古代计时器知识（古代计时技术的演变）

在中国古代诸多创造发明中，计时技术方面的发明毫无疑问可以跻身于古代科技发明榜的前列。这既是由于时间计量是科学进步的前提、是社会有序运转的技术保障，也由于中国古代计时精度达到了令人惊叹的地步。中国古代在时间计量方面所取得的成就已经为世人所公认，而这些成就的取得是以高超的计时技术为保障的。

要进行时间计量，首先要建立适用的时间单位。

古人计时，以日为基本单位，再对日进行细分，建立小于日的人为时间单位。对此，中国古代普遍采用的是分1日为12时的计时制度，此即所谓的十二时辰制度。

十二时辰计时制度是把一个昼夜均分成12个时间段，每个时间段分别用子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥这十二地支中的一个来表示。后来，古人觉得一个昼夜分成12时，每个时段过长，于生活多有不便，于是又把每个时辰分成时初和时正两个小时辰，这就形成了24小时制。这种24时制一直沿用至今，小时这个名称在现在的社会生活中依然被使用着。

表3.1　古今时间对应关系



但是，即使有了小时制，如果仅以小时作为最小的时间单位，这样的社会，其社会管理、社会生活必然相当粗放。随着文明的发展，人们会要求时间单位越来越细化。

古人建立了百刻制，来满足社会对更小的时间单位的需求。百刻制是把一个昼夜分成100刻，以刻作为最小计时单位。百刻制和十二时制都是以一个昼夜为划分对象，因此，它们是两套并存的时间单位。既然百刻制和十二时制是并存关系，彼此不能取代，就有一个相互配合的问题。但100不是12的整数倍，无法把100刻均匀地分配到十二时辰或二十四小时制中。如何协调二者关系，是让古人很头疼的一个问题。

有两种解决办法。一是改革百刻制，将其改成120刻制或96刻制。古人确曾作过这样的尝试，但由于各种因素的影响，这些尝试均不曾坚持下去。一直到明末清初，传教士进入中国，带来了欧洲的天文学知识和时间制度，人们才又提出实行96刻制的建议。到了清代，96刻制成为正式的时间制度。1个时辰等于8刻，1小时等于4刻，每刻等于15分钟。刻作为时间概念，直到现在还遗留在人们的日常语言当中。

另一种方法是把刻再细分，设法使它与十二时制配合起来。古人常用的一种方法是把1刻分成6小刻，这样每个时辰就包含8刻2小刻，每个小时包含4刻1小刻。按照这种分法，刻和小刻与现在时间单位的换算关系是：1刻=14.4分钟，1小刻=2.4分钟。用这样的方式，百刻制与十二时制终于配合起来了。

时间单位确立以后，下一步，就是如何找到合适的计时仪器，把时间的流逝反映出来。对此，古人一开始是用日晷来完成计时任务的。

既然不管是十二时制还是百刻制，都是对日这个基本时间单位的细分，而日是以太阳绕地一周的视运动为基础建立起来的，这不难启发人们想到，要计量时间，只要观察太阳在空中的方位即可。但太阳在空中，日光耀目，很难对之直接观测，为此，古人选择了在平地上立一根竿子，观察其在日光下的影子方位的变化，由此逆推太阳在空中的方位，从而测知相应时间。这就导致了日晷计时的诞生。

早期的日晷计时，只是选择在平地上竖一根竿子，在竿子周围画一些用来表示时间的线条，根据竿影在线条之间的位置，来读取时间。这种形式的日晷，叫做地平式日晷。这根竿子构成了日晷的表，而刻画有时刻标志的地面就构成了日晷的晷面。后来，人们把晷面和表做在一起，就成了便携的专门测量时间的日晷。

地平式日晷的起源时间至迟不晚于战国，这是通过文献分析可以确定的。至于其具体形制，透过考古发掘，亦可窥见一斑。1897年，在内蒙古呼和浩特以南的托克托城出土了一块方形石板，石板的尺寸是27.5×27.4×3.5厘米，石板上面刻画了一个大圆，圆心处开有一圆孔，由圆孔向外刻有辐射线，辐射线分布在圆面2/3的范围，辐射线顶端刻有1至69的数字。其具体形制见图3.3。由出土情况和数字的写法来看，该石板应为秦汉之际的遗物。由其构造及图案刻画来看，它是一具日晷。



图3.3　1897年于内蒙古托克托出土的日晷

托克托日晷的使用方法很简便，只要将石板平放在地面，使其没有刻辐射线的一面正对南方，然后在圆心的孔洞中插入一表，观察其在日光下的表影投向即可。表影投射到哪条线上，由那条线端的数字即可直接读出相应的时刻。

类似托克托日晷的这种地平式日晷在古代并不多见，原因是它存在着较大的计时误差。我们知道，地平式日晷是以太阳在空中的周日视运动为计时依据的，而太阳在空中的周日视运动是同赤道面平行的，这样，只有使日晷晷面同赤道面平行，太阳对晷表的投影在晷面上的移动才是均匀的。而地平式日晷的晷面是同地平面平行的，这就使得晷表表影在晷面上的移动不均匀，日出和日没时表影移动得快，中午则移动得慢，由此就导致了计时误差的出现。要解决这一问题，最简单的办法就是让晷面平行于赤道面，让晷表指向天北极。这样一来，就导致了一种新式日晷——赤道式日晷的出现。

赤道式日晷在中国出现的时间，至迟不晚于宋代。南宋学者曾敏行在其所撰的《独醒杂志》中详细记载了赤道式日晷的结构和使用原理，为赤道式日晷的流行奠定了基础。自此以后，赤道式日晷在中国普及起来，成为日晷计时的主体。

日晷计时简便易行，但容易受到气候条件的影响，而且晚间无法使用，不能连续计时。所以，必须有其他计时仪器的补充。在中国古代，使用最广泛、地位最重要的计时仪器，并非日晷，而是漏刻。

漏刻计时的基本原理，是利用均匀水流导致的水位变化来显示时间。漏刻计时的本质是守时，因为它需要依赖像日晷那样的天文计时为其提供计时起点，以便使它显示的时间与天文计时的结果一致，即漏刻计时是服从于天文计时的。

漏刻在中国起源时间很早。古人曾把漏刻起源时间追溯到黄帝的时代，《隋书·天文志》说：“昔黄帝创观漏水，制器取则，以分昼夜。”南北朝时的《漏刻经》也说：“漏刻之作，盖肇于轩辕之日，宣乎夏商之代。”如果说古人在黄帝时代通过观察漏水，受到启发，把水的流失与时间的流逝联系起来，经过长期积累，逐步发明了漏刻，漏刻在夏商时代得到了比较大的发展，也未必完全是无稽之谈。当然，夏朝的情况究竟如何，无文献依据可考，而商周时期已经有了漏刻，则是可以肯定的。

早期漏刻的形式比较简单，大概就是一只简单的壶，壶中盛水，在底部开一小孔向外泄水。水中放一浮子，浮子上安插一画有时刻标记的木箭，通过观察木箭在壶中的降落情况来判断时间。随着水的流失，箭逐渐沉入壶中，故这种漏刻称为沉箭漏。

图3.4　出土的西汉沉箭漏

沉箭漏在使用过程中，显示时刻的木箭是逐渐没入壶中的，这样使用者要观察时刻，不太方便。由于漏壶在使用中，应该另有一壶来收集其所排出的废水，这样，人们不难想到，只要把木箭移到这个受水壶中，随着漏壶中水的流失，受水壶的水面不断上升，箭露出壶口的部分也逐渐增加，观察起来就直观多了。这种设想的付诸实施，就导致了另一种漏壶——浮箭漏的诞生。

不管是浮箭漏，还是沉箭漏，如果只有一个壶供水，一个壶受水，都属于单级漏壶。显然，单级漏壶的计时精度不会高。因为漏刻是通过水位变化来显示时间的，如果供水壶向箭壶（即受水壶）泄水的速度是均匀的，那么时间显示就是均匀的，但供水壶的泄水速度显然受其内部水位的影响，水位高时流速大，水位低时流速小，这就使得木箭显示的时间也不均匀，导致了比较高的计时误差的出现。

既然随着时间的流逝，供水壶的水位不断下降，影响了计时的精确度，那么能否在供水壶向下泄水的同时，用另一壶向其供水，以补充其减少的水量？根据这样的思考，东汉时期，人们在漏刻的供水壶上方又加了一个供水壶，这就使得漏刻的发展由单级漏进入到了多级漏，一开始是二级漏。东汉著名科学家张衡曾经描写过当时二级漏壶的使用情况：

以铜为器，再叠差置，实以清水，下各开孔。以玉虬吐漏水入两壶，左为夜，右为昼。59

张衡的这段话表明，漏壶是用铜制作的，所谓“再叠差置”，是指两个供水壶要重叠错开放置。玉虬是指用玉做成的虹吸管。由于昼夜长短不一，干脆把箭壶也设计成两个，分别在白天和夜晚使用。

单级漏升级成二级漏以后，计时精度得到了大幅度的提高。华同旭博士做过仿古模拟实验，证实只要调理得法，二级漏的计时精度可保持在日误差不大于40秒的水平。60在东汉时期，这样的计时精度是令人难以想象的。既然由单级漏升级成二级漏效果就这么显著，何不再继续增加漏壶的级数，以获得更高的计时精度呢？正是在这样的思路驱使下，到了晋朝，就出现了有三个供水壶连用的三级漏。而到了唐代，吕才甚至创制了四级漏，使漏壶的级数达到了登峰造极的地步。



图3.5　唐代吕才四级漏

实际上，漏壶的级数没必要一加再加。对于多级漏壶，关键在于调理，要合理确定各级漏壶的初始水位和加水时间间隔。这个技术非常复杂，以至于当漏壶级数达到三级以后，再增加其级数所导致的技术上的麻烦程度的增加，超越了其有可能带来的正面效益。由此，当漏壶级数达到四级以后，古人没有沿着继续增加其级数以提高计时精度的思路走下去，而是另辟蹊径，找到了一种更为简捷的保持直接供水壶水位稳定的方法，其具体成果就是北宋燕肃的莲花漏。



图3.6　北宋燕肃莲花漏莲花漏的计时原理与莲花毫无关系，它之所以得名，是由于其箭壶的壶盖上有莲花形装饰物的缘故。图3.6是燕肃莲花漏工作原理示意图，由该图可以看出，莲花漏是二级漏壶，最上一级叫上柜，它通过渴乌也就是虹吸管向下柜供水，下柜再通过一个虹吸管向箭壶注水。莲花漏的最大创新之处在于其向箭壶直接供水的壶（即图3.6中的下柜）上侧增加了一个溢流口。据古书记载，在下柜之侧设有“铜节水小筒、竹注筒、减水盎”61，在工作时，上柜向下柜的供水量稍大于下柜向箭壶的供水量，这样到一定时间，下柜有些水就多余了出来，多出来的水由其上侧的溢流口经“铜节水小筒”“竹注筒”流入“减水盎”中（图3.6少画了“铜节水小筒”）。这样就构成了一套漫流系统。漫流系统的存在，使得下柜在向箭壶供水时，可以保持水位稳定，从而也就保证了计时精度。燕肃发明的漫流系统直观、简便、有效，因而在后世的漏刻技术上得到了广泛的应用，成为漏刻发展史上的标志性技术。

在中国漏刻发展史上，除了上面提到的一些漏刻之外，还有一些漏刻也十分有名，例如5世纪北魏道士李兰发明了秤漏，把对漏刻流水重量的称量转化为对时间的显示。11世纪北宋科学家沈括不但创制了熙宁晷漏，设计较之燕肃的莲花漏更为完善精致，计时精度也更高，而且他还专门撰写了《浮漏议》一文，详细记载了熙宁晷漏的设计原理和制作技术。该文被收入《宋史·天文志》中，成为中国漏刻发展史上的一篇重要文献。另一位北宋学者苏颂则主持建造了一座大型天文观测和计时的仪器，叫做水运仪象台，并为之撰写了一部著作，叫做《新仪象法要》。水运仪象台把用浑仪观测的天文计时和用漏刻测报的物理计时相结合，还增加了浑象作为演示装置，增加了用摇玲报告时辰的时初、用敲钟报告时辰的时正、用击鼓报告具体时刻的音响报时装置，增加了用木偶怀报时牌轮流出现的视觉报时装置。水运仪象台的设计之独到、规模之宏大、结构之复杂、功能之多样，堪称当时世界之最。

漏刻计时是古代计时的主体。古人对漏刻计时极为重视，不但在其构造上下大功夫，不断革新，而且在管理上也精益求精。漏刻计时是系统工程，要提高漏刻计时精度，科学管理至为重要。古人在使用漏刻计时的过程中，对各种技术细节考虑得非常周到，例如漏刻用水，规定要专井专用，以保持水质稳定。还要将漏刻置于密室，以保持其工作环境尽可能恒温恒湿，减少温、湿度等环境因素的变化对水流量的影响。在制作漏壶时，对材料的选择、结构的推敲均十分慎重，对管理漏刻的人员也有严格要求。正是在古人的精心设计、科学管理和严格要求之下，漏刻在中国古代获得了高度发展，其计时精度达到了令人惊叹的地步。北宋时漏刻计时日误差可以小于20秒，沈括甚至以其熙宁晷漏为计时依据，发现了太阳的周日视运动也就是地球自转的不均匀性。在11世纪，能取得这样的成就是匪夷所思的。中国古代计时精度在很长一段历史时期内，一直走在世界前列。一直到18世纪，西方学者根据伽利略发现的摆的等时性原理，把直进式擒纵机构应用到机械摆钟上，使机械钟的计时精度大为提高，达到了日误差几秒的量级，这才赶上和超越了中国传统的漏刻.