紫禁城里的古代计时工具——日晷和漏刻

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。