形。各个壶的具体尺寸为:日天壶,上宽0.61米,下宽0.42米,高0.54米;夜天壶、平水壶、分水壶的各个方向尺寸依次均减小0.03米;受水壶直径为0.42米,高1米。受水壶内有一个铜人,面南,抱着一个能上下升降的“漏箭”。该箭又名量天尺,长1米,上面刻着白天和晚上的时刻,上面的刻度为中午十二点,下面的刻度为十一点。在漏箭底部,还有一个空鼓形的水漂(箭船),造型犹如铜鼓。当万水壶中的水位上涨时,船上浮,箭头往上缓缓上升;当水充满时,整个箭头都露出来了,这时要把壶中的水泄掉,箭头则缓缓下降。箭头上的时刻与赤道相符,每24个小时为一个循环,再在壶中注水,如此反复。每个壶都有盖子,且上层壶中水通过龙头形的短管滴入下层壶中。需要说明的是,该漏刻计时与晴雨天气无关,而铜人的主要目的是用于调壶。与早期漏刻相比,其科学性在于,当平水壶水面高于规定值,则可通过孔道将水泄于分水壶,以保证平水壶水面之平稳不变,从而保证仪器计时的正确。

紫禁城的铜壶漏刻与日晷一样,在相当长的一段时间内,成为紫禁城内的主要计时工具。到了清代后期,自鸣钟开始流行,日晷和漏刻渐渐退出历史舞台,成为皇家礼制文化的组成部分。但是,它们构造简单,设计科学,实用性强,在很长的一段时间内为古人的生活提供了时间判断保障,因而是古代工匠智慧的体现。

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