中国古代的计时仪器

原创 舞天玄姬 舞天玄姬 2022-04-22 09:24

时间计量在我国有悠久的历史。

中国古代的计时离不开天象，早在《尚书·虞书·舜典》中就有：“在璇玑玉衡，以齐七政”的记载。

中国最古老的计时器是日晷和漏壶。黄帝时已用测漏之法来定时间，到周朝设官执掌此责，故《周礼·夏官》有云：“挈壶氏县壶以水火守之，分以日夜。”就是用有一百条刻画的漏壶盛水定时间。在冬至，昼间漏四十刻，夜间漏六十刻。夏至时刚好相反。春分秋分时则各为五十刻。

圭表

十二辰制和百刻制只是一种计时制度，要想知道当前的准确时刻，还要依靠各种计时工具。中国古代最早使用的计时工具称为圭表。

圭表的创制年代已不可考，可能早在商周时期就已使用。

圭表是一种既简单又重要的测天仪器，它由垂直的表（一般高八尺）和水平的圭组成。圭表的主要功能是测定冬至日所在，并进而确定回归年长度，此外，通过观测表影的变化可确定方向和节气。

圭表测影

中国最早的天文观测仪器是叫“圭表”，而最早装置圭表的观测台是西周初年在阳城建立的周公测景（影）台。

图 登封观星台

全年来说，夏天的中午，太阳位置高，影子也短；冬天的太阳较低，中午的影子也较长。中午影子最短的那天是夏至，最长的那天即冬至，古代亦称“日北至”和“日南至”。这是非常直观的名称。

如，取上午与下午影子一样长的影端两点联接起来，那它的中点与标竿入地处的联线方向就是南北方向，它应同中午的竿影相合，这根标竿就称为“表”。

大约至迟在殷商时期，人们已经懂得用表来测日影定季节了。最早的表是用木制的，或用竹竿，也有用石柱的，它们都是容易得到的材料，为了测量日影长度，周代使用一种专门尺子——土圭。

“圭”就是放在地面上的土堆，“表”就是直立于圭的杆子，太阳光照射在“表”上，便在“圭”上成影。

“土”是度量的意思，“圭”是一条尖头的玉器，土圭就是量度日影的一把玉尺。

周代使用圭表有了规范，杆子（表）规定为八尺长。

古人测影之表，一般长八尺，即所谓一寻，《说文》：“度人之两臂为寻，八尺也。”，《方言一》：“寻，长也。周官之法，度广为寻。”。

《周髀算经》中所载“周髀长八尺”，“陈子曰：「古时天子治周，此数望之从周，故曰周髀。髀者，表也。」”，周髀即为八尺之表。

《海外北经》有寻木，即冬至测影所立之表木，谓之寻木，当表明其长一寻，可见，禹命竖亥步天所用的表木也是八尺之表。（《山海经·海外北经》：“寻木长千里，在拘缨南，生河上西北。”）

《周髀算经·卷一》云，禹治天下是根据“勾股定理”云：

折矩以为勾广三，股修四，径隅五。既方其外，半之一矩，环而共盘，得成三四五。两矩共长二十有五，是谓积矩。故禹之所以治天下者，此数之生也。

这里说的实际上就是著名的“勾股定理”，“勾广三，股修四，径隅五”，即：

3²＋4²＝5²

《周髀算经》的“勾三股四弦五”这一勾股定理的特例，这组数据既然是特例，就不是推导所得，而是实测所得，也就是立表测影所得：

立高度为八尺的周髀，当表影为六尺时，测得从表端到影端的距离为十尺，即6²＋8²＝10² 

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日晷

圭表是通过太阳的影子进行测量的中国古代天文仪器，日晷是在圭表的基础之上发展起来的。

圭表虽然能够计时，但功能有限，一天之中只能确定正午的准确时刻。于是，中国古人对圭表进行改进，创制出计时功能更强的计时装置——日晷（guǐ）。

日晷，本义是指太阳的影子。又叫日圭，日规，日晷gui，也称做圭gui臬nie（臬字是自立之木为臬。），是我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻，通常由晷针和晷面组成。

秦朝时，分昼时为七，即旦、朝、禺、中、晡、夕、昏。分夜时为五，即甲乙丙丁戊。此方法沿用至汉朝。

在《辽史·历象志》有云：“八尺之表，六尺之简，百刻之漏，日月星辰示诸掌上。”可谓是将日月星辰展示于手掌之上了。

《新五代史·司天考》也说：“晷，漏正，则日之所至，气之所应，得之矣。”

《隋书·天文志》记载：“昔黄帝创观漏水，制器取则……总以百刻，分于昼夜。”中国历代对计时都十分重视，往往把计时的管理、计时仪器与国家的政令联系在一起，并且作为国家法制的一个部分严格加以控制。

日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。

日晷有许多种不同的形式，基本上可以分为地平式日晷、赤道式日晷、子午式日晷和卯酉式日晷等等。

赤道式日晷的晷面与地球赤道平行，与太阳的视觉运动轨迹一致，因而影子移动速度恒定，晷面刻度均匀。

图 赤道式日晷

地平式日晷与当地地平面平行，与太阳视觉运动轨迹间存在一个角度，因而影子移动速度不恒定，日出日落时移动最快，正午时分移动最慢。这种情况下，为准确标示时刻，晷面刻度也相应有疏有密，不是均匀分布。

图 地平式日晷（南京紫金山天文台简仪南内南侧）

在我们看来是日晷背着太阳，“日”是指太阳，“晷”则是指影子；日晷就是指太阳的影子，是古代人利用太阳的影子发明的一种用于测量时间的仪器。既然是利用影子来计时，就必须要有影子才可以。

    

铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”；石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。

当有太阳时，晷针就会在晷面上投影，随着太阳的移动，影子的长度和方向都会变化。

晷面两面都有刻度，分子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二时辰，每个时辰又等分为“时初”、“时正”，这正是一日24小时。

在晷面的正反两面刻划出12个大格（十二时辰），每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。 

那么根据晷面所刻十二时辰刻度，以影子的指向用来显示时间。在早晨的时候，影子指向盘面西端的卯时，影子最长。当太阳在最南位置时，影子位于指针的正下方，并指向午时，也就是中午；随着太阳的西落，影子就会依次指向未、申、酉等时刻。

图 日晷+修正值表

图 日晷计时动态图

从春分到秋分期间，太阳在天赤道的北侧运行，因此，晷针的影子投向晷面上方；

从秋分到春分期间，太阳在天赤道的南侧运行，因此，晷针的影子投向晷面下方。

所以在观察日晷时，首先要了解两个不同时期晷针的投影位置。

附注：

圭表与日晷的主要区别在于：

圭表根据日影的长短判别方向测定季节、全年日数和冬至、夏至的日子，推算历法等；

日晷主要是根据日影的位置来指定当日的时辰或刻数，是我国古代较为普遍使用的计时仪器。

方法如下：

在地面竖一根柱子，在竖柱子的地方划出正东正西（纬线）、正南正北（经线）两条直线，然后根据影子和经线之间的夹角就可以判断时间。

影子和经线重合是当地地方时12时，影子偏西每1度时间减去4分钟。

影子偏东每1度时间就比12时加上4分钟。

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天文仪器

战国时期的天文学家，石申第一部天文巨著“天文”。西汉后，人们尊称“天文”一书为《石氏星经》。书中标有 121 颗恒星的位置，书中还记有水、木、金、火、土五大行星的运行及交食等情况。石申编制了最早的星表。并称之“少阳”已认识到能自身发光。 

中国汉代天文学家张衡改创了赤道式仪器，定下了赤道式浑仪的基本结构。

张衡是浑天说的代表人物之一。浑天说认为：天像个鸡蛋壳，地像鸡蛋黄，天大地小，天壳之外还有无限的宇宙。张衡设计和制造了漏水转浑天仪、候风地动仪，并对日月星辰做了许多观测和分析，并测量出了太阳和月亮的角直径是周尺的1/736，即29'24'。他统计出在中国的中原地区能看到的恒星约有2500颗。

陶弘景在天文历算和地理学方面也有很多论述及贡献。他曾经制作浑天象一台，高三尺左右，地居中央，天转而地不动，无论二十八宿度数，七曜行道昏明，中星见伏早晚，以机转动，都与天相会合。他曾认真校对从三皇时起，及至《汲冢竹书》共50家的年代历书，编撰成《帝代年历》五卷。此外，他还著述有《古今州郡记（即地图、地理知识）》三卷，《西域图》一张。为后世的天文、历算、地理等，做出了重大贡献。

隋代，刘焯创制了《皇极历》，他首先考虑到了日、月视运动的不均匀性，为此创立了等间距二次差内插法。计算日月视运动的速度。同时他把差岁改为 75 年差一度。

北宋元祐年间，苏颂、韩公廉等人合作制造成“水运仪象台”，是中国古代第一架天象仪。有 8 人高，每层有门，一到时间门开，木人出来报时。（后面有漏壶和机械系统）。

水运仪象台以水力转动，是世界上首创的水动天文钟，其中精妙的擒纵装置，相当于钟表里的擒纵器，起控制枢轮定速转运的作用，使这座仪象台把测量仪器的浑仪、表演仪器的浑象和计时仪器设置在同一机构内表达出来，被誉为天文钟的祖先。

北宋沈括，在天文、历法、算学上所取得的成就是举世瞩目的。

《宋史·律历志十三》记：“初，括上浑仪、浮漏、景表三议。”熙宁六年“诏依新式制造，置于司天监测验，以较疏密。”可惜实物早已无存。

1072年，沈括任司天监，神宗命他修改历法。当时观测设备陈旧落后，沈括简化浑仪、创新景表等等，把仪器改装得先进又精密，之后，观测发现了一些新的天文信息。如：改进漏壶后，每天计时误差不到三秒，并发现了太阳周年视运动的不均匀性，“冬至日行速，夏至日行缓。此古人之所未知也。”（《梦溪笔谈》）

而且，他还准确地描述了五星运行的轨迹，月亮的盈亏生光现象，以及发明准确测定极星位置的方法，提出“十二气历”建议，详细记录并描述陨石特征及其陨落过程等等。

北宋沈括著《浮漏仪》，将漏刻的结构及消除误差的各种措施一一记录下来。

中国南宋时期杨忠辅创制了《统天历》确定回归年长度为 365.2425 日，并发现回归年长度有消长现象。

郭守敬--是中国元代杰出的天文学家。他创制了高表、玲珑仪、观象台计 16 种仪表，仪器专门测量天体使用。还制作了简仪，现存紫金山天文台。郭守敬测定了黄赤交角。

邢云路是中国明代天文学家。他写成《戊申立春考证》一卷，著《古今律历考》七十二卷。他在《古今律历考》中指出：“星、月之往来皆太阳一气之牵系也。”

今天认为是一种朴素的行星运动受太阳吸引力支配的思想。他曾参加两次改历运动(1595年和1610年)，是明末复兴天文学的重要人物。

万历三十六年戊申，他在兰州时曾立六丈高表（见圭表）以测日影，算得这一年立春时刻与钦天监所推不同，写成《戊申立春考证》一卷。书中提出一回归年长度为365.242190日，同现代理论计算值只差2.3秒。

朱载堉自幼喜欢音律、数学，《明史》本传说他“笃学有至性”。在“席藁独处”期间，他潜心著述；在恢复了王子身份以后，他仍然以学问为主，务益著书，从而为后人留下了丰富的著作。

嘉靖二十九年（1560年），他著《瑟谱》，万历九年（1581年），他完成《律历融通》等书；万历十二年（1584年），又完成《律学新说》。万历二十三年，载堉“上历算岁差之法，及所著乐律书，考辨详确，识者称之。”（《明史·诸王列传》）这里提到的“乐律书”，即《律学新说》，而“历算岁差之法”则包括《律历融通》四卷、《圣寿万年历》二卷、《万年历备考》三卷、《音义》一卷。

万历二十四年（1596年），载堉献其新近完成的《律吕精义》一书（包括内篇、外篇）。万历三十一年（1603年），著成《算学新书》；万历三十四年（1606年），上《操缦古乐谱》等著作。

此外，尚有不明撰述年月的《乐学新说》、《灵星小舞谱》、《旋宫合乐谱》、《六代小舞谱》、《小舞乡乐谱》、《二佾缀兆图》、《嘉量算经》、《圆方句股图解》、《律吕质疑辨惑》等。上述著作，大部分都收入他的《乐律全书》中。（本条内容，参阅了戴念祖的有关研究成果）

朱载堉认为当时的历法计算每年的长度不是十分精确，经过他的仔细观测和计算，求出了计算回归年长度值的公式。在1986年，专家们用现代高科技的测量手段对朱载堉关于1554年和1581年这两年的计算结果进行了验证，验证发现，朱载堉计算的1554年的长度值与今天计算的仅差17秒钟，1581年差21秒钟。

朱载堉还是中国历史上第一个精确计算出北京的地理位置（北纬39°56′，东经116°20′）的人。