中国计时仪器史

一、太阳钟

在历史长河中，天文学与计时学相伴相生，二者同步发展。计时仪器和天文仪器一样，历经漫长岁月逐步精确化。最古老的计时仪器是土圭、圭表和日晷，它们均通过太阳的投影与方位来计时，被统称为太阳钟。

1.1 土圭

土圭是最古老的计时仪器，构造简单：将一根杆子直立于地面，通过观察太阳光投射的杆影移动规律、影长变化，来确定冬至、夏至日。

《尚书·尧典》中记载土圭始于尧帝时期（公元前2357－2258年），但史学界普遍认为《尧典》并非尧时所作，而是周代史官依据传闻编写，后经春秋战国（公元前72世纪）儒家陆续补订而成。据此可推断，至迟在公元前7世纪，掌管天地四时的官吏已使用土圭区分二分二至，确定一年为366天。到殷商时代（公元前1600前1046年），测时精度已相当高，当时的干支记日法沿用至今。

1.2 圭表

由于土圭构造简单却不易精准操作，逐渐发展为圭表。《隋书·天文志》将圭表的创制追溯到公元6世纪：南北朝梁武帝天监年间（公元503519年），祖暅（祖冲之之子）打造了八尺高的铜圭表，通过观测圭上表影的长短来测定时间。但1965年江苏仪征东汉墓（公元25220年）出土了一件青铜铸圭表，这表明圭表的创制与使用比文献记载早了数百年。《元史·天文志》则对圭表的形制、构造、材质有详尽记述。

元初郭守敬依据圭表原理，在河南登封建立了高耸的观星台，又在大都（今北京）设置圭表；明正统二年至七年（公元1437~1442年），北京古观象台建成圭表；清乾隆九年（公元1744年）对其重修并加以改进。古代圭表主要用于判断方向、测定季节、划分四季和推算历法，对农业生产发展起到了重要作用。

1.3 日晷

日晷又称晷仪，同样是观测日影计时的仪器，与圭表的区别在于：圭表依靠日影长短判别方向、测定季节、全年日数及冬至夏至日期，进而推算历法；日晷则根据日影位置来指定当时的时辰或刻数，是我国古代较为普及的计时仪器，但史籍记载较少。目前史料中最早的记载见于《汉书·律历志·制汉历》：太史令司马迁提议共议“乃定东西，主晷仪，下刻漏”，而《汉书·艺文志》中列有《晷书》34卷，仅存书名，无具体内容。

《隋书·天文志》记载了耿询的成就，称“观测日晷和刻漏，是测天地正仪象的根本”；《明史·天文志》对日晷的形制、定时之法有详细记载。相较于圭表，日晷结构更为复杂，堪称真正意义上的计时仪器。发展到清代，日晷不仅用于计时，还成为兼具实用性与观赏性的装饰艺术品。

中国太阳钟发展史上，指极表或指极针的发现可追溯至公元前4世纪；周汉时期形成的12时辰制极为先进，在公元前4世纪以前就已成为固定时制。

唐代的赤道式日晷是所有日晷中计时最准确的，后经阿拉伯人或犹太人传入西方，17世纪时赤道式日晷风行欧洲，被称为“二分式日晷”。明末之后，中西各类日晷在社会上广泛使用，种类之多前所未有。18世纪著名日晷制作家山西姚乔林，其制作流派远播广东。

总的来说，太阳钟横跨人类历史数千年，在使用中不断发展完善，不仅为社会发展、科技进步起到推动作用，还能计时、求得标准时间，甚至可用于校对现代钟表。

二、我国机械时钟的发展历程

日晷测定的是真太阳时（视太阳时），受地球轨道偏心率及地球倾角影响，真太阳时与平太阳时并不一致。因此，不依赖太阳的测时方法应运而生，且愈发重要。欧洲在14世纪早期机械钟出现前，主要依靠日晷计时；而中国则极为重视水钟（刻漏），并将其发展为一种独特文化，达到登峰造极的地步，为机械钟表的诞生奠定了科学与技术基础。

2.1 水钟

水钟在中国又称“刻漏”“漏壶”，依据等时性原理，滴水计时分为两种方式：一种是利用特殊容器记录水漏完的时间（泄水型），另一种是用底部不开口的容器记录装满水的时间（受水型）。中国的水钟最初为泄水型，后来泄水型与受水型同时使用或合二为一。自公元85年左右，浮子上装有漏箭的受水型漏壶逐渐流行，甚至得到广泛应用。

从公元2世纪张衡所处的时代，到公元6世纪耿询的时代，驱动表演用浑天仪和天球仪转动的水钟技术，孕育了早期机械钟的雏形。公元725年，一行与梁令瓒发明了擒纵机构，这种装置实质上就是早期的机械时钟，比欧洲同类发明早了六个世纪。中国的浑仪在长期发展中，形式上是天文观测仪器，本质上却具备时钟装置的功能——从张衡时代起，天文技术人员就一直尝试制作一种缓慢转动的齿轮，使其与天体的周日视运动步调一致。

公元725年，一行与梁令瓒成功解决了这一难题，因此皇室对宫中持续运转的天球仪（天文钟）充满兴趣也就不足为奇了。

公元1088~1090年，苏颂及其同事在开封建造的水运仪象台，是机械时钟与观测用浑仪的完美结合，原理上完全成功。这一成就比罗伯特·胡克的相关发明早六个世纪，比惠更斯（旧译“方和斐”）早七个半世纪。

2.2 香篆钟

尽管水钟发展前景广阔，但古人仍在不断探索其他计时方法，在某些场景下，或许有比水钟更精准的选择。据宋代学者薛季宣记载，除日晷、刻漏外，香篆钟于12世纪中叶在中国流行。荷兰学者高罗培所著《狄仁杰断案传奇》中，记述了唐宫用于计时的梅花形黄铜盘香篆钟：盘子内有五瓣梅花，每瓣缭绕一圈盘香，焚烧时用以计时，名为“五孕祥云”。

2.3 沙漏

当水温和水质直接影响水钟的使用与准确性时，人们不得不另寻出路。13世纪詹希元制作的五轮沙漏，是一种以沙为动力的高级机械时钟，足以证明我国古代劳动人民早已掌握此类较复杂漏刻的制造技术。

公元1276年，郭守敬创制的赤道式浑仪，虽比1090年苏颂的仪器更为精密，但并无本质区别；而他在数学、机械、天文仪器领域的成就，以及同年制造的“大明殿灯漏”（脱离天文仪器的独立机械时钟），足以让他成为世界闻名的元代科学家。

中国计时仪器史年表

纪元	朝代	计时仪器史	主要文献
公元前2357~2258年	尧	圭表、日晷测时已达相当高的精度	殷墟出土卜辞、《尚书·尧典》
公元前722~221年	春秋战国	中国的漏壶计时已达很高的水平	《周礼》、《初学记》、唐孔颖达《诗疏》
公元前201~公元9年	西汉	日晷和漏刻计时同时使用	《前汉书》、《中国科学技术史》、清梅文鼎《日晷备考三考》
公元85年	东汉	浮子和漏箭出现	《玉函山房辑佚书》、张衡《漏水转浑天仪制》
公元132年	东汉	张衡制漏水浑天仪	《晋书》
公元450年	南朝宋	李兰制“停表刻漏”，又名“马上奔驰”	《初学记》
南朝梁（公元502~557年）	梁	殷夔制漫水或恒定水位漏	殷夔《漏刻法》
公元660年	隋	耿询、宇文恺制大称式刻漏，献于隋炀帝	《玉海》卷十一、《国史志》、《宋史》
公元665年	唐	吕才制“多壶式受水壶刻漏”	《事林广记》、《六经图》
公元618~906年	唐	唐代盛行赤道式日晷，并于十七世纪前传入欧洲	元杨瑀《山居新话》、《中国科学技术史》、清梅文鼎《日晷备考三考》
公元725年	唐	梁令瓒、一行制擒纵机构	《新唐书·天文志》、《中国科学技术史》
公元1030年	北宋	燕肃制“莲花漏”	《初学记》
公元1135年	金	出现复式多壶漫流刻漏	《六经图》、《大清会典》
公元1050年	北宋	舒易简、于渊、周宗制皇祐刻漏	《初学记》
公元1074年	北宋	沈括革新皇祐漏刻	沈括《梦溪笔谈》、《浮漏仪》
公元1090年	北宋	苏颂、辅公濂制水运仪象台	《新仪像法要》
公元1250年	南宋	“香篆”钟和灯钟计时在中国广为流行	洪刍《香谱》、杨瑀《山居新话》
公元1260年	元	地平式日晷由西方传入（携带式日晷）	《元史·天文志》、《中国科学技术史》
公元1276年	元	郭守敬制“周公测景台”、“大明殿灯漏”	《元史·天文志》
公元1313年	元	农夫已开始使用田漏	王祯《农书》、《中国刻漏》、梅尧臣《田漏》
公元1316年	元	杜子威、冼运行制广州铜壶滴漏	《广州延祐铜壶记》
公元1360年	元	詹希元制五轮沙漏	《明史·天文志》、宋濂《五轮沙漏铭》
公元1580年	明	西方传教士罗明坚将自鸣钟传入中国	《中国天主教史》
公元1600年	明	明末吉坦然制“通天塔”（自鸣钟）	《宣城县志》卷二十七
公元1745年	清	丁傅欲重建广州镇海楼自鸣钟	《雪桥诗话》卷九
公元1773年	清	清宫“作钟处”仿制改造机械时钟	清史档案
公元1796年	清	冯义和制“更钟”	存南京博物院