人类报时仪器的起源与发展

　　产生时间意识并借助某种器具确定自身在时间中的位置，是人类文明进入成熟的标志之一。这种帮助人类确定自身时间位置的器具，就是报时仪器。

　　最初，华夏先民根据太阳在天上的位置判定时间，但人眼直接观察太阳不方便，就在平地上立一根杆子，通过其影子的长短变化来确定时间。《周髀算经》中说伏羲“日中立杆测影”，就是对这种历史的记录。这就是最原初的报时仪器。

　　后来，人们又在杆子周围的地面上画一些线条，根据杆影落在这些线条之间的位置来更直观地读取时刻。这根立在地上的杆子叫作表，画在地面上的线条叫作圭，合起来称为圭表。现在把报时仪器叫作“钟表”、“手表”，即源之于此。

　　之后，圭表发展成为功能不同的两种形式：一种由垂直于地面的杆和正南正北方向平放、标有刻度的长方形板组成，用以专门测量正午日影线，根据正午日影线的长度变化测量一年是多少天和二十四节气，仍称为圭表，是专用的天文仪器;另一种由标有刻度(后来标为子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二时辰)的圆盘和垂直立于圆盘中央的针杆组成，根据杆影在盘面的位置来确定白天的具体时刻。这种圆盘和针杆的组合称为日晷，是专门的报时仪器。

　　日晷报时受天气限制，又无法用于夜间，因此古人又发明了另一类报时仪器漏刻。

　　漏刻，在不同的时期、不同的场合又有漏、漏壶、挈壶、刻漏、水钟、铜壶滴漏等名称。《隋书·天文志上》说：“昔黄帝创观漏水，制器取则，以分昼夜。”南北朝时期梁代的《漏刻经》记载：“漏刻之作，盖肇于轩辕之日，宜乎夏商之代。”说明漏刻起源于黄帝时代，夏商时期继续改进并广泛使用。漏刻是利用均匀水流导致的水位变化来显示时间的。

　　日晷和漏刻，成为华夏先民主要的两种报时仪器。

　　历史上，先后出现过晷盘水平安放的地平式日晷(如内蒙古出土的秦汉时代日晷)、晷盘与赤道面平行的赤道式日晷(唐代即出现，南宋曾敏行著《独醒杂志》卷二详细记载)、形状如锅的球面日晷(《元史-天文志》记载郭守敬发明的仰仪)等。不论日晷如何发展，其基本原理都是通过杆(表)影在盘面上的位置报告时间，同时更多地用于天文观测。

　　漏刻更便于在人们的生活中使用。早期的漏刻大概就是一只简单的壶，壶的底部开一小口，通过观察壶中水面高度的变化来估测时间。这可称为单壶式泄水型漏刻。

　　后来，为便于观察，古人将一根刻有时刻标记的箭杆插入壶内，通过观察箭杆被水面浸没的情况来读出时刻。这被称为淹箭漏刻。后世漏壶中用来标志时刻的木条都称为箭。箭的使用，使得漏刻具备了类似现今钟表上的时针和表盘那样的报时系统。

　　淹箭漏刻又发展成浮箭漏刻：另设一壶收集漏壶所排出的水，在这个壶中放一木块，将箭插在木块上，随着壶中水位的上升，箭露出壶外的部分也逐渐增加，这样，通过观察箭露出壶外的长度，就可以直观显示时间流逝的长短。宋代杨甲编著的《六经图》记载了浮箭漏刻最原始的形式(见下图)，图中左侧的火炬是在冬天为防止漏壶中的水结冰而采取的防护措施。浮箭漏产生的时间大致是在汉武帝时期。这个时期也开始把漏刻作为天文报时仪器，《后汉书·律历志》曾经写道：“孔壶为漏，浮箭为刻，下漏数刻，以考中星，昏明生焉。”所说的就是浮箭漏刻在天文工作中的应用。

　　为了提高报时精度，人们又把一个泄水壶和一个受水壶构成的单级漏刻发展成多级漏刻：

　　先是二级漏刻，由两个泄水壶和一个受水壶组成。东汉著名科学家张衡曾记录当时二级漏刻的使用情况：“以铜为器，再叠差置，实以清水，下各开孔。以玉虬吐漏水入两壶，左为夜，右为昼。”(唐代徐坚《初学记》)这表明至少在东汉时，二级漏刻已经发明出来了。

　　以后又出现了有三个泄水壶连用的漏刻。晋代孙绰的《漏刻铭》最早记载了三级漏刻的情况：“累筒三阶，积水成渊，器满则盈，承虚赴下。”所谓“累筒三阶”，就是指三个连用的圆形泄水壶。

　　唐代工匠吕才制造了一种四柜式的漏刻，将漏壶的数量从晋代出现的三个又增加到了四个。

　　宋代人发明了一种利用水漫流技术以保持泄水容器水位恒定的莲花漏。(如下图)

　　之所以叫莲花漏，是因为其受水壶的壶盖上有金色的莲花形饰物。莲花形饰物的中心有孔，刻有时刻标志的木箭通过该孔放入壶内，随壶内水面的升降而沿孔上下移动。从结构上看，莲花漏类似一套二级漏壶，它比普通二级漏壶的改进之处在于，在第二级泄水壶(亦即图中所谓的“下柜”)之侧设有“铜节水小筒、竹注水筒、减水盎”三物。(图中缺少“铜节水小筒”，该筒应上接下柜，下连“竹注筒”。)上柜的水通过“渴乌”(即虹吸管)流入下柜，下柜的水通过第二只“渴乌”流入箭壶。在设计上，上柜“渴乌”的口径较大，于是在相同时间内由上柜流入下柜的水要比下柜流出的多，这样到一定时间，下柜多余的水就会从柜沿特别开设的水槽中漫流出来，漫流的水由“铜节水小筒”经“竹注水筒”流入“减水盎”，如此就保持了下柜水位的恒定。这就是名嘈后世的莲花漏的漫流系统。漫流系统的建立，对于保持下柜水位稳定，提高计时精度，起到了重要作用。这套设计广泛为后世漏刻所采纳。

　　宋代科学家沈括创制造了熙宁晷漏，还著有《浮漏仪》流传于世，成为中国古代论及漏刻最详、最完整的一部重要文献，对后人了解漏刻结构及消除误差的各种措施提供了翔实可靠的文字资料。

　　唐宋时期民间常用的漏刻还有盂漏、田漏、船漏等。

　　盂漏由大小两只铜盂组成，大盂盛水，小盂则放在大盂水面上，底部钻一针眼大小圆孔，利用小孟本身的重量作用让水涌入盂底孔内而逐渐下沉，水位逐渐提高直到小孟沉没。经实验证明，孟漏十二小时后下沉的时间内，误差小于十五分钟，已能满足民间报时的需要。

　　田漏是一种农家常用的报时器具，据古籍记载，它是以日晷或圭表来校验泄水壶中一昼夜流出的水量是否与今日午至明日午圭表所示日影位置相合。说明田漏报时是以天文测时来校准的。

　　唐宋漏刻还被用在船泊上。诗人杜甫曾在《宿青草湖》中咏到：“洞庭犹在目，青草续为名。宿桨依农事，邮签报水程。”“邮签”就是漏箭，行船时用以报时。从诗中还可以知道，当时已用漏刻来计算航程。当船工掌握了不同情况下的航速后，再计量了航行的时间，就可以计算出航程了。

　　为了提高报时精度，古人不但在漏刻的构造上下功夫，竞相革新，而且还采取各种措施，努力从主客观条件上加以改进。例如漏刻用水，规定要专井专用，这样可保持水质、水温等因素的稳定。还要将漏刻置于密室，使其工作环境稳定，尽量减少温度变化对流量的影响。另外，在制作漏壶时，对结构和材料的选择也十分慎重，管理上则要求十分严格。

　　正是由于华夏先民的持续改进，漏刻在古代中国得到了高度的发展，其报时准确度达到了令人惊奇的地步：据古籍记载，东汉以后相当长的一段历史时期内，漏刻的日误差很多在一分钟之内，有些甚至只有二十秒左右。

　　南北朝时北魏李兰还发明了秤漏，通过漏水的重量和体积来确定时间，即“漏水一升，秤重一斤，时经一刻”(一斤水对应的一“刻”，相当于今天的14.4分钟)。报时的精度还可以随着秤的精度而提高。

　　在分别发展日晷和漏刻的同时，古人还把日晷和漏刻结合起来，发展出具有报时功能的天文仪器。

　　西汉时，张衡设计制造了“水运浑象”。据《晋书·天文志》记载：“至顺帝时，张衡又制浑象，具内外规、南北极、黄赤道，列二十四气、二十八宿、中外星官及日月五纬，以漏水转之于殿上，室内星中出没与天相应。因其关戾，又转瑞轮蓂荚于阶下，随月虚盈，依历开落。”这就是天文学史上有名的张衡水运浑象。

　　从《晋书》的记载以及其他相关史料中可以知道，这架浑象的主体是一个象征天体的铜制圆球，圆球上标出了对应的南北天极，画出了天赤道、黄道，在黄道上标出了二十四节气的位置，还在圆球上标出了许多恒星的位置，并且用一些可以移动的标志来表示太阳、月亮和金、木、水、火、土五大行星。浑象放置在密室中，用漏壶中流出的水作为动力推动它运转，以之模拟天体运动。根据太阳在浑象上的位置，不但能知道当时所处的节气，还可以大体知道所处的时刻，表明它已经具备了与机械钟表类似的功能。浑象制成以后，张衡令操作人员在室内关门闭户，大声报告浑象上所显示的天体运动情况，同时外面的人对天体进行行实际观测，以与浑象上显示的结果相比对，结果是：“旋玑所加，某星始见，某星已中，某星今没，皆如合符。”可见该浑象基本能够正确反映天体运动实际情况，因而就能保持一定的报时精度。

　　张衡这台浑象还连接着一个叫作“瑞轮蓂荚”的装置，通过蓂荚的开合向人们显示具体的日期。所谓蓂荚，是传说中生长于唐尧时期的一种植物，它从朔望月的每月初一开始每天长出一荚，到第十五日共长出十五荚，从第十六日开始又每天落下一荚，到月底全全部落完，如果逢到小月，最后一荚就会只枯焦而不落下，因此它相当于一种天然日历。张衡把这种传说中的植物移植到水运浑象上去了，使之成了一种具有自动日历作用的机构。由此，张衡的水运浑象在某种程度上与现代带有日历的钟表是相似的。

　　张衡制造的水运浑象仪是现今见诸于记载的第一台用水力发动的天文仪器，对后代的影响很大。此后历代大多是在它的基础上发展出更复杂、更完善的天象表演仪器和天文钟的。三国时东吴的王蕃、葛衡，南北朝时期刘宋的钱乐之，梁代的陶弘景，隋代的耿询等，都模仿制作过水运浑象。

　　唐开元十三年，僧一行和梁令璜等人合作制成了水运浑天仪。浑天仪为铜质球形，球体浑象内列满了星宿，注水冲轮使它旋转，自转一周为一昼夜。外围安置两个圆环，上缀日月，每日西旋一周，日东行一度，经三百六十五日沿黄道(太阳在天球中的视运动轨道)移动一周为一年;月标每昼夜回转一周，经二十九日半沿白道(月球在天球中的视运动轨道)移动一周为一月。根据浑象上太阳的周日运动便可以得知当时的具体时刻。

　　这台水运浑天仪内部结构非常复杂，《新唐书·天文志》说它“皆于柜中各施轮轴，钩键关锁，交错相持”，这表明它使用了复杂的齿轮传动机构。《新唐书·天文志》还说它“立木人二于地平上，其一前置鼓以候刻，至一刻自击之;其一前置钟以候辰，至一辰自撞之”，说明它能够自动报出时刻和时辰。由以上可以知道，它的内部运转结构和报时方式是近代机械钟表的雏形。

　　宋代在水运浑天仪的制造方面又有了新的发展。

　　北宋太平兴国四年，民间天文学家张思训设计制作了一台浑象。《宋史·天文志一》详细记载了该浑象的结构及功能：“起楼高丈余，机隐于内，规天矩地。下设地轮、地足;又为横轮、侧轮、斜轮、定身关、中关、小关、天柱;七直神，左摇铃、右扣钟、中击鼓，以定刻数，每一昼夜周而复始;又以木为十二神，各直一时，至其时则自执辰牌，循环而出，随刻数以定昼夜短长……”

　　从上述记载来看，张思训所制浑象结构相当庞大，它的所有机械装置都隐藏在浑象里边。浑象用一个大圆球象征天，圆球的一半被矩形的外柜所遮蔽，柜子代表地。它所能表现的各种天体运行情况与一行、梁令璜的水运浑天仪相仿。

　　在报时系统上张思训又向前发展了一步，他用了七个木偶神像来摇铃、敲钟、击鼓，以音响信号报刻。同时又设计了十二个木偶神像，让它们分别抱着写有十二个时辰之一的时辰牌，每到一个时辰，抱有相应时辰牌的木偶神像就自动出现，直到下一时辰才消失，而抱有下一时辰牌的木偶神像则随之露面，这样周而复始，循环反复，只要看时辰牌就可以知道当时的时辰。这种将音响报时与时辰牌显示相结合的方法，既形象又直观，是张思训的首创。

　　此外，张思训还考虑了水的黏滞系数受温度变化影响而造成漏刻排水量不稳定的情况，他认为冬天气温低，水的黏滞性大，这就导致漏壶泄水速度下降，而浑象是用漏壶泄出的水带动的，这就容易造成其报时“寒暑无准”现象的发生。为了解决这一问题，他用水银代替水，取得了较好的效果。今天看来，水银黏滞系数受温度变化影响不大，气温低时也不易凝结，因此用水银代替水，应能取得好的效果。但水银易蒸发为汞蒸气，而汞蒸气对人体有害，加之用水银成本也比较高，因此后世浑象未再见有以水银为动力源的。

　　北宋元佑七年，吏部官员苏颂、韩公廉设计制造了一座规模宏大的水运仪象台，是一座兼测天体运行、演示天象变化和报告时辰为一体的巨型天文机械装置。苏颂还为这座水运仪象台写了《新仪象法要》，通过这部叙说详细、图文并茂的著作，可以大致了解该仪器的结构、原理和功能。

　　苏颂水运仪象台共分三层：上层安放浑仪，这是一种天文测量仪器，也可以用于测时;中层安放浑象，用于模拟天体运动情况;下层是报时系统。整座水运仪象台用一套漏壶中泄出的水作为动力，仪象台内部安装了复杂的机械传动装置，通过漏壶中泄出的水的推动，使浑象所演示的内容大致与实际天象符合，并通过下层的报时系统将相应的时间报出。

　　水运仪象台的报时系统相当完善，它被分为五部分，置于五层木阁之中。第一层用声响报时：在木阁上开了三扇门，左侧门内的木偶通过摇铃报告每个时辰的时初，右侧门内的木偶通过撞钟报告每个时辰的时正，中间门内的木偶则是用来报告刻数的，每到一刻，它就自动敲鼓。第二、三层木阁则通过木偶以时牌报时：第二层共安装了二十四个木偶，分别持有书写了十二个时辰的时初和时正的木牌，每到相应时间，手拿时牌的木偶就会出现在这层木阁的一扇小门内，使人一目了然;第三层木阁则安装了九十六个手持报刻牌的木偶，轮流出现在相应的小门内，报告当时的具体刻数。木阁的第四、五层则专门用来报告夜间时刻：第四层通过木偶敲钲报告更点，第五层则通过木偶手持夜时牌来报告具体的夜间时刻。苏颂水运仪象台不仅吸取了张思训浑象声响报时与时牌报时的长处，还增加了夜间报时，丰富了报时内容，这使其报时部分的功能更为完善，使用起来也更方便了。

　　苏颂仪象台用同一套漏壶中泄出的水构成水力驱动系统，包括提水、注水、回水机构和枢轮等部分，让水周而复始均匀流动，并驱动枢轮(原动轮)运转。全部齿轮从六个传动到六百个。枢轮直径十一尺(约3.4米)，顶部附设一组杠杆装置，相当于近代机械钟表中的擒纵轮机构，可控制枢轮作定速转动。

　　报时装置称昼夜机轮，由传动齿轮与所有报时齿轮和浑象关联，是五层木阁式建筑。木阁中有一百五十八个木人，分别定时打击着不同的乐器(钟、鼓、铃、钲)和抱着时辰木牌循环出入自动报时。

　　苏颂仪象台是世界上最早制成的融测时、守时和报时为一体的综合性授时

　　元代时，郭守敬制造出大明殿灯漏，它是一个外形像灯笼球、用水力推动的机械报时器，上面布置有能按时跳跃的动物模型(近代欧洲机械钟表上附加种种表演机械的做法，由此而来)。它整体分为机械传动结构和灯球两部分，报时的动力和齿轮系等构件全部“隐于柜中，以水激之”，动力机构与水运仪象相似。灯球部分较为复杂，共分四层，虽然没有演示星空运行的内容，但在第一层仍保留有日、月、参、辰周日运行的痕迹。第二层为“龙虎鸟龟之象”，每至一刻，动物模型分别跳跃，同时还以音响报时。第三、四层也是报时的机构，每至一个时辰就有手拿相应报时牌的木人出来通报，其形式也与水运浑象相类似，但配以不同音响，即采用分别敲击钟、鼓、钲、饶四种乐器来报告各个时刻的方法，比以往的报时器更为巧妙，更为完美。这是一台用漏壶中流出来的水驱动的纯粹的机械钟表。

　　在前代机械装置的基础上，明代出现了沙漏报时仪器。据《明史》记载：“明初，詹希元以水漏至严寒水冻辄不能行，故以沙代水。”沙漏是由沙池、斗轮(初轮)、减速齿轮和时刻显示四部分组成。沙池底部有一个小孔，用来贮放和漏出细沙。斗轮的周围均匀地分布着十六个沙斗，当沙池中漏出的细沙注入其中一个沙斗时，便会导致斗轮重心倾斜而转动，从而带动四对分别为六齿和三十六齿组成的减速齿轮组，第四个齿轮(中轮)的轴则穿出一只盘面刻有十二时辰和昼夜百刻标志的报时盘盘心，立轴上端装有指针，沙漏运行时，指针也就相对于报时盘而旋转。从沙池漏出的沙流推动斗轮经过齿轮减速组，使最后一只齿轮带动的指针在一天中恰好旋转一周。沙漏的轮与沙池皆藏在机腹，唯盘露出机面，两旁各立一黄衣童子，一击鼓，一鸣钲。这个沙漏除了动力系统外的大部分，已经与现代机械钟基本一致了。

　　至此，人类报时仪器的内部传动机械与外部报时方式(声响报时和指针报时)已经趋于完善，只要把水流或沙漏的动力产生方式改进为其它更稳定的方式(比如后来机械钟表的带簧(发条)或重锤方式)，就能够制造出体积更小、更便于携带的报时仪器了。

　　由于满清入关后对明朝档案、书籍的大规模禁毁、篡改，目前无法确知有明一代在报时仪器方面走到了哪一步，但可以确定的是，后来的“西洋挂钟、自鸣钟”以及“手表”，其技术原理都来自于水运仪象台和沙漏等报时仪器。现在一般把报时仪器称做“钟表”，“钟表”在“英文”中写作“clock”，其发音“刻漏刻”，显然它是根据“漏刻”及其另一个称呼“刻漏”而产生的。坦普尔在《中国：发现与发明的国度》(陈养正等译，21世纪出版社，第11页)中说“中国人忘记了，首先发明机械钟的正是他们自己”，这是正确的。