世界計(jì)量日回顧中國(guó)古代計(jì)量器具之最
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- 發(fā)布時(shí)間：2014/5/3 12:40:15
- 作者：銀河電氣
第十五個(gè)世界計(jì)量日來(lái)臨之際，回顧中國(guó)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(biāo)準(zhǔn)器和漏刻、渾天儀等巧奪天工的古代計(jì)時(shí)器，與華夏子孫分享。
一、世界計(jì)量日的來(lái)由
1875年的5月20日，17個(gè)國(guó)家在法國(guó)巴黎簽署了“米制公約”，這是一項(xiàng)在全球范圍內(nèi)采用國(guó)際單位制和保證測(cè)量結(jié)果一致的政府間協(xié)議。一百多年來(lái)，國(guó)際米制公約組織對(duì)保證國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一、促進(jìn)國(guó)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(guó)際計(jì)量大會(huì)把每年的5月20日確定為世界計(jì)量日”(World Metrology Day) 。因此，2000年5月20日應(yīng)該是第一個(gè)世界計(jì)量日。
國(guó)際法制計(jì)量組織（OIML）在2001年OIML主席理事會(huì)上宣布，鼓勵(lì)各國(guó)的國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)利用5月20日世界計(jì)量日開(kāi)展活動(dòng)?！笆澜缬?jì)量日”的確定，使人類對(duì)計(jì)量的認(rèn)識(shí)躍上一個(gè)新的高度，也使計(jì)量對(duì)社會(huì)的影響進(jìn)入一個(gè)新的階段。因此，也有人認(rèn)為2001年5月20日是第一個(gè)世界計(jì)量日。
二、中國(guó)古代度量衡歷史悠久
計(jì)量在我國(guó)已有近5千年的歷史。過(guò)去，計(jì)量在我國(guó)稱為“度量衡”，其原義是關(guān)于長(zhǎng)度、容量和質(zhì)量的測(cè)量，其主要的計(jì)量器具是尺、斗、秤。
史書(shū)記載，黃帝設(shè)立了度、量、衡、里、畝5個(gè)計(jì)量單位。
大禹治水時(shí)，為了統(tǒng)一計(jì)量單位，大禹用自己的身高和體重分別作為長(zhǎng)度和重量的標(biāo)準(zhǔn)。
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(jì)我國(guó)就已經(jīng)用十進(jìn)位制了。
到了戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，不僅廣泛流傳和應(yīng)用了木工尺，而且已經(jīng)能夠制造銅尺了。并根據(jù)當(dāng)時(shí)已掌握的力學(xué)原理，創(chuàng)造了原始的天平。秦國(guó)商鞅監(jiān)造的銅方升，成為秦國(guó)統(tǒng)一量制的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。
秦始皇統(tǒng)一度量衡，對(duì)度量衡計(jì)量器具加以定型化和制度化，促進(jìn)了計(jì)量器具的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，從而奠定了我國(guó)古代計(jì)量科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。
隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，它的概念和內(nèi)容也在不斷擴(kuò)展和充實(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“度量衡”的范疇。根據(jù)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1001-1998 《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》：
計(jì)量是實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動(dòng)。
三、中國(guó)古代度量衡領(lǐng)先世界
1、最早的度量衡器具 商代骨尺
河南安陽(yáng)出土的商代（公元前1600～前1046年）骨尺是目前中國(guó)所見(jiàn)最早的測(cè)長(zhǎng)工具。出土的商代骨尺的長(zhǎng)度分別為16.95、15.78、15.8厘米，相當(dāng)于中等身高者伸開(kāi)拇指與食指之間的距離，是商代一尺長(zhǎng)度之參考。尺面十等分刻度線表示寸，而寸再十等分為分。
圖1 布手知尺的原型 商代骨尺
2、記載最早的度量衡標(biāo)準(zhǔn)器 栗氏量
戰(zhàn)國(guó)時(shí)期（公元前475～前211年）齊國(guó)制造的標(biāo)準(zhǔn)量器“栗氏量”，可謂應(yīng)用了當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)、物理學(xué)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(duì)栗氏量作了詳細(xì)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(zhǔn)之，準(zhǔn)之然后量之，量之以為鬴〔fu釜〕，深尺，內(nèi)方尺而圜其外，其實(shí)一鬴。其臀一寸，其實(shí)一豆。其耳三寸，其實(shí)一升。重一鈞。其聲中黃鐘之宮。概而不稅。其銘曰：‘時(shí)文思索，允臻其極，嘉量既成，以觀四國(guó)，永啟厥后，茲器維則’?！?/span>
這段文字簡(jiǎn)要地闡述了制造標(biāo)準(zhǔn)量器的技術(shù)要求：銅量鑄作的工藝過(guò)程、量器的形制、各器的規(guī)格、尺寸、容積以及校準(zhǔn)的方法等。“金錫”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(zhǎng)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(gè)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(zhǔn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(guò)澆鑄，修整成器，使它達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這種用水來(lái)測(cè)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(guó)勞動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)量器 商鞅方升
商鞅方升在公元前344年設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)量器。
圖2 現(xiàn)存最早的以度審容的標(biāo)準(zhǔn)器 商鞅方升
商鞅方升內(nèi)口長(zhǎng)12.4774厘米，寬6.9742厘米，深2.323厘米，計(jì)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(zhǎng)
＝2.32厘米，一尺合23.2厘米。反之如果長(zhǎng)度確定了下來(lái)，容量也隨時(shí)可以得到。用“以度審容”的方法便于復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)容量以推廣統(tǒng)一的量值。這些都足以說(shuō)明當(dāng)時(shí)制定單位制已具有很高的科學(xué)性。
4、中國(guó)古代計(jì)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(shí),假使當(dāng)年身便死,一生真?zhèn)斡姓l(shuí)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(guó)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)器。新莽嘉量是王莽新朝時(shí)期建立的古代標(biāo)準(zhǔn)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(gè)容器，由劉歆依據(jù)《考工記》中對(duì)栗氏量記載的基礎(chǔ)上的再創(chuàng)造，又稱劉歆銅斛。今藏臺(tái)北故宮博物院。
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(gè)量的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)容量單位，即上為斛，下為斗，左耳為升，右耳為合、龠。每一個(gè)量又有詳細(xì)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(cè)得個(gè)容量單位的量值, 而且可以通過(guò)對(duì)徑、深各個(gè)部位的測(cè)量, 得到精確的計(jì)算容積, 從而推算出當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)尺度。由“其重二鈞”，稱其總重, 還可以得到重量之標(biāo)準(zhǔn)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(hào)既真。改正建丑，長(zhǎng)壽隆崇。同律度量衡，稽當(dāng)前人。龍?jiān)诩核?，歲次實(shí)沉。初班天下，萬(wàn)國(guó)永遵。子子孫孫，享傳億年?！便懳姆秸∽?結(jié)構(gòu)舒展挺拔,風(fēng)格典雅俏麗,結(jié)構(gòu)上緊下松,特別是下部夸張的拖長(zhǎng)極具裝飾性，這種寫(xiě)法對(duì)于后代書(shū)法有較大的影響，魏晉時(shí)期官印、私印中使用的懸針篆就是直接來(lái)自于這類銘文書(shū)法，清代楊沂孫、近代齊白石等人的篆書(shū)也受它的影響。
新莽嘉量制作準(zhǔn)確，刻銘詳盡，在中國(guó)度量衡史上占有重要地位。大約800年后，偉大的數(shù)學(xué)家祖沖之曾以新莽嘉量驗(yàn)證圓周率。近代著名學(xué)者王國(guó)維先生贊譽(yù)新莽嘉量為“曠世瑰寶”。
5、世界上最早的游標(biāo)卡尺 新莽銅卡尺
新莽銅卡尺是王莽建立的古代計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器之一，制作于公元九年。新莽銅卡尺于1992年5月在揚(yáng)州市邗江縣甘泉鄉(xiāng)出土?，F(xiàn)收藏?fù)P州市博物館藏。尺通長(zhǎng)13.3厘米，固定卡爪長(zhǎng)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(biāo)卡尺！
圖4 外形酷似現(xiàn)代游標(biāo)卡尺的新莽銅卡尺
新莽銅卡尺比歐美科學(xué)家發(fā)明的游標(biāo)卡尺整整早了1700余年，新莽銅卡尺的出土，糾正了世人過(guò)去認(rèn)為游標(biāo)卡尺乃是歐美科學(xué)家發(fā)明的觀念。
四、巧奪天工的中國(guó)古代計(jì)時(shí)器
中國(guó)古代將計(jì)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(biāo)準(zhǔn)器。事實(shí)上，計(jì)量的概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)不至于度量衡。中國(guó)古代對(duì)另一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)量——時(shí)間也有非常深入的研究，其時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)器的制作水平堪稱巧奪天工！
人類最早使用的計(jì)時(shí)器是利用太陽(yáng)的射影長(zhǎng)短和方向來(lái)判斷時(shí)間的。前者稱為圭表，用來(lái)測(cè)量日中時(shí)間、定四季和辨方位；后者稱為日晷，用來(lái)測(cè)量時(shí)間。殷商時(shí)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(shí)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)明了漏刻和沙漏等計(jì)時(shí)儀器。此外，還有采用機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)計(jì)時(shí)的渾天儀、水運(yùn)儀象臺(tái)等。
1、領(lǐng)先歐洲1700年的中國(guó)古代計(jì)時(shí)器 漏刻
漏刻是中國(guó)古代重要的計(jì)時(shí)工具。漏，指漏壺；刻，指箭刻，即由漏壺水面的高低，通過(guò)箭刻的標(biāo)度來(lái)標(biāo)示時(shí)間。漏刻的歷史不僅古老，而且經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程，幾乎始于新石器后期一直應(yīng)用至清代。至今保存最早的漏刻，是西漢時(shí)制造的。東漢時(shí)，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(jì)時(shí)器精度，后來(lái)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，漏壺多至三級(jí)、四級(jí)，以三級(jí)漏使用最為廣泛。右圖為公元前27年的西漢漏刻。
中國(guó)的漏刻，在很長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)，一直是世界上最精確的計(jì)時(shí)器。經(jīng)考證大約在西漢中期的中國(guó)漏刻的計(jì)時(shí)精確度比14世紀(jì)歐洲的機(jī)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?jǐn)?shù)表示，計(jì)時(shí)器精度約0.02%！歐洲直到18世紀(jì)機(jī)械鐘的精確度才開(kāi)始超過(guò)漏刻。
圖5 公元前27年的西漢漏刻
2、世界上最早的計(jì)時(shí)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(cè)定正午的日影長(zhǎng)度確定24節(jié)氣、回歸年或陽(yáng)歷年。
三千年前，西周丞相周公旦在河南登封縣建設(shè)的圭表，是世界上最早的計(jì)時(shí)器。春秋時(shí)代使用圭表測(cè)量并計(jì)算出回歸年的長(zhǎng)度。1279年前后，元代杰出天文學(xué)家郭守敬建造的河南登封觀星臺(tái)是中國(guó)現(xiàn)存最早的古代天文臺(tái)。整個(gè)觀星臺(tái)相當(dāng)于一個(gè)測(cè)量日影的圭表。
圖6 河南登封觀星臺(tái) 大型圭表
在很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期內(nèi)，我國(guó)所測(cè)定的回歸年數(shù)值的準(zhǔn)確度居世界第一！
3、中國(guó)發(fā)明譽(yù)享世界的張衡渾天儀
渾天儀是渾儀和渾象總稱，渾儀是測(cè)量天體球面坐標(biāo)的一種儀器，而渾象是古代用來(lái)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(kāi)演示一下。一天晚上，張衡把來(lái)觀看的人分成兩部分，一部分登上靈臺(tái)頂觀看天空，一部分人留在 "密室"觀看渾天儀滇示。演示開(kāi)始后。張衡讓 "密室"的人報(bào)告從渾天儀上看到的星星出沒(méi)的情況，讓靈臺(tái)上的人根據(jù)報(bào)唱的情況尋找天空中相應(yīng)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(wú)不贊嘆渾天儀的精巧和張衡的才智。
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(dòng)極時(shí)裝置結(jié)合起來(lái)，發(fā)展成為世界上最早的天文鐘。
百度百科對(duì)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(guó)旗上畫(huà)有渾儀。自馬努埃一世起渾天儀成為該國(guó)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(xué)家、地理學(xué)家、歷史學(xué)家、詩(shī)人、天文學(xué)家。埃拉托斯特尼的貢獻(xiàn)主要是設(shè)計(jì)出經(jīng)緯度系統(tǒng)，計(jì)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?jiàn)維基百科_埃拉托斯特尼）關(guān)于渾儀，我國(guó)上古時(shí)代就有記載?！稌?shū)?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(dá) 疏引 蔡邕 曰：“玉衡長(zhǎng)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(yáng)?！?清 納蘭性德《自鳴鐘賦》：“爾其外之可見(jiàn)者，加尺莖于圖上，儼窺天之玉衡，譬 夸父 之逐日?！?文中所說(shuō)玉衡，就是渾儀，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guó)旗采用了渾儀（不是渾天儀）只是說(shuō)明葡萄牙乃是航海國(guó)家，并不能表明渾儀乃葡萄牙發(fā)明。
華夏五千年文化，遠(yuǎn)非西方文明可比，渾天儀是中國(guó)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(shí)。而張衡發(fā)明的渾天儀，其科學(xué)意義及對(duì)后世的影響，更非西方國(guó)家同時(shí)期的渾儀及其后的渾天儀可比擬！
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