在中國古代諸多創(chuàng )造發(fā)明中，計時(shí)技術(shù)方面的發(fā)明毫無(wú)疑問(wèn)可以躋身于古代科技發(fā)明榜的前列。這既是由于時(shí)間計量是科學(xué)進(jìn)步的前提、是社會(huì )有序運轉的技術(shù)保障，也由于中國古代計時(shí)精度達到了令人驚嘆的地步。中國古代在時(shí)間計量方面所取得的成就已經(jīng)為世人所公認，而這些成就的取得是以高超的計時(shí)技術(shù)為保障的。
要進(jìn)行時(shí)間計量，首先要建立適用的時(shí)間單位。
古人計時(shí)，以日為基本單位，再對日進(jìn)行細分，建立小于日的人為時(shí)間單位。對此，中國古代普遍采用的是分1日為12時(shí)的計時(shí)制度，此即所謂的十二時(shí)辰制度。
十二時(shí)辰計時(shí)制度是把一個(gè)晝夜均分成12個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段分別用子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥這十二地支中的一個(gè)來(lái)表示。后來(lái)，古人覺(jué)得一個(gè)晝夜分成12時(shí)，每個(gè)時(shí)段過(guò)長(cháng)，于生活多有不便，于是又把每個(gè)時(shí)辰分成時(shí)初和時(shí)正兩個(gè)小時(shí)辰，這就形成了24小時(shí)制。這種24時(shí)制一直沿用至今，小時(shí)這個(gè)名稱(chēng)在現在的社會(huì )生活中依然被使用著(zhù)。
表3.1 古今時(shí)間對應關(guān)系
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但是，即使有了小時(shí)制，如果僅以小時(shí)作為最小的時(shí)間單位，這樣的社會(huì )，其社會(huì )管理、社會(huì )生活必然相當粗放。隨著(zhù)文明的發(fā)展，人們會(huì )要求時(shí)間單位越來(lái)越細化。
古人建立了百刻制，來(lái)滿(mǎn)足社會(huì )對更小的時(shí)間單位的需求。百刻制是把一個(gè)晝夜分成100刻，以刻作為最小計時(shí)單位。百刻制和十二時(shí)制都是以一個(gè)晝夜為劃分對象，因此，它們是兩套并存的時(shí)間單位。既然百刻制和十二時(shí)制是并存關(guān)系，彼此不能取代，就有一個(gè)相互配合的問(wèn)題。但100不是12的整數倍，無(wú)法把100刻均勻地分配到十二時(shí)辰或二十四小時(shí)制中。如何協(xié)調二者關(guān)系，是讓古人很頭疼的一個(gè)問(wèn)題。
有兩種解決辦法。一是改革百刻制，將其改成120刻制或96刻制。古人確曾作過(guò)這樣的嘗試，但由于各種因素的影響，這些嘗試均不曾堅持下去。一直到明末清初，傳教士進(jìn)入中國，帶來(lái)了歐洲的天文學(xué)知識和時(shí)間制度，人們才又提出實(shí)行96刻制的建議。到了清代，96刻制成為正式的時(shí)間制度。1個(gè)時(shí)辰等于8刻，1小時(shí)等于4刻，每刻等于15分鐘?？套鳛闀r(shí)間概念，直到現在還遺留在人們的日常語(yǔ)言當中。
另一種方法是把刻再細分，設法使它與十二時(shí)制配合起來(lái)。古人常用的一種方法是把1刻分成6小刻，這樣每個(gè)時(shí)辰就包含8刻2小刻，每個(gè)小時(shí)包含4刻1小刻。按照這種分法，刻和小刻與現在時(shí)間單位的換算關(guān)系是：1刻=14.4分鐘，1小刻=2.4分鐘。用這樣的方式，百刻制與十二時(shí)制終于配合起來(lái)了。
時(shí)間單位確立以后，下一步，就是如何找到合適的計時(shí)儀器，把時(shí)間的流逝反映出來(lái)。對此，古人一開(kāi)始是用日晷來(lái)完成計時(shí)任務(wù)的。
既然不管是十二時(shí)制還是百刻制，都是對日這個(gè)基本時(shí)間單位的細分，而日是以太陽(yáng)繞地一周的視運動(dòng)為基礎建立起來(lái)的，這不難啟發(fā)人們想到，要計量時(shí)間，只要觀(guān)察太陽(yáng)在空中的方位即可。但太陽(yáng)在空中，日光耀目，很難對之直接觀(guān)測，為此，古人選擇了在平地上立一根竿子，觀(guān)察其在日光下的影子方位的變化，由此逆推太陽(yáng)在空中的方位，從而測知相應時(shí)間。這就導致了日晷計時(shí)的誕生。
早期的日晷計時(shí)，只是選擇在平地上豎一根竿子，在竿子周?chē)?huà)一些用來(lái)表示時(shí)間的線(xiàn)條，根據竿影在線(xiàn)條之間的位置，來(lái)讀取時(shí)間。這種形式的日晷，叫做地平式日晷。這根竿子構成了日晷的表，而刻畫(huà)有時(shí)刻標志的地面就構成了日晷的晷面。后來(lái)，人們把晷面和表做在一起，就成了便攜的專(zhuān)門(mén)測量時(shí)間的日晷。
地平式日晷的起源時(shí)間至遲不晚于戰國，這是通過(guò)文獻分析可以確定的。至于其具體形制，透過(guò)考古發(fā)掘，亦可窺見(jiàn)一斑。1897年，在內蒙古呼和浩特以南的托克托城出土了一塊方形石板，石板的尺寸是27.5×27.4×3.5厘米，石板上面刻畫(huà)了一個(gè)大圓，圓心處開(kāi)有一圓孔，由圓孔向外刻有輻射線(xiàn)，輻射線(xiàn)分布在圓面2/3的范圍，輻射線(xiàn)頂端刻有1至69的數字。其具體形制見(jiàn)圖3.3。由出土情況和數字的寫(xiě)法來(lái)看，該石板應為秦漢之際的遺物。由其構造及圖案刻畫(huà)來(lái)看，它是一具日晷。
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圖3.3 1897年于內蒙古托克托出土的日晷
托克托日晷的使用方法很簡(jiǎn)便，只要將石板平放在地面，使其沒(méi)有刻輻射線(xiàn)的一面正對南方，然后在圓心的孔洞中插入一表，觀(guān)察其在日光下的表影投向即可。表影投射到哪條線(xiàn)上，由那條線(xiàn)端的數字即可直接讀出相應的時(shí)刻。
類(lèi)似托克托日晷的這種地平式日晷在古代并不多見(jiàn)，原因是它存在著(zhù)較大的計時(shí)誤差。我們知道，地平式日晷是以太陽(yáng)在空中的周日視運動(dòng)為計時(shí)依據的，而太陽(yáng)在空中的周日視運動(dòng)是同赤道面平行的，這樣，只有使日晷晷面同赤道面平行，太陽(yáng)對晷表的投影在晷面上的移動(dòng)才是均勻的。而地平式日晷的晷面是同地平面平行的，這就使得晷表表影在晷面上的移動(dòng)不均勻，日出和日沒(méi)時(shí)表影移動(dòng)得快，中午則移動(dòng)得慢，由此就導致了計時(shí)誤差的出現。要解決這一問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的辦法就是讓晷面平行于赤道面，讓晷表指向天北極。這樣一來(lái)，就導致了一種新式日晷——赤道式日晷的出現。
赤道式日晷在中國出現的時(shí)間，至遲不晚于宋代。南宋學(xué)者曾敏行在其所撰的《獨醒雜志》中詳細記載了赤道式日晷的結構和使用原理，為赤道式日晷的流行奠定了基礎。自此以后，赤道式日晷在中國普及起來(lái)，成為日晷計時(shí)的主體。
日晷計時(shí)簡(jiǎn)便易行，但容易受到氣候條件的影響，而且晚間無(wú)法使用，不能連續計時(shí)。所以，必須有其他計時(shí)儀器的補充。在中國古代，使用最廣泛、地位最重要的計時(shí)儀器，并非日晷，而是漏刻。
漏刻計時(shí)的基本原理，是利用均勻水流導致的水位變化來(lái)顯示時(shí)間。漏刻計時(shí)的本質(zhì)是守時(shí)，因為它需要依賴(lài)像日晷那樣的天文計時(shí)為其提供計時(shí)起點(diǎn)，以便使它顯示的時(shí)間與天文計時(shí)的結果一致，即漏刻計時(shí)是服從于天文計時(shí)的。
漏刻在中國起源時(shí)間很早。古人曾把漏刻起源時(shí)間追溯到黃帝的時(shí)代，《隋書(shū)·天文志》說(shuō)：昔黃帝創(chuàng )觀(guān)漏水，制器取則，以分晝夜。南北朝時(shí)的《漏刻經(jīng)》也說(shuō)：漏刻之作，蓋肇于軒轅之日，宣乎夏商之代。如果說(shuō)古人在黃帝時(shí)代通過(guò)觀(guān)察漏水，受到啟發(fā)，把水的流失與時(shí)間的流逝聯(lián)系起來(lái)，經(jīng)過(guò)長(cháng)期積累，逐步發(fā)明了漏刻，漏刻在夏商時(shí)代得到了比較大的發(fā)展，也未必完全是無(wú)稽之談。當然，夏朝的情況究竟如何，無(wú)文獻依據可考，而商周時(shí)期已經(jīng)有了漏刻，則是可以肯定的。
早期漏刻的形式比較簡(jiǎn)單，大概就是一只簡(jiǎn)單的壺，壺中盛水，在底部開(kāi)一小孔向外泄水。水中放一浮子，浮子上安插一畫(huà)有時(shí)刻標記的木箭，通過(guò)觀(guān)察木箭在壺中的降落情況來(lái)判斷時(shí)間。隨著(zhù)水的流失，箭逐漸沉入壺中，故這種漏刻稱(chēng)為沉箭漏。
圖3.4 出土的西漢沉箭漏
沉箭漏在使用過(guò)程中，顯示時(shí)刻的木箭是逐漸沒(méi)入壺中的，這樣使用者要觀(guān)察時(shí)刻，不太方便。由于漏壺在使用中，應該另有一壺來(lái)收集其所排出的廢水，這樣，人們不難想到，只要把木箭移到這個(gè)受水壺中，隨著(zhù)漏壺中水的流失，受水壺的水面不斷上升，箭露出壺口的部分也逐漸增加，觀(guān)察起來(lái)就直觀(guān)多了。這種設想的付諸實(shí)施，就導致了另一種漏壺——浮箭漏的誕生。
不管是浮箭漏，還是沉箭漏，如果只有一個(gè)壺供水，一個(gè)壺受水，都屬于單級漏壺。顯然，單級漏壺的計時(shí)精度不會(huì )高。因為漏刻是通過(guò)水位變化來(lái)顯示時(shí)間的，如果供水壺向箭壺（即受水壺）泄水的速度是均勻的，那么時(shí)間顯示就是均勻的，但供水壺的泄水速度顯然受其內部水位的影響，水位高時(shí)流速大，水位低時(shí)流速小，這就使得木箭顯示的時(shí)間也不均勻，導致了比較高的計時(shí)誤差的出現。
既然隨著(zhù)時(shí)間的流逝，供水壺的水位不斷下降，影響了計時(shí)的精確度，那么能否在供水壺向下泄水的同時(shí)，用另一壺向其供水，以補充其減少的水量？根據這樣的思考，東漢時(shí)期，人們在漏刻的供水壺上方又加了一個(gè)供水壺，這就使得漏刻的發(fā)展由單級漏進(jìn)入到了多級漏，一開(kāi)始是二級漏。東漢著(zhù)名科學(xué)家張衡曾經(jīng)描寫(xiě)過(guò)當時(shí)二級漏壺的使用情況：
以銅為器，再疊差置，實(shí)以清水，下各開(kāi)孔。以玉虬吐漏水入兩壺，左為夜，右為晝。59
張衡的這段話(huà)表明，漏壺是用銅制作的，所謂再疊差置，是指兩個(gè)供水壺要重疊錯開(kāi)放置。玉虬是指用玉做成的虹吸管。由于晝夜長(cháng)短不一，干脆把箭壺也設計成兩個(gè)，分別在白天和夜晚使用。
單級漏升級成二級漏以后，計時(shí)精度得到了大幅度的提高。華同旭博士做過(guò)仿古模擬實(shí)驗，證實(shí)只要調理得法，二級漏的計時(shí)精度可保持在日誤差不大于40秒的水平。60在東漢時(shí)期，這樣的計時(shí)精度是令人難以想象的。既然由單級漏升級成二級漏效果就這么顯著(zhù)，何不再繼續增加漏壺的級數，以獲得更高的計時(shí)精度呢？正是在這樣的思路驅使下，到了晉朝，就出現了有三個(gè)供水壺連用的三級漏。而到了唐代，呂才甚至創(chuàng )制了四級漏，使漏壺的級數達到了登峰造極的地步。
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圖3.5 唐代呂才四級漏
實(shí)際上，漏壺的級數沒(méi)必要一加再加。對于多級漏壺，關(guān)鍵在于調理，要合理確定各級漏壺的初始水位和加水時(shí)間間隔。這個(gè)技術(shù)非常復雜，以至于當漏壺級數達到三級以后，再增加其級數所導致的技術(shù)上的麻煩程度的增加，超越了其有可能帶來(lái)的正面效益。由此，當漏壺級數達到四級以后，古人沒(méi)有沿著(zhù)繼續增加其級數以提高計時(shí)精度的思路走下去，而是另辟蹊徑，找到了一種更為簡(jiǎn)捷的保持直接供水壺水位穩定的方法，其具體成果就是北宋燕肅的蓮花漏。
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圖3.6 北宋燕肅蓮花漏蓮花漏的計時(shí)原理與蓮花毫無(wú)關(guān)系，它之所以得名，是由于其箭壺的壺蓋上有蓮花形裝飾物的緣故。圖3.6是燕肅蓮花漏工作原理示意圖，由該圖可以看出，蓮花漏是二級漏壺，最上一級叫上柜，它通過(guò)渴烏也就是虹吸管向下柜供水，下柜再通過(guò)一個(gè)虹吸管向箭壺注水。蓮花漏的最大創(chuàng )新之處在于其向箭壺直接供水的壺（即圖3.6中的下柜）上側增加了一個(gè)溢流口。據古書(shū)記載，在下柜之側設有銅節水小筒、竹注筒、減水盎61，在工作時(shí)，上柜向下柜的供水量稍大于下柜向箭壺的供水量，這樣到一定時(shí)間，下柜有些水就多余了出來(lái)，多出來(lái)的水由其上側的溢流口經(jīng)銅節水小筒竹注筒流入減水盎中（圖3.6少畫(huà)了銅節水小筒）。這樣就構成了一套漫流系統。漫流系統的存在，使得下柜在向箭壺供水時(shí)，可以保持水位穩定，從而也就保證了計時(shí)精度。燕肅發(fā)明的漫流系統直觀(guān)、簡(jiǎn)便、有效，因而在后世的漏刻技術(shù)上得到了廣泛的應用，成為漏刻發(fā)展史上的標志性技術(shù)。
在中國漏刻發(fā)展史上，除了上面提到的一些漏刻之外，還有一些漏刻也十分有名，例如5世紀北魏道士李蘭發(fā)明了秤漏，把對漏刻流水重量的稱(chēng)量轉化為對時(shí)間的顯示。11世紀北宋科學(xué)家沈括不但創(chuàng )制了熙寧晷漏，設計較之燕肅的蓮花漏更為完善精致，計時(shí)精度也更高，而且他還專(zhuān)門(mén)撰寫(xiě)了《浮漏議》一文，詳細記載了熙寧晷漏的設計原理和制作技術(shù)。該文被收入《宋史·天文志》中，成為中國漏刻發(fā)展史上的一篇重要文獻。另一位北宋學(xué)者蘇頌則主持建造了一座大型天文觀(guān)測和計時(shí)的儀器，叫做水運儀象臺，并為之撰寫(xiě)了一部著(zhù)作，叫做《新儀象法要》。水運儀象臺把用渾儀觀(guān)測的天文計時(shí)和用漏刻測報的物理計時(shí)相結合，還增加了渾象作為演示裝置，增加了用搖玲報告時(shí)辰的時(shí)初、用敲鐘報告時(shí)辰的時(shí)正、用擊鼓報告具體時(shí)刻的音響報時(shí)裝置，增加了用木偶懷報時(shí)牌輪流出現的視覺(jué)報時(shí)裝置。水運儀象臺的設計之獨到、規模之宏大、結構之復雜、功能之多樣，堪稱(chēng)當時(shí)世界之最。
漏刻計時(shí)是古代計時(shí)的主體。古人對漏刻計時(shí)極為重視，不但在其構造上下大功夫，不斷革新，而且在管理上也精益求精。漏刻計時(shí)是系統工程，要提高漏刻計時(shí)精度，科學(xué)管理至為重要。古人在使用漏刻計時(shí)的過(guò)程中，對各種技術(shù)細節考慮得非常周到，例如漏刻用水，規定要專(zhuān)井專(zhuān)用，以保持水質(zhì)穩定。還要將漏刻置于密室，以保持其工作環(huán)境盡可能恒溫恒濕，減少溫、濕度等環(huán)境因素的變化對水流量的影響。在制作漏壺時(shí)，對材料的選擇、結構的推敲均十分慎重，對管理漏刻的人員也有嚴格要求。正是在古人的精心設計、科學(xué)管理和嚴格要求之下，漏刻在中國古代獲得了高度發(fā)展，其計時(shí)精度達到了令人驚嘆的地步。北宋時(shí)漏刻計時(shí)日誤差可以小于20秒，沈括甚至以其熙寧晷漏為計時(shí)依據，發(fā)現了太陽(yáng)的周日視運動(dòng)也就是地球自轉的不均勻性。在11世紀，能取得這樣的成就是匪夷所思的。中國古代計時(shí)精度在很長(cháng)一段歷史時(shí)期內，一直走在世界前列。一直到18世紀，西方學(xué)者根據伽利略發(fā)現的擺的等時(shí)性原理，把直進(jìn)式擒縱機構應用到機械擺鐘上，使機械鐘的計時(shí)精度大為提高，達到了日誤差幾秒的量級，這才趕上和超越了中國傳統的漏刻.
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