测天之术——天文仪器

天文仪器的研制是天文学发展的基础，我国历代天文学家都很重视，在这一方面花了不少工夫。创制出了表和圭、漏和刻、浑仪和简仪、浑象，以及功能非凡的候风地动仪和大型综合仪器水运仪象台，能测日影、计时间、测天体、演天象、测地震。

此外还有综合型的，集测时、守时、报时、演示于一体，显示了我国古代天文仪器的多样性。

我国古代天文仪器种类多、制作精、构思巧、用途广、装饰美、规模大，在世界天文仪器发展史上具有重要地位。

测量日影仪器表和圭

古代天文学家为了测定天体的方位、距离和运动，设计制造了许多天体测量的仪器。通过获得这些仪器测定的数据，来为各种实用的和科学的目的服务。

我国古代天体测量方面的成就是极其辉煌的。在诸多天体测量仪器中，表和圭通过测定正午的日影长度以定节令，定回归年或阳历年。还可以用来在历书中排出未来的阳历年以及24个二节令的日期，作为指导农事活动的重要依据。

表就是直立在地上的一根竿子，是最早用来协助肉眼观天测天的仪器。圭是用来量度太阳照射表时所投影子长短的尺子。两者结合在一起用时，遂称为“圭表”。从史料记载和发展规律来看，表的出现先于圭。

甲骨文中有关“立中”的卜辞，是关于殷人进行的一种祭祀仪式，是在一块方形或圆形平地的中央标志点上立一根附有下垂物的竿子，附下垂物的作用在于保证竿子的直立。

殷时的人们在4月或8月的某些特定日子进行这种“立中”的仪式，其目的在于通过表影的观测求方位、知时节。表明当时的人们已知立表测影的方法了。

事实上，在殷商之前，由于太阳的出没伴随着昼夜的交替，从原始社会起，人们就知道判别方向应同太阳升落有关。

早在新石器时期的墓葬群中，考古学家已发现其墓主人的头部都朝着一定的方向：陕西省西安半坡村朝西，山东省大汶口朝东，河南省青莲岗各期朝东，或东偏北、东偏南。这显然同日月的升落有关。

殷商时用表测日影的旁证还有甲骨文中表示一天之内不同时刻的字。这些字都同“日”字有关，如朝、暮、旦、明、昃、中日、昏等，其中“中日”与“昃”更是明确表示日影的正和斜，是看日影所得出的结论。

这一点同时也说明了表的一个用途，即利用表影方位的变化确定一天内的时间，这便是后代制成日晷的原理。也就是说，日晷还是在表的基础上发展起来的。

关于圭的出现，详细记录有圭表测量的书是战国至西汉时的《周礼》、《周髀算经》、《淮南子》等，因而一般人多认为圭的出现要在春秋战国时期。

东汉文字学家许慎《说文解字》认为，圭是做成上圆下方的美玉，公侯伯子男所执之圭有9寸、7寸、5寸之不同。因而圭的长短就是各人身份的标志，换句话说，圭就是度量身份的尺子。

圭本身是一种表示官阶身份的标志，而“土圭”则是用于量度的圭。《周礼》中的《考工记·玉人》记载了土圭的制造和用途：“土圭尺有五寸，以致日，以土地。”

意思是说，用1.5尺的圭去进行度量，求得时间和季节，也可求地方的南北所在。

按《周髀算经》提供的数据，一般用6尺之表，则夏至时日影最短为1.5尺，正好是圭之长。

“土圭”和“土圭之法”是从“表”发展至“圭表”之间的一个过渡。最初是用一根活动的尺子去量度表影，以后才发展成将圭固定于表底，并延长其长度，使一年中任一天都可以方便地在圭面上读出影长，这才是圭表。

目前所见的圭表实物最早当推1965年在江苏省仪征东汉墓中出土的铜圭表。表身可折叠存放于圭上专门刻制的槽内，圭上的刻度和铜表的高度均为汉制缩小10倍的尺寸。圭表作为随葬品埋入墓内，说明东汉时期圭表已很普及了。

从表发展成圭表是一个进步，是人们对立表测影要求精确化和数量化的体现。在一块方形或圆形平地的中央直立一表，可以根据日出和日入的表影方向定出东西南北，也可以根据一天之内表影方向的变化制订出一日内的时刻。而这些也恰恰是制订历法所必需的。

在《周髀算经》一书中。还叙述了利用一根定表和一根游表测天体之间角距离的方法：

在一平地上先画一圆，立定表于圆心，另立一游表于正南方，当女宿距星南中天时，迅速将正南方之游表向西沿圆周移动，使通过定表和游表可见牛宿距星，这时量度游表在圆周上移动的距离，化成周天度就是牛宿的距度，也就是牛宿距星和女宿距星间的角度。

表，这一最简单最早出现的仪器，后来得到了很大的发展和改进。

为了使表影清晰，将表顶做成尖状的劈形或加一副表，与主表之影重合；为了提高表影测量精度，既加高表身，又发明相应的设备景符；为了测定时间，制成日晷，有赤道式的也有地平式的；为了使表不仅能观测日影，使既能观月，也能观星，又发明窥几等。

总之，表和圭在我国古代天文学的发展中起了相当大的作用，是一类重要的古代天文仪器。即使在现在，它的定方向、定时刻的功能有时还会给人们以帮助。

[旁注]

甲骨文　又称“契文”、“甲骨卜辞”、“龟甲兽骨文”，主要指我国商代晚期王室用于占卜记事而在龟甲或兽骨上镌刻的文字，殷商灭亡周朝兴起之后，甲骨文还延绵使用了一段时期。是我国已知最早的成体系的文字形式，它上承原始刻绘符号，下启青铜铭文，是汉字发展的关键形态。

新石器时期　始于距今8000多年前的人类母系氏族的繁荣时期。以磨制的石斧、石锛、石凿和石铲，琢制的磨盘和打制的石锤、石片、石器为主要工具。在考古学上是石器时代的最后一个阶段，以使用磨制石器为标志的人类物质文化发展阶段。

日晷　观测日影测定视太阳时的天文仪器。由晷针和晷面两部分构成，按晷面放置的方向，可分为赤道、地平、竖立、斜立等形式。利用日晷计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类沿用达几千年之久。

公侯伯子男　是自从西周就开始沿袭的古代爵位，天子以下，公爵最大，侯爵其次，伯爵再次，子爵跟上，男爵最小。所以春秋战国的时候有齐桓公、龙阳侯等称呼。爵位制是构成我国古代社会等级制度的重要内容，而公侯伯子男也是世界上古代爵衔的主要称谓。

距星　二十八宿中每宿的一颗用于测量天体赤经位置的标志星。我国古代二十八宿中，每宿有一颗作为测量赤经相对标志的恒星，称为该宿的距星。其后，距星概念也推广到任何一个多星的星官之中，每个星官标志星。

[阅读链接]

祖冲之是南北朝时期杰出的数学家，科学家。他除了在数学方面颇有建树外，在天文方面也颇多贡献。

比如他区分了回归年和恒星年，首次把岁差引进历法，给出了更精确的五星会合周期等。在这之中，还发明了用圭表测量冬至前后若干天的正午太阳影长以定冬至时刻的方法。这个方法也为后世长期采用。

为了纪念这位伟大的古代科学家，人们将月球背面的一座环形山命名为“祖冲之环形山”，将小行星1888命名为“祖冲之小行星”。