正方位、定節(jié)氣的圭表

遠(yuǎn)古時，人們就意識到太陽運(yùn)行與時間的關(guān)系，并嘗試找出其中的聯(lián)系。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)地上的影子會隨著太陽在天空的運(yùn)行軌跡而出現(xiàn)長短變化時，一個大膽的設(shè)想由此產(chǎn)生：能不能通過測量影子的長度來確定時間呢？

起初，人們把一根竿子直立在平地上，用尺子去測量它的影子長度。后來人們發(fā)現(xiàn)，每到正午時竿影總會投射在正北方。于是，他們就想了個“偷懶”的法子：在長方形石板上刻或畫上刻度，南北向平鋪在地面，將竿子垂直立在石板南端 ，這樣一來，竿影就直接投射在石板上。由于石板上有刻度，人們可以很直觀地知道竿影長度。人們將這根竿子叫作“表”，將刻有刻度的石板叫作“圭”。圭和表組成了圭表。

圭表不僅是世界上最早的計(jì)時器，也是我國古代一種重要的天文儀器。現(xiàn)代考古表明，最晚在春秋時期，人們就懂得了使用圭表來確定二至日的方法，即將正午表影最長的那一天定為“冬至”，正午表影最短的那一天定為“夏至”。古人通過圭表測量正午時日影的長度，先確定冬至和夏至，繼而確定回歸年即人們常說的“一年”長度和歷法起算點(diǎn)。

圭表的用途

以表為圓心畫一個圓周，觀測同一天日出、日落時的表影與圓周的交點(diǎn)。連接兩個交點(diǎn)的直線，就代表正東、正西的方向。正午時的表影方向和夜間北極星的方向，可作為驗(yàn)證依據(jù)。

測定節(jié)氣（主要用途）

冬至：表影最長 春分：表影適中

夏至：表影最短 秋分：表影適中

西漢時，朝廷在長安城的靈臺上設(shè)置了一座銅圭表，表高八尺，圭長一丈三尺。之后很長一段時間，“表高八尺，圭長一丈三尺”便成為圭表的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。不過，這種圭表在實(shí)際使用中卻存在不足：首先，表影邊緣不清晰，導(dǎo)致測得的影長存在誤差;其次，圭的刻度單位僅能到厘，即十分之一分，不夠精準(zhǔn)。以冬至為例，假設(shè)日影長度的誤差為一分，據(jù)此推算出來的冬至?xí)r刻就會存在半個或一個時辰的誤差。對于天文歷法來說，這是很大的誤差了。

元代科學(xué)家郭守敬改進(jìn)圭表，將表的高度增加到四十尺，即標(biāo)準(zhǔn)表高的五倍，因此也被稱為“高表”。因?yàn)楸砀咴黾樱碛伴L度也隨之增加，邊緣模糊所造成的誤差也就相對變小了。此外，郭守敬還利用小孔成像的原理，制作了景符。當(dāng)太陽、高表頂端的橫梁、景符正中的小孔處于同一直線時，圭面上就會出現(xiàn)橫梁的清晰實(shí)像。如此雙管齊下，終于使圭表測影的精確度有了很大提高。

至元十三年（1276年），郭守敬在河南登封設(shè)計(jì)并建造了一座觀星臺。這是我國現(xiàn)存最早的古代天文臺。這座觀星臺本身就是一只巨大的圭表——以高聳的城樓為表，以臺下類似長堤的構(gòu)造為圭。由于太壯觀了，這只圭也被稱為“量天尺”。

以登封觀星臺為代表的高表有效提高了圭表的測量精度，為郭守敬主持編纂《授時歷》立下汗馬功勞。《授時歷》推算出一個回歸年為 365.2425天，與地球繞太陽公轉(zhuǎn)的實(shí)際時間只差 26秒鐘，與現(xiàn)代通用的《格里高利歷》（即陽歷）的周期一樣。但《格里高利歷》是在 1582年（明萬歷十年）才開始使用的，比《授時歷》晚了足足300多年。《授時歷》作為當(dāng)時世界上最先進(jìn)的歷法，通行長達(dá)360多年。

郭守敬和四海測驗(yàn)

郭守敬世稱“郭太史”，是元代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家和水利工程專家。

至元十六年（1279年），郭守敬向元世祖忽必烈提議 ：進(jìn)行全國范圍的天文觀測，以編制適用于全國的新歷法。忽必烈欣然接受了他的建議，派出了14名監(jiān)候官分道而行，分別在27個地方進(jìn)行天文觀測。這 就是著名的“四海測驗(yàn)”。郭守敬親自帶著一支隊(duì)伍，由北至南跋涉數(shù)千里，沿途進(jìn)行觀測。這些觀測結(jié)果為他編制《授時歷》提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。

為了紀(jì)念郭守敬對天文學(xué)的杰出貢獻(xiàn)，國際天文學(xué)會將月球上的一座環(huán)形山命名為“郭守敬環(huán)形山”;國際小行星中心將小行星2012命名為“郭守敬小行星”。

“不知名漆器”復(fù)原圖

西漢“不知名漆器”之謎

安徽阜陽羅莊發(fā)現(xiàn)的西漢汝陰侯夏侯灶（？—公元前165年）墓中，出土了一件結(jié)構(gòu)奇特的漆器。因?yàn)椴恢浪木唧w功能，考古學(xué)家將其稱為“不知名漆器”。這件“不知名漆器”是一件制作精美的木質(zhì)彩繪漆器，出土?xí)r木質(zhì)部分已嚴(yán)重腐爛，只有漆皮、漆胎保存得較為完整。根據(jù)這些殘留部件，考古學(xué)家測繪出了其具體結(jié)構(gòu)和尺寸。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)：“不知名漆器”有點(diǎn)兒像圭表。

為了解開“不知名漆器”之謎，研究者將目光投向了位于江蘇儀征石碑村的東漢 1號墓。這座墓大約修建于東漢中期，墓中出土了一把帶刻度的“尺”。后經(jīng)專家考證確定，這其實(shí)是一只折疊式圭表。“不知名漆器”與折疊式圭表在結(jié)構(gòu)上存在相似之處：首先，主體長度都相當(dāng)于漢代通行的八尺表的1/10;其次，前者兩個側(cè)立耳的中腰上都有小孔，后者的表上也有一個小孔。不過，“不知名漆器”上并沒有刻度。

大家知道，圭表是用來測量正午日影長度的天文儀器，圭面上一定要有刻度。莫非這件“不知名漆器”并不是圭表？研究者通過縝密的計(jì)算和分析，終于解開了“不知名漆器”之謎。原來，在這只圭表上，冬至、夏至、春分、秋分的日影所在位置并不是用刻度表示的，而是暗含在特殊圖案和位置中。只有懂得其中的奧秘，才能正確使用這只特殊的圭表。因此，“不知名漆器”不僅是世界上現(xiàn)存年代最早的圭表，還是一只“高級訂制”的圭表。研究者發(fā)現(xiàn)，它所適用的地理緯度是固定的，就在漢代長安到汝陰侯國 （今安徽阜陽）一帶。

日晷：圭表的“升級版”

圭表雖然能計(jì)時，卻只能確定正午的準(zhǔn)確時刻。為了更精確地掌握一天中的時間，我國古人對圭表進(jìn)行了改進(jìn)，創(chuàng)制出計(jì)時功能更為強(qiáng)大的日晷。

日晷由晷針和晷面兩部分構(gòu)成。晷面通常呈圓形，圓心處垂直豎立一根晷針，晷面上有時間刻度。隨著太陽運(yùn)動，晷針的影子會在晷面上移動，影子所對應(yīng)的刻度就是當(dāng)前的時刻。

根據(jù)晷面的擺放角度，日晷可分為赤道式和地平式。赤道式日晷的晷面與赤道面平行，影子在晷面上的移動速度是恒定的，晷盤上的刻度是等分的。地平式日晷與當(dāng)?shù)氐仄矫嫫叫校白釉陉忻嫔系囊苿铀俣仁怯锌炻兓摹粘鋈章鋾r移動得最快，正午時移動得最慢。為了精準(zhǔn)表示時刻，晷面刻度也不是均勻分布，而是有疏有密。

日晷究竟是何時由何人發(fā)明的，現(xiàn)在已經(jīng)很難考證了。從目前已發(fā)現(xiàn)的日晷來看，最早的制作于西漢時期，使用最廣泛的則是赤道式日晷。有趣的是，雖然早在西漢人們就已經(jīng)懂得制作并使用日晷了，但直到清代日晷才真正得以流行。或許，這是因?yàn)槲覈糯赞r(nóng)業(yè)為本，所以人們更關(guān)心與耕作緊密相關(guān)的時令節(jié)氣吧。