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日晷和漏刻:那些古老时光的计时器 体现古代工匠智慧

2019-09-27 17:25:33    来源:科技日报

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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。

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。

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。现存于交泰殿内的铜壶漏刻,为清嘉庆三年(1798)仿原件制成并安装于此的。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。

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。

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。

(作者系故宫博物院研究馆员 周乾)

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