【科普】中国古代天文仪器—圭表

科学在中国古代就很发达了，上至天文下至地理，在世界史上都留下了很浓重的一笔。在很多方面，我国古代的科学研究甚至要比西方要早几百甚至上千年。比如在天文记录方面，以现代人熟知的M1蟹状星云为例，最早的记录出自中国的天文学家，公元1054年的七月，中国的一位名叫杨惟德的官员，向皇帝奏报了天空中出现了一颗“客星”。这就是历史记载中的“天关客星。”比西方的记录早了近700年。

当然，除了这些，我国古代天文学还有其他很多成就，比如今天要说的主角——圭表。

圭表也叫土圭，是我国古代用来测量日影长度以定方向、节气和时刻的天文仪器。
它的创制年代已不可考，可能早在商周时期就已使用。它由两部分组成，垂直立于平地上的标杆称为表，南北方向平放的测影尺称为圭，两者以直角相接。由于圭为南北方向，当太阳自东向西运动时，只有正午时分，表的影子才会正好投射至圭上。此外，由于地球公转时，北半球阳光直射点的南北移动，同一地点每天正午的表影长度都不相同。根据表影长度变化规律，就可以知晓一年的时长和二十四节气的位置。

经过长期观测，汉族人民不仅了解到一天中表影在正午最短，而且得出一年内夏至日的正午，烈日高照，表影最短;冬至日的正午，煦阳斜射，表影则最长。于是，汉族劳动人民就以正午时的表影长度来确定节气和一年的长度。譬如，连续两次测得表影的最长值，这两次最长值相隔的天数，就是一年的时间长度，难怪古代汉族人民早就知道一年等于365天多的数值。春秋时代使用圭表测量连续两次日影最长和最短之间所经历的时间，并计算出回归年的长度。

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。

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。

也许你还不知道，日晷也是在圭表的基本上发展起来的呢。

好，了解了这么多，现在你们明白了圭表的作用了吧？

在山西临汾陶寺遗址考古出土了4000年前的圭表，在尧舜时代就有了。

《圭表考略：从周髀遗制到登封古台》

圭表之制，肇端三代，历秦汉而臻于元明，实为华夏天文观测体系之基石。今就休竹客君所述，补苴其要，详考源流。

一、形制源流考
圭表由圭、表二器构成，其制式演变可溯至《周礼》"
土圭之法"。《考工记》载："土圭尺有五寸，以致日景"，此即早期圭表形制。东汉郑玄注《周礼》云："土圭，测日景之圭也"，其功能已明。江苏仪征出土之东汉铜圭表，圭长汉尺一尺五寸（34.5厘米），表高八寸（19.2厘米），恰合《周髀算经》"周髀长八尺"之制的十分之一，可见汉代已有主表与便携之分的精密体系。

二、天文测算体系
圭表观测之精要，在于"二至二分"的测定。《后汉书·律历志》载："日道发南，去极弥远，其景弥长"，此即冬至影长之原理。郭守敬在《授时历》中详述："夏至景一尺五寸八分，冬至景一丈三尺"，通过累年实测，古人得出回归年长度为365.2425日，与今值仅差26秒。元代赵友钦《革象新书》更记载了利用圭表测定黄赤交角之法，其精度达23°33'23"，较理论值仅差1'37"。

三、登封观星台范式
郭守敬所建登封观星台，实为圭表之巨型化。其"量天尺"（圭）长达128尺，表高40尺，通过"景符"装置使测影精度达2毫米。据《元史·天文志》载，此台测得"北极出地三十四度太"，即当地纬度34°47'，与今测值34°42'仅差5'。台体设计暗合"勾股测望"之术，其南壁凹槽正对冬至日出方向，北壁则对应夏至日影，堪称圭表技术之集大成。

四、文化意义申论
圭表不仅为天文仪器，更是"天人合一"思想的物质载体。《周礼》以圭表"正日景以求地中"，实为政治正统性的天文认证。汉唐以降，历代帝王皆重视圭表测影，如《旧唐书》载李淳风改制浑仪时"先校圭表"，可见其于传统天文体系中的核心地位。

要之，圭表之制贯穿三千年华夏文明，从商周之"立竿见影"，到元代精密测量，其发展轨迹正是中国古代天文学从经验走向数理的缩影。今观登封古台巍然犹存，不惟科技史之实证，更为文明延续之象征也。

（全文798字）