中国古代的计时仪器-圭表和日晷

人类自从数千年前进入文明时期开始，就对天上的日月星辰开始了观察，从而诞生了早期天文学，所以说天文学是人类科学中出现最早的学科之一。

在对日月星辰的观察中，最为瞩目的当然是太阳了，太阳给大地带来了光明和温度，人们很早就知道了太阳的重要性。因此，无论在哪个人类早期文明中，太阳的地位都是最为崇高的。

对太阳的观测，成为了各个文明最重要的天文观测之一，由于太阳有规律的运动，成为人们最早用来计时的自然标准。

我国古代常用的计时仪器就是圭表和日晷了，这两者都以太阳为观测对象，其中圭表最为简单，其出现年代很早，根据现代考古发现，在大约4000年前的陶寺遗址时期，就已经使用了这样的方法了。

通常来说，圭表是由表发展而来，而日晷又是由圭表发展而来的。

表的最初形态就是一根树立在平地上的杆子或者石柱，古书中所谓的竿、髀、碑、槷（音聂）、臬等字都有类似的含义。在远古时代，人们发现物体在阳光的照射下会投下影子，而影子的方向和长短会随着太阳位置的变化而有规律的变化着。随着人们对这种规律的熟悉，逐渐想到用竹竿或者石柱作为专用物品来观察影子的变化。这样，就产生了最古老的天文仪器，表。

表的结构虽然简单，但却很有用。古人根据表投下的影子的长短和方向，可以确定方向、节气、时刻、地域等，后来慢慢由表发展处多种的仪器和观测方法，其中包括根据正午时表影的长度变化定节气和年长的圭表，利用一日之内表影的方向变化定时刻的日晷等等。

圭表作为计时仪器，是由表和一个正南北方向平放的尺组成的，平放的尺叫做“圭”，与表相互垂直，组成圭表。最初的圭表是分开的，人们立杆为表，然后用一种叫做“土圭”的量度工具来测量影子长度。后来发现，在中原地区，正午时分表影总是投射在表的正北方，所以人们就用与表同样的材料制作了一个平板，一头放在表下面，向北延伸，并在平板上刻凿尺寸这样，正午时表影投射到平板上，就可以直接读出表影的长度值了。因为这个平板起到了土圭的作用，所以人们就把这个平板叫做土圭或者圭。

我们的祖先很早就发现夏至那天正午表影最短，冬至时最长，古人将这一天称为“至日”，在甲骨文中已经有了记载。我国古代就是根据正午时分表影的长短来定至日和节气，从而测定年长。大约在春秋中期，利用圭表测量日影，就成为历法工作中的重要手段了。利用这种方法测量出的回归年长度为364又1/4日，公元前五世纪出现的四分历，就是以这个数值作为基本数据的。

古代使用的圭表，一般高为八尺，这个标准大约形成于周代，而周代的一尺为23.1厘米，八尺也就是184.8厘米。在历史上还有过九尺和十尺的高表，但在元代郭守敬之前的圭表，大部分都是八尺高。

而郭守敬时期，对圭表的高度做了革新，他将表身高度增加到4丈，这样减少了相对误差，提高了观测精度。而到了明代万历年间，天文学家邢云路在兰州建造了6丈木质高表，堪称空前绝后。在其《戊申立春考证》一书中，提出一回归年的长度为365.242190日，与现代数值365.2422高度吻合。

尽管我国历代制造了众多的圭表，但保存到现代的却是很稀少，比较有名的是1965年在江苏仪征石碑村1号东汉墓出土的一件袖珍铜圭表。圭长34.5厘米 ，合汉制1.5尺，边缘上刻有尺寸单位 ；表高19.2厘米，合汉制8寸。圭、表间用枢轴连接，使用时将表竖立与圭垂直；平时可将表折入圭体中留出的空档内，便于携带。

1977年，考古学家在安徽阜阳西汉汝阴侯夏侯灶墓中发现了一件漆器，经过多年研究确认，这是一件西汉时期的圭表，因夏侯灶下葬年代为汉文帝十五年，也就是公元前165年，因此这件圭表是确定年代的最早的圭表。

另外，河南登封的观星台，就是郭守敬建造的4丈圭表的模式，而南京紫金山天文台和北京古观象台都保存着明清时期的铜制圭表。

说完圭表，我们再说下我们比较熟悉的另外一种古代计时仪器，日晷。

日晷起源于圭表，是由圭表演变而来的，日晷主要是用来定时刻的一种计时仪器。我们从前文对圭表的介绍中可知，一年之中，正午时表影每天长短是不同的，这是由于地球围绕太阳公转造成的变化。因此用圭表测量正午时分的表影长度可以定节气，定年长。而一天之内，表影的方位和长度也是在变化的，这是由地球的自转造成的，而日晷就是利用表影的方位变化来测定每天时刻的。

日晷的主要部件是一根表（在这里称为晷针）和刻有时刻线的晷面组成，日晷按照晷面放置的位置不同，可以分为地平日晷、赤道日晷、立晷、斜晷等。最常见的是赤道日晷和地平日晷，在故宫博物馆和北京天文馆就可以看到。

我国传统的日晷是赤道日晷，这种日晷是将一根指针装在一个石制圆盘的中心，指针垂直于晷面，晷面装在一个石台上，南高北低，使其平行于赤道面。这样，指针上端正指着北天极，下端正指着南天极。换句话说，日晷的指针和地球自转轴的方向是平行的，在晷面两面均布各刻有十二时辰。太阳正午时，晷针的影子正好落在正北方向上，也就是午时，每年春分以后看盘上面的影子，秋分以后看盘下面的影子。

而地平日晷与赤道日晷的区别在于晷面是水平放置的，而晷针则不垂直于晷面，而是呈倾斜状指向北天极，晷针与晷面之间的夹角，真好是北极星的地平高度角，也可以说是当地的地理纬度。另外，需要说明的是，晷面上的刻度也不是均分的。

目前发现的最早的日晷是清光绪23年在内蒙古托克托城和1932年在洛阳金村出土的玉盘日晷，前者现保存在中国历史博物馆后者收藏在加拿大安大略皇家博物馆。

玉盘日晷是一尺见方的石板，中央有一个圆孔，圆孔外有一半径近4寸的大圆。圆周上刻有69个浅孔，孔间距离相等，共占了圆周2/3多。每个浅孔有一条直线到中心孔，浅孔边上有数码，从一到六十九，顺时针方向排列，以小篆体书写。根据出土及文字判断为秦汉时期之物。

我国最早关于日晷的文字记录，是《随书 天文志》中记载，开皇十四年（公元594年），鄜州（今陕西延安附近）司马袁充发明的短影平仪，这是一种地平日晷，晷面圆周均分为十二辰。据记载，司马袁充利用这个日晷和漏壶相比较，求出冬至、夏至、春分、秋分时太阳移动一辰的漏刻数，发现太阳在晷面上每移动一辰而得到的漏刻数相差悬殊。

因此，他根据这个发现上奏朝廷，建议用不均匀的时辰刻度来代替原来均匀的漏刻，但未被采纳。其实，这一发现充分证明了地平日晷的刻度划分应该是不均匀的，只是古代这方面发展缓慢，没有得到重视。

而关于赤道日晷的可靠文字记录，最早见于南宋曾敏行所著的《独醒杂志》卷二，记载了他的族人曾瞻民所制作的赤道日晷。

而我们出土的秦汉时期的玉盘日晷，也是一种赤道日晷，但是古代对日晷的记载很少，所以最早的文字记录只有南宋。而清代天文学家梅文鼎也曾提到过他的家乡有一具唐代的赤道日晷，但是我们尚未在唐代的文献中找到记录。

在历史的长河中，有太多的东西失落了，但是尽管如此，我们还是可以看到古人的智慧，看到华夏民族辉煌的古代文明。

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