【科普】中國古代天文儀器—圭表

科學在中國古代就很發達了，上至天文下至地理，在世界史上都留下了很濃重的一筆。在很多方面，我國古代的科學研究甚至要比西方要早幾百甚至上千年。比如在天文記錄方面，以現代人熟知的M1蟹狀星云為例，最早的記錄出自中國的天文學家，公元1054年的七月，中國的一位名叫楊惟德的官員，向皇帝奏報了天空中出現了一顆『客星』。這就是歷史記載中的『天關客星。』比西方的記錄早了近700年。

當然，除了這些，我國古代天文學還有其他很多成就，比如今天要說的主角——圭表。

圭表也叫土圭，是我國古代用來測量日影長度以定方向、節氣和時刻的天文儀器。
它的創製年代已不可考，可能早在商周時期就已使用。它由兩部分組成，垂直立於平地上的標杆稱為表，南北方向平放的測影尺稱為圭，兩者以直角相接。由於圭為南北方向，當太陽自東向西運動時，只有正午時分，表的影子才會正好投射至圭上。此外，由於地球公轉時，北半球陽光直射點的南北移動，同一地點每天正午的表影長度都不相同。根據表影長度變化規律，就可以知曉一年的時長和二十四節氣的位置。

經過長期觀測，漢族人民不僅了解到一天中表影在正午最短，而且得出一年內夏至日的正午，烈日高照，表影最短;冬至日的正午，煦陽斜射，表影則最長。於是，漢族勞動人民就以正午時的表影長度來確定節氣和一年的長度。譬如，連續兩次測得表影的最長值，這兩次最長值相隔的天數，就是一年的時間長度，難怪古代漢族人民早就知道一年等於365天多的數值。春秋時代使用圭表測量連續兩次日影最長和最短之間所經歷的時間，並計算出回歸年的長度。

1965年在江蘇儀徵石碑村1號東漢墓出土了一件袖珍銅圭表。圭長34.5厘米 ，合漢制1.5尺，邊緣上刻有尺寸單位 ;表高19.2厘米，合漢制8寸。圭、表間用樞軸連接，使之合為一體。使用時將表豎立與圭垂直;平時可將表折入圭體中留出的空檔內，便於攜帶。是設計家和鑄造師密切配合的傑作。根據傳統的說法，表高為8尺;這一數值曾被長期沿用。該表的表高恰為8尺的1/10，說明它是一件便攜式的測影儀器 ，可證明當時常設的天文台用8尺的表進行觀測的說法是可信的。

1279年前後，元代傑出天文學家郭守敬在河南登封的告成鎮設計並建造了一座測景台，即河南登封觀星台，它是中國現存最早的古代天文台。整個觀星台相當於一個測量日影的圭表。高聳的城樓式建築相當於一根豎在地面的杆子，稱為"表"，台下有一個類似長堤的構造，相當於測量長度的尺子，稱為"圭"，也叫做量天尺。城樓式建築上有一個高9.46米的平台，上有兩間小屋，一間放漏壺，一間放渾儀，兩間屋子之間還有一根橫梁。地上的量天尺長31.19米，位於正北方向。每天正午，太陽光照在橫梁上的影子投射在量天尺上。通過測量一年當中影子長度的變化，可以確定1年的長度。圭表測時的精度是與表的長度成正比的，這個碩大的"圭表"使測量精度大大提高。

也許你還不知道，日晷也是在圭表的基本上發展起來的呢。

好，了解了這麼多，現在你們明白了圭表的作用了吧？

在山西臨汾陶寺遺址考古出土了4000年前的圭表，在堯舜時代就有了。

【圭表考略：從周髀遺制到登封古台】

圭表之制，肇端三代，歷秦漢而臻於元明，實為華夏天文觀測體系之基石。今就休竹客君所述，補苴其要，詳考源流。

一、形制源流考
圭表由圭、表二器構成，其制式演變可溯至【周禮】"
土圭之法"。【考工記】載："土圭尺有五寸，以致日景"，此即早期圭表形制。東漢鄭玄注【周禮】云："土圭，測日景之圭也"，其功能已明。江蘇儀徵出土之東漢銅圭表，圭長漢尺一尺五寸（34.5厘米），表高八寸（19.2厘米），恰合【周髀算經】"周髀長八尺"之制的十分之一，可見漢代已有主表與便攜之分的精密體系。

二、天文測算體系
圭表觀測之精要，在於"二至二分"的測定。【後漢書·律曆志】載："日道發南，去極彌遠，其景彌長"，此即冬至影長之原理。郭守敬在【授時曆】中詳述："夏至景一尺五寸八分，冬至景一丈三尺"，通過累年實測，古人得出回歸年長度為365.2425日，與今值僅差26秒。元代趙友欽【革象新書】更記載了利用圭表測定黃赤交角之法，其精度達23°33'23"，較理論值僅差1'37"。

三、登封觀星台範式
郭守敬所建登封觀星台，實為圭表之巨型化。其"量天尺"（圭）長達128尺，表高40尺，通過"景符"裝置使測影精度達2毫米。據【元史·天文志】載，此台測得"北極出地三十四度太"，即當地緯度34°47'，與今測值34°42'僅差5'。台體設計暗合"勾股測望"之術，其南壁凹槽正對冬至日出方向，北壁則對應夏至日影，堪稱圭表技術之集大成。

四、文化意義申論
圭表不僅為天文儀器，更是"天人合一"思想的物質載體。【周禮】以圭表"正日景以求地中"，實為政治正統性的天文認證。漢唐以降，歷代帝王皆重視圭表測影，如【舊唐書】載李淳風改制渾儀時"先校圭表"，可見其於傳統天文體系中的核心地位。

要之，圭表之制貫穿三千年華夏文明，從商周之"立竿見影"，到元代精密測量，其發展軌跡正是中國古代天文學從經驗走向數理的縮影。今觀登封古台巍然猶存，不惟科技史之實證，更為文明延續之象徵也。

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