本文載于《科技日?qǐng)?bào)》2019年9月27日第8版，有修改

時(shí)間是人類(lèi)生活的重要參考依據(jù)?，F(xiàn)代人往往通過(guò)鐘表來(lái)計(jì)時(shí)并安排工作和生活，但我國(guó)在清代以前是沒(méi)有鐘表的，要想計(jì)時(shí)的話很不容易。當(dāng)然，這并不代表古代沒(méi)有計(jì)時(shí)工具。古代人們?cè)陂L(zhǎng)期的生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)一些自然現(xiàn)象的不斷觀察，逐漸掌握了日升日落、星辰出沒(méi)、月亮圓缺等周期性的變化規(guī)律，并以此為契機(jī)便發(fā)明了各式各樣的計(jì)時(shí)工具?！叭贞小本褪瞧渲兄?。所謂日晷，就是人類(lèi)根據(jù)日影位置的變化來(lái)測(cè)量時(shí)間的一種工具。作為明清皇宮的紫禁城，太和殿、乾清宮、坤寧宮、養(yǎng)心殿、慈寧宮等建筑前都有日晷。如圖1所示為太和殿前日晷，其采用漢白玉制，造型雄偉，氣魄宏大，為我國(guó)典型的赤道式日晷。這種日晷的主要特點(diǎn)為：日晷的晷面（即圖1所示的圓盤(pán)面）與赤道面平行，晷面的上下兩面均刻有子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥12個(gè)刻度均勻的時(shí)辰，在晷面中心有一根垂直于晷面的指針。太陽(yáng)照射指針后，指針的影子落在哪個(gè)時(shí)辰的刻度上，即說(shuō)明此時(shí)是什么時(shí)辰。

圖1  太和殿前日晷

圖2所示為太和殿日晷放置示意圖。該日晷由底座、晷面、指針組成。底座與地面平行，晷面與赤道平行，指針與地軸（指向南北極）平行。指針與地平面的夾角必需與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥认嗤?。北京的緯度為北?9.9度，所以太和殿日晷的指針與地面的夾角也為39.9度。指針一般為銅質(zhì)，垂直穿過(guò)晷面，其最重要的作用是確定南北方向。由于晷面平行于赤道面，這樣，指針的上端正好指向北天極，下端正好指向南天極。所以，太和殿日晷的指針是南北向設(shè)置，指針朝向北極固定。指針的第二個(gè)作用才是用來(lái)確定時(shí)間。其時(shí)間的確定，主要通過(guò)太陽(yáng)照射指針在晷面的投影來(lái)實(shí)現(xiàn)。晷面呈圓盤(pán)形，石質(zhì)，正反兩面都刻有12個(gè)時(shí)辰。當(dāng)太陽(yáng)光照在日晷上時(shí)，指針的影子投向晷面。太陽(yáng)由東向西移動(dòng)，指針影子也慢慢地由西向東移動(dòng)。晷面的刻度是均勻的，移動(dòng)著的指針影子猶如是現(xiàn)代鐘表的指針。隨著太陽(yáng)位置的變化，晷針影子在盤(pán)上移動(dòng)一寸所花的時(shí)間稱(chēng)為“一寸光陰”，而“一寸光陰一寸金”的成語(yǔ)就是由此而來(lái)。春分（每年公歷大約為3月20日左右）到秋分時(shí)間（每年公歷9月23日-24日之間），太陽(yáng)在赤道北側(cè)運(yùn)行，指針的影子投在盤(pán)面的上方（北方），此時(shí)的時(shí)刻看盤(pán)面上方的讀數(shù)。秋分到春分期間，太陽(yáng)在赤道南側(cè)運(yùn)行，指針的影子投在盤(pán)面的下方（南方），此時(shí)的時(shí)刻看盤(pán)面下方的讀數(shù)。日晷讀數(shù)和日期無(wú)關(guān)，因?yàn)樽x取的是影子的方向，不是影子的長(zhǎng)度。可以說(shuō)，整個(gè)日晷就是一個(gè)縮小版的地球，不管太陽(yáng)高度如何變化，晷針在晷面上的影子變化都是均勻的。而春分和秋分日前后幾天，太陽(yáng)光與晷面平行，難以從晷面上讀數(shù)，這幾天赤道式日晷是沒(méi)法用的。

圖2  太和殿日晷放置示意圖

日晷利用太陽(yáng)射影的方向來(lái)測(cè)量時(shí)間，但是，在陰雨天和夜間就會(huì)失去效用，且在春分、秋分時(shí)期無(wú)法使用。所以，我國(guó)古代工匠又發(fā)明了漏刻。作為計(jì)時(shí)器，漏刻的使用比日晷更為普遍，時(shí)間也更為久遠(yuǎn)。紫禁城交泰殿內(nèi)，就有一座銅壺漏刻。漏，是指盛水漏壺，用于泄水或盛水；刻，是指劃分一天的時(shí)間單位，它通過(guò)漏壺的浮箭來(lái)計(jì)量一晝夜的時(shí)刻。交泰殿內(nèi)銅壺漏刻初造于清乾隆十年(1745)，由清宮造辦處制作。乾隆六十二年（1797）十月二十一日，乾清宮大火，不僅乾清宮被毀，還殃及交泰殿及其中的銅壺漏刻?，F(xiàn)存于交泰殿內(nèi)這座高5. 76米的紅漆畫(huà)彩漆亭的銅壺漏刻，為清嘉慶三年（1798）仿原件制成并安裝于此的，見(jiàn)圖3。漏刻使用時(shí)，把水注入漏壺內(nèi)，水便從壺孔中流出，流到水壺下放置的容器中，容器內(nèi)有一根刻有時(shí)刻的標(biāo)竿，稱(chēng)為箭。箭下以一只船相托，浮于水面。當(dāng)水流出或流入壺中時(shí)，箭桿相應(yīng)下沉或上升，古人從蓋孔處看箭桿上的標(biāo)記，就能知道具體的時(shí)刻。

圖3  交泰殿的銅壺漏刻

需要說(shuō)明的是，交泰殿的銅壺漏刻是我國(guó)歷代漏刻中較為先進(jìn)的。我國(guó)西周時(shí)期就出現(xiàn)了漏刻。早期漏刻大多使用單只漏壺，滴水速度受到壺中液位高度的影響，液位高，滴水速度較快，液位低，滴水速度較慢。為解決這一問(wèn)題，古人進(jìn)一步創(chuàng)制出多級(jí)漏刻裝置。所謂多級(jí)漏刻，即使用多只漏壺，上下依次串聯(lián)成為一組，每只漏壺都依次向其下一只漏壺中滴水。這樣一來(lái)，對(duì)最下端的受水壺來(lái)說(shuō)，其上方的一只泄水壺因?yàn)橛型瑯铀俾实膩?lái)水補(bǔ)充，壺內(nèi)液位基本保持恒定，其自身的滴水速度也就能保持均勻。如唐初太常博士呂才制作了一種四級(jí)補(bǔ)償型浮箭漏刻，稱(chēng)為“呂才漏刻”，其構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖4。該漏刻有四個(gè)壺，從上至下分為取名為夜天池、日天池、平壺、萬(wàn)分壺。水流從上述四個(gè)壺依次往下流，最后由萬(wàn)分壺流入一個(gè)裝有抱浮箭銅人的木桶中，該木桶稱(chēng)為水海。水海的水位漲落時(shí)，浮箭上下移動(dòng)，其刻度數(shù)即用于觀察時(shí)辰。

圖4  呂才漏刻示意圖

交泰殿銅壺漏刻實(shí)際是仿造唐呂才漏刻制作，其基本組成包括1個(gè)銅人、5個(gè)銅壺。這5個(gè)銅壺由上至下分別取名為日天壺、夜天壺、平水壺、分水壺、受水壺，前4個(gè)銅壺為方斗形，第5個(gè)銅壺為圓柱形。各個(gè)壺的具體尺寸為：日天壺，上寬0.61米，下寬0.42米，高0.54米；夜天壺、平水壺、分水壺的各個(gè)方向尺寸依次均減小0.03米；受水壺直徑為0.42米，高1米。受水壺內(nèi)有一個(gè)銅人，面南，抱著一個(gè)能上下升降的“漏箭”。該箭又名量天尺，長(zhǎng)1米，上面刻著白天和晚上的時(shí)刻，上面的刻度為中午十二點(diǎn)，下面的刻度為十一點(diǎn)。在漏箭底部，還有一個(gè)空鼓形的水漂（箭船），造型猶如銅鼓。當(dāng)萬(wàn)水壺中的水位上漲時(shí)，船上浮，箭頭往上緩緩上升；當(dāng)水充滿時(shí)，整個(gè)箭頭都露出來(lái)了，這時(shí)要把壺中的水泄掉，箭頭則緩緩下降。箭頭上的時(shí)刻與赤道相符，每24個(gè)小時(shí)為一個(gè)循環(huán)，再在壺中注水，如此反復(fù)。每個(gè)壺都有蓋子，且上層壺中水通過(guò)龍頭形的短管滴入下層壺中。需要說(shuō)明的是，該漏刻計(jì)時(shí)與晴雨天氣無(wú)關(guān)，而銅人的主要目的是用于調(diào)壺。與早期漏刻相比，其科學(xué)性在于，當(dāng)平水壺水面高于規(guī)定值，則可通過(guò)孔道將水泄于分水壺，以保證平水壺水面之平穩(wěn)不變，從而保證儀器計(jì)時(shí)的正確。

紫禁城的銅壺漏刻與日晷一樣，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，成為紫禁城內(nèi)的主要計(jì)時(shí)工具。到了清代后期，自鳴鐘開(kāi)始流行，日晷和漏刻漸漸退出歷史舞臺(tái)，成為皇家禮制文化的組成部分。但是，它們構(gòu)造簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)科學(xué)，實(shí)用性強(qiáng)，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)為古人的生活提供了時(shí)間判斷保障，因而是古代工匠智慧的體現(xiàn)。