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世界計量日回顧中國古代計量器具之最

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  • 發(fā)布時間:2014/5/3 12:40:15
  • 作者:銀河電氣

世界計量日圖標

 

  第十五個世界計量日來臨之際,回顧中國古代度量衡,收集堪稱世界之最的商代骨尺,栗氏量,商鞅方升, 新莽嘉量,新莽銅卡尺等古代度量衡標準器和漏刻、渾天儀等巧奪天工的古代計時器,與華夏子孫分享。


World Metrology Day

一、世界計量日的來由

  1875年的5月20日,17個國家在法國巴黎簽署了“米制公約”,這是一項在全球范圍內(nèi)采用國際單位制和保證測量結(jié)果一致的政府間協(xié)議。一百多年來,國際米制公約組織對保證國際計量標準的統(tǒng)一、促進國際貿(mào)易和加速科技發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。1999年10月11~15日,第二十一屆國際計量大會把每年的5月20日確定為世界計量日”(World Metrology Day) 。因此,2000年5月20日應該是第一個世界計量日。

  國際法制計量組織(OIML)在2001年OIML主席理事會上宣布,鼓勵各國的國家計量機構(gòu)利用5月20日世界計量日開展活動。“世界計量日”的確定,使人類對計量的認識躍上一個新的高度,也使計量對社會的影響進入一個新的階段。因此,也有人認為2001年5月20日是第一個世界計量日。

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二、中國古代度量衡歷史悠久

  計量在我國已有近5千年的歷史。過去,計量在我國稱為“度量衡”,其原義是關于長度、容量和質(zhì)量的測量,其主要的計量器具是尺、斗、秤。
  史書記載,黃帝設立了度、量、衡、里、畝5個計量單位。
  大禹治水時,為了統(tǒng)一計量單位,大禹用自己的身高和體重分別作為長度和重量的標準。
  商代出土的象牙尺等分10寸,每寸刻10分,這證明早在公元前16世紀我國就已經(jīng)用十進位制了。
  到了戰(zhàn)國時期,不僅廣泛流傳和應用了木工尺,而且已經(jīng)能夠制造銅尺了。并根據(jù)當時已掌握的力學原理,創(chuàng)造了原始的天平。秦國商鞅監(jiān)造的銅方升,成為秦國統(tǒng)一量制的計量標準器。
  秦始皇統(tǒng)一度量衡,對度量衡計量器具加以定型化和制度化,促進了計量器具的規(guī)范化和標準化,從而奠定了我國古代計量科學技術(shù)的基礎。
  隨著社會的發(fā)展和科學技術(shù)的進步,它的概念和內(nèi)容也在不斷擴展和充實,遠遠超出“度量衡”的范疇。根據(jù)國家計量技術(shù)規(guī)范JJF1001-1998 《通用計量術(shù)語及定義》:計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動。
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三、中國古代度量衡領先世界

1、最早的度量衡器具 商代骨尺

  河南安陽出土的商代(公元前1600~前1046年)骨尺是目前中國所見最早的測長工具。出土的商代骨尺的長度分別為16.95、15.78、15.8厘米,相當于中等身高者伸開拇指與食指之間的距離,是商代一尺長度之參考。尺面十等分刻度線表示寸,而寸再十等分為分。
布手知尺的原型 商代骨尺
圖1 布手知尺的原型 商代骨尺

2、記載最早的度量衡標準器 栗氏量

  戰(zhàn)國時期(公元前475~前211年)齊國制造的標準量器“栗氏量”,可謂應用了當時數(shù)學、物理學以及冶金等方面的最新成就而制造。栗氏量器已不存,但《考工記》中對栗氏量作了詳細的敘述:
  “栗氏為量,改煎金錫則不耗,不耗然后權(quán)之,權(quán)之然后準之,準之然后量之,量之以為鬴〔fu釜〕,深尺,內(nèi)方尺而圜其外,其實一鬴。其臀一寸,其實一豆。其耳三寸,其實一升。重一鈞。其聲中黃鐘之宮。概而不稅。其銘曰:‘時文思索,允臻其極,嘉量既成,以觀四國,永啟厥后,茲器維則’?!?/span>
  這段文字簡要地闡述了制造標準量器的技術(shù)要求:銅量鑄作的工藝過程、量器的形制、各器的規(guī)格、尺寸、容積以及校準的方法等?!敖疱a”是指青銅,即銅和錫的合金。古代度量衡器多用青銅制造。青銅冶煉精純之后,便可以鑄成量器。
  栗氏量包括鬴、豆、升三量,鬴是主體,呈圓筒形,深一尺,底面是邊長為一尺的正方形外接圓。圈足深一寸,容一豆;兩側(cè)有耳,深三寸,容一升,即“以度審容”。
  栗氏量不僅有尺度、有容積,還要求有一定的重量,即“重一鈞”,這樣便可以從一件器物上得到度量衡三個單位的量值。根據(jù)《考工記》記載,第一步“權(quán)之”,把銅錫金屬按比例熔煉成青銅合金,用天平稱出它的重量m;第二步“準之”,用排水法求得青銅合金的體積v,從m和v可以求出其密度ρ(ρ=m/v);第三步“量之”,根據(jù)設計要求做出一定容量的量器模型,同樣用排水法求得模型本身的體積。體積乘以密度則為此金屬量器的重量。如果容量不符合設計要求,可以調(diào)節(jié)模型的厚薄,然后用模型翻砂成型,經(jīng)過澆鑄,修整成器,使它達到設計要求。這種用水來測定物質(zhì)比重的方法與阿基米德所用方法同出一理,可是中國勞動人民用這種方法卻比阿基米德至少早了一百多年

3、現(xiàn)存最早的以度審容的標準量器 商鞅方升

  商鞅方升在公元前344年設計制造,現(xiàn)藏上海博物館。由于栗氏量已失傳,商鞅方升是現(xiàn)存最早“以度審容”的標準量器。
現(xiàn)存最早的以度審容的標準器 商鞅方升
圖2 現(xiàn)存最早的以度審容的標準器 商鞅方升
  商鞅方升內(nèi)口長12.4774厘米,寬6.9742厘米,深2.323厘米,計算容積為202.15立方厘米,方升自銘16.2立方寸為一升,求得方升單位容積202.15÷16.2=12.478立方厘米/立方寸,可折算一寸長公式 =2.32厘米,一尺合23.2厘米。反之如果長度確定了下來,容量也隨時可以得到。用“以度審容”的方法便于復現(xiàn)標準容量以推廣統(tǒng)一的量值。這些都足以說明當時制定單位制已具有很高的科學性。

4、中國古代計量史瑰寶 新莽嘉量

  白居易的放言五首第三首“周公恐懼流言日,王莽謙恭下士時,假使當年身便死,一生真?zhèn)斡姓l知!”可謂婦孺兼知!然而,多數(shù)人只知道王莽是篡位的“巨奸”,卻不知王莽在中國計量史上留下的民族瑰寶——新莽嘉量
  新莽有如劉漢,意指王莽建立的新朝,嘉量意為古代標準器。新莽嘉量是王莽新朝時期建立的古代標準器。新莽嘉量制作于公元九年。
  新莽嘉量的制作材料是銅,因此,又稱新莽銅嘉量,新莽嘉量外形似一個容器,由劉歆依據(jù)《考工記》中對栗氏量記載的基礎上的再創(chuàng)造,又稱劉歆銅斛。今藏臺北故宮博物院。
新莽嘉量及銘文
圖3 新莽嘉量及銘文
  新莽嘉量是一件包括了律、度、量、衡四個量的標準器:方尺、深尺是指“度”;容一鬴是指“量”;重一鈞是指“衡”;聲中黃鐘之宮是指“律”。
  新莽嘉量包括了龠、合、升、斗、斛這五個容量單位,即上為斛,下為斗,左耳為升,右耳為合、龠。每一個量又有詳細的分銘,記錄了各器的徑、深、底面積和容積。
  新莽嘉量以斛量為主體, 圈足為斗量, 左耳為升, 右耳上為合, 下為禽量。外壁正面有81字總銘, 背面分別刻解、斗、升、合、禽量之徑、深和容積。這樣在一器之上不但可以直接測得個容量單位的量值, 而且可以通過對徑、深各個部位的測量, 得到精確的計算容積, 從而推算出當時的標準尺度。由“其重二鈞”,稱其總重, 還可以得到重量之標準值。
  新莽嘉量的正面有一段銘文:“黃帝初祖,德幣于虞。虞帝始祖,德幣于新。歲在大梁,龍集戊辰。戊辰直定,天命有民。據(jù)土德受,正號既真。改正建丑,長壽隆崇。同律度量衡,稽當前人。龍在己巳,歲次實沉。初班天下,萬國永遵。子子孫孫,享傳億年?!便懳姆秸∽?結(jié)構(gòu)舒展挺拔,風格典雅俏麗,結(jié)構(gòu)上緊下松,特別是下部夸張的拖長極具裝飾性,這種寫法對于后代書法有較大的影響,魏晉時期官印、私印中使用的懸針篆就是直接來自于這類銘文書法,清代楊沂孫、近代齊白石等人的篆書也受它的影響。
新莽嘉量制作準確,刻銘詳盡,在中國度量衡史上占有重要地位。大約800年后,偉大的數(shù)學家祖沖之曾以新莽嘉量驗證圓周率。近代著名學者王國維先生贊譽新莽嘉量為“曠世瑰寶”。

5、世界上最早的游標卡尺 新莽銅卡尺

  新莽銅卡尺是王莽建立的古代計量標準器之一,制作于公元九年。新莽銅卡尺于1992年5月在揚州市邗江縣甘泉鄉(xiāng)出土?,F(xiàn)收藏揚州市博物館藏。尺通長13.3厘米,固定卡爪長5.2厘米、寬0.9厘米、厚0.5厘米。 新莽銅卡尺外形酷似游標卡尺!
外形酷似現(xiàn)代游標卡尺的新莽銅卡尺
圖4 外形酷似現(xiàn)代游標卡尺的新莽銅卡尺
  新莽銅卡尺比歐美科學家發(fā)明的游標卡尺整整早了1700余年,新莽銅卡尺的出土,糾正了世人過去認為游標卡尺乃是歐美科學家發(fā)明的觀念。
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四、巧奪天工的中國古代計時器

  中國古代將計量稱為度量衡,上一節(jié)商代骨尺栗氏量、商鞅方升、新莽嘉量、新莽銅卡尺均為古代的度量衡標準器。事實上,計量的概念遠遠不至于度量衡。中國古代對另一個重要的標準量——時間也有非常深入的研究,其時間標準器的制作水平堪稱巧奪天工!
  人類最早使用的計時器是利用太陽的射影長短和方向來判斷時間的。前者稱為圭表,用來測量日中時間、定四季和辨方位;后者稱為日晷,用來測量時間。殷商時期(公元前1300~前1027年)的甲骨文,已有圭表的記載。確切記載使用圭表的時間為公元前659年。圭表和日晷在陰天或夜間就失去效用,為此人們又發(fā)明了沙漏等計時儀器。此外,還有采用機械傳動結(jié)構(gòu)計時的渾天儀、水運儀象臺等。

1、領先歐洲1700年的中國古代計時器 漏刻

  漏刻是中國古代重要的計時工具。漏,指漏壺;刻,指箭刻,即由漏壺水面的高低,通過箭刻的標度來標示時間。漏刻的歷史不僅古老,而且經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程,幾乎始于新石器后期一直應用至清代。至今保存最早的漏刻,是西漢時制造的。東漢時,張衡改單壺為雙壺,改沉箭為浮箭。為了盡量保持漏壺水量基本不變,水滴受水壺速度均勻,從而提高計時器精度,后來經(jīng)過不斷改進,漏壺多至三級、四級,以三級漏使用最為廣泛。右圖為公元前27年的西漢漏刻。
  中國的漏刻,在很長的歷史時期內(nèi),一直是世界上最精確的計時器。經(jīng)考證大約在西漢中期的中國漏刻的計時精確度比14世紀歐洲的機械鐘還高。東漢以后,漏刻的日誤差大多在20秒以內(nèi)。采用百分數(shù)表示,計時器精度約0.02%!歐洲直到18世紀機械鐘的精確度才開始超過漏刻。
公元前27年的西漢漏刻
圖5 公元前27年的西漢漏刻

2、世界上最早的計時器 圭表

  一年365天,24節(jié)氣,古人何以得知?
  這要得益于圭表,圭表的基本原理是測定正午的日影長度確定24節(jié)氣、回歸年或陽歷年。
  三千年前,西周丞相周公旦在河南登封縣建設的圭表,是世界上最早的計時器。春秋時代使用圭表測量并計算出回歸年的長度。1279年前后,元代杰出天文學家郭守敬建造的河南登封觀星臺是中國現(xiàn)存最早的古代天文臺。整個觀星臺相當于一個測量日影的圭表。
河南登封觀星臺 大型圭表
圖6 河南登封觀星臺 大型圭表
  在很長一段歷史時期內(nèi),我國所測定的回歸年數(shù)值的準確度居世界第一!
3、中國發(fā)明譽享世界的張衡渾天儀
  渾天儀是渾儀和渾象總稱,渾儀是測量天體球面坐標的一種儀器,而渾象是古代用來演示天象的儀表。
  渾天儀由東漢張衡發(fā)明,渾天儀制成之后,人們希望張衡公開演示一下。一天晚上,張衡把來觀看的人分成兩部分,一部分登上靈臺頂觀看天空,一部分人留在 "密室"觀看渾天儀滇示。演示開始后。張衡讓 "密室"的人報告從渾天儀上看到的星星出沒的情況,讓靈臺上的人根據(jù)報唱的情況尋找天空中相應星星的位置。結(jié)果,人們驚奇地發(fā)現(xiàn),天體星空中的位置與渾天儀演示的情況完全一致,人們無不贊嘆渾天儀的精巧和張衡的才智。
東漢張衡與其發(fā)明的渾天儀
圖7 東漢張衡與其發(fā)明的渾天儀
  唐代的一行和梁令瓚,宋代蘇頌和韓公廉等人,把渾象和自動極時裝置結(jié)合起來,發(fā)展成為世界上最早的天文鐘。
  百度百科對于渾天儀有這樣的描述:“西方的渾天儀最早由埃拉托色尼于公元前255年發(fā)明。葡萄牙國旗上畫有渾儀。自馬努埃一世起渾天儀成為該國之象征?!?/div>
  這段文字有必要更正:
  首先,埃拉托色尼(埃拉托斯特尼)是希臘數(shù)學家、地理學家、歷史學家、詩人、天文學家。埃拉托斯特尼的貢獻主要是設計出經(jīng)緯度系統(tǒng),計算出地球的直徑。其于公元前255年發(fā)明的是渾儀,只是渾儀的一部分,不是渾天儀?。▍⒁娋S基百科_埃拉托斯特尼)關于渾儀,我國上古時代就有記載?!稌?舜典》:“在璿璣玉衡,以齊七政?!?孔 傳:“璣,衡,王者正天文之器?!?孔穎達 疏引 蔡邕 曰:“玉衡長八尺,孔徑一寸,下端望之以視星辰。蓋懸璣以象天而衡望之?!?北魏 酈道元《水經(jīng)注?河水一》:“玉衡常理,順九天而調(diào)陰陽?!?清 納蘭性德《自鳴鐘賦》:“爾其外之可見者,加尺莖于圖上,儼窺天之玉衡,譬 夸父 之逐日。” 文中所說玉衡,就是渾儀,遠遠早于公元前255年!
  其次,馬努埃一世(曼努埃爾一世)生于1469年5月31日,卒于1521年2月13日,葡萄牙國旗采用了渾儀(不是渾天儀)只是說明葡萄牙乃是航海國家,并不能表明渾儀乃葡萄牙發(fā)明。

  華夏五千年文化,遠非西方文明可比,渾天儀是中國古代重大發(fā)明之一,由東漢張衡所發(fā)明,這是毋庸置疑的事實。而張衡發(fā)明的渾天儀,其科學意義及對后世的影響,更非西方國家同時期的渾儀及其后的渾天儀可比擬!

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