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中国计时仪器史素材

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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

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