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圭表

圭表是古代汉族科学家发明的度量日影长度的一种天文仪器,由“圭”和“表”两个部件组成。圭表和日晷一样,也是利用日影进行测量的古代天文仪器,早在公元前20世纪,陶寺遗址时期,中国就开始使用了。据说,日晷还是在它的基础上发展起来的。圭表是测定正午的日影长度以定节令,定回归年或阳历年。在很长一段历史时期内,中国所测定的回归年数值的准确度都居世界第一。通过进一步研究计算,古代汉族学者还掌握了二十四节气的圭表日影长度。这样,圭表不仅可以用来制定节令,而且还可以用来在历书中排出未来的阳历年以及二十四个节令的日期,作为指导汉族劳动人民农事活动的重要依据。

圭表直立于平地上测日影的标杆和石柱,叫做表;正南正北方向平放的测定表影长度的刻板,叫做圭。当太阳照着表的时候,圭上出现了表的影子,根据影子的方向和长度,就能读出时间。

据《国语楚语》,撷项“命南正重司天以属神,命火正黎司地以属民。”重和黎是传说时代的天文官,南正,是指太阳到了南方中天,现在认为,南正即指冬至。古人在长期的生产和生活中,由于定方向和定季节的需要,经常观测到树木、房屋在太阳光照耀下投下的影子,渐渐地人们发现影子的变化是有规律的。人们就是在这种规律中产生了方向和时间的概念,“南正”即是这些规律发展的结果,这是一年当中正午日影最长的一天。经过长期观测树木等的影子之后,人们便会想到在平地上直立一根竿子或石柱。这根竿子或石柱便成了早期的“表”。 [1]

“圭”是什么?可以说人们还未解释清楚。多数人都理解成是一件测量日影长的仪器。最初立杆测影肯定是在平整的土地上进行,在影端画一记号,如“X”形,再量影长,所以叫土圭。土圭源于周代,但直到汉代,它只被解释为在地面作记号,如上文,汉代“铜表,高八尺,长一丈三尺,广尺二寸”,从这里的长和广,可以看出土圭的存在和使用,但是,它是什么材料制成尚不清楚。即然铜表可以被造,也可以造一石圭,两者成为相称的配套天文仪器。就其宽度(相当于现代七八寸)来说,用石或金属造的更合理一些。当然用土造一较坚硬的台子也不是不可能。之后也有铜圭、玉圭。 [1]

远古时的人们,日出而作,日没而息,从太阳每天有规律地东升西落,直观地感觉到了太阳与时间的关系,开始以太阳在天空中的位置来确定时间。但这很难精确。据记载,三千年前,西周丞相周公旦在河南登封县设置过一种以测定日影长度来确定时间的仪器,称为圭表。这当为世界上最早的计时器。

最早出现的圭表当然都是表杆与土圭彼此分离的简易形制。目前所见这种圭表的最早实物出土于山西襄汾陶寺夏代或先夏时代的遗存,一支残长214厘米,木质髯红色漆;另一支残长171. 8厘米,木质髹青、红、黑三色漆与之配合使用的土圭有阴阳两件,知原始的计暑方法当以阴阳二圭接续相重,从而体现揆度日影以效阴阳的传统观念。而古汉字“圭”字本做二圭相重的构型,其实正是对先民立表计晷方法的客观写实。这种简易的圭表至西周晚期已发展出表座,经过进一步的改进到东周时期,形制已经相当完善。

至迟到到西汉时候,一种建置于露天的常设圭表开始出现。这类仪具以青铜制成,表高八尺,圭长一丈三尺。因其不能随意拆装,故而圭尺的长度可以延长到适合于在天地之中观测到冬至正午的影长。显然,在这样的圭表上可以方便读出一年中任何一天正午的影长数值。这种将圭与表结合为一体的一起变形成了人民习称的圭表。江苏仪征东汉墓曾经出土有这类圭表的模型,但其尺寸只有当时尺寸的十分之一。 [2]

1279年前后,元代杰出天文学家郭守敬在河南登封的告成镇设计并建造了一座测景台,即河南登封观星台,它是中国现存最早的古代天文台。整个观星台相当于一个测量日影的圭表。高耸的城楼式建筑相当于一根竖在地面的杆子,称为“表”,台下有一个类似长堤的构造,相当于测量长度的尺子,称为“圭”,也叫做量天尺。城楼式建筑上有一个高9.46米的平台,上有两间小屋,一间放漏壶,一间放浑仪,两间屋子之间还有一根横梁。地上的量天尺长31.19米,位于正北方向。每天正午,太阳光照在横梁上的影子投射在量天尺上。通过测量一年当中影子长度的变化,可以确定1年的长度。圭表测时的精度是与表的长度成正比的,这个硕大的“圭表”使测量精度大大提高。

1977年,考古学家在安徽阜阳西汉汝阴侯夏侯灶墓(下葬年代为文帝十五年,公元前165年)中发掘出大量珍贵文物,其中一件漆器因功能不详而被称为“不知名漆器”。经过多年的研究,石云里发现这件物品是古代用于测量正午日影长度的天文仪器“圭表”,是世界上现存的年代最早、且具有确定年代的圭表,比仪征出土的圭表还要早。与其他圭表不同,这件圭表适用的地理纬度是固定的,而我们的计算则表明,汝阴侯墓圭表的适用纬度恰恰就在汉代长安到汝阴侯国(今安徽阜阳)一带。”石云里说,这架圭表的精妙之处还在于,四个节气日影所在的位置不是用刻度表示,而是暗含在木块和漆器上的一些特殊图案和位置中。 [3]

1965年在江苏仪征石碑村1号东汉墓出土了一件袖珍铜圭表。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,使之合为一体。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。是设计家和铸造师密切配合的杰作。根据传统的说法,表高为8尺;这一数值曾被长期沿用。该表的表高恰为8尺的1/10,说明它是一件便携式的测影仪器 ,可证明当时常设的天文台用8尺的表进行观测的说法是可信的。

以圭表测时,一直延至明清,南京紫金山天文台的一具圭表,是明代正统年间(1437-1442年)所造的。

圭表是中国古代观测天象的仪器。在不同季节 ,太阳的出没方位和正午高度不同,并有周期变化的规律。于露天将圭平置于表北面,根据圭上表影,测量、比较和标定日影的周日、周年变化,可以定方向、测时间、求出周年常数、划分季节和制定历法。所以圭表测影是中国古代天文学的主要观测手段之一。

大约在新石器时代,古人便掌握了利用表来确定方位的方法。辨方正位的简易方法见于战国时代的《考工记》和《周髀算经》,其具体做法是:先将地面修治水平,尔后将表竖直填埋,并自表顶引悬八绳,分置表的四方与四维,用它来校正表的垂直,当八绳全部依附于表体可知这时表已经处于垂直的状态,于是可以开始测影。测影时需以表为圆心画一个圆周,然后观测同一天日出日落影子与圆周的交点,这样连接两个交点的直线就是正东西的方向。当然为了方向尽量标准,还要参考白天正午时刻的表影方向和夜间北极星的方向。 [2]

表最重要的当然是测定节气。由于地球的公转,太阳在一年中的视高度变化显著,夏至日行极北,日中时刻表影最短,冬至日行极南,日中时刻表影最长;春分和秋分太阳出没于正东西,日中时刻表影适中。这四个时点不仅在观测上具有特别重要的意义,同时更是建构回归年的四个时间标记点。由于一年中只有夏至日正午的表影最短,验测相对方便,因此在早期先民的测影活动中,挨度夏至日正午影长的工作格外重要。然而随着历法岁首的后移,以冬至作为一个天文年度起算点的传统逐渐形成,这使利用圭表测定太阳到达冬至点的时刻成为求测回归年长度的关健工作。然而冬至点并非总发生在日中,它可能出现在一天之中的任何时刻,因此,为求得准确的冬至时刻,古人就必须对冬至日影进行连续不断的长期测算。 [2]

古人之所以学会立表测影,很大程度是由于对于人自己在太阳下影子的观察。原始的表为模仿人体测影而出现,所以支撑人体直立而完成测影的股骨便自然地移用作为表的名称。《周髀算经》说:“周髀长八尺,髀者,股也。髀者,表也。传统表的高度被规定为八尺,刚好相当于人的身长,这同样显示了人体测影的遗俗。而古人立表必先校正表的垂直,这使得他们认识到了直角三角形三边的关系,并且以直立的表取于人的髀股而名”股“,晷影之长为”勾“,完成了对勾股定理的证明。体现了天文学对算学的促进。

古人认为”至信为时“,所以用来测度时间的圭表也被赋予了诚信的意义。东周时期,为臣为妻各自奉行着所谓的“男子之蘖”和“女子之蘖”,这种人们必须尊重的圭臬法则,其核心价值就是忠信。古代盟誓将盟辞书于石圭也是借圭所具有的信实内涵体现盟誓见信的宗旨。很明显,这种人文观念与圭表致日充分反映了圭表对于中国传统文化的深刻影响。”“

表还有一个更富有政治和哲学意义的名称”中“。中为立表测影与建旗取中的会意字。这些活动则可引申出”中“所具有的中正和中央的双重内涵。中正的基本内涵,对中国哲学产生了深远的影响。阴阳哲学由此发展出中和的观念,儒家哲学据此完善了中庸的思想,而道家则以此作为中道无为的表述形式。中央的内涵,则发展出古代政治居中而治的政治传统,这要求统治者找到天地的中央,也就是九州的中心建立国都。 [2]


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