盤古沙漏及其演變

□鄧學(xué)忠

盤古沙漏及其演變

□鄧學(xué)忠

一、漏刻計(jì)量

沙漏，是漏刻的一種，因其測(cè)量介質(zhì)是沙而得名。漏刻，是中國(guó)古代最重要的時(shí)間計(jì)量器具之一。漏，是指盛水的漏壺或箭壺；刻，是刻度、箭刻，是指標(biāo)有時(shí)間（計(jì)量）單位刻度的標(biāo)尺。它是根據(jù)漏壺或箭壺中滴漏水量的變化來計(jì)量時(shí)間的。我國(guó)至今還保存有從西漢至清代的各種漏刻10余件（套）。

漏刻，在古代廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、天文觀測(cè)、軍事行刑、醫(yī)療衛(wèi)生、人民生活等。漏刻按其制造所用的材料分，有陶漏、銅漏、椰漏、玉漏、機(jī)械沙漏等；按其結(jié)構(gòu)形制分，有秤漏、浮漏、碑漏、宮漏、幾漏、盂漏、蓮花漏、輥彈刻漏、輪系沙漏；按其用途分，有田漏、司漏、醫(yī)漏、天文漏、行漏輿、馬上漏刻等；按其測(cè)量介質(zhì)分，有沙漏、水漏、香漏、燈漏等。漏刻在我國(guó)起源甚早 （公元前四五千年以前就出現(xiàn)了陶漏），考古發(fā)掘表明，在我國(guó)新石器時(shí)代早期，不少地方就已經(jīng)能制作陶器。盛水的陶器在使用過程中可能會(huì)因殘損而漏水。而水的流失與時(shí)間流逝有對(duì)應(yīng)關(guān)系，久而久之，古人便產(chǎn)生了用這種漏水的陶器計(jì)量時(shí)間的概念，于是就制造出了本文中的各種漏刻。梁代《漏刻經(jīng)》記載：“漏刻之作，蓋肇于軒轅之日，宣乎夏商之代?！薄端鍟ぬ煳闹尽酚涊d：“昔黃帝創(chuàng)觀漏水，制器取則，以分晝夜?！睋?jù)此，陶質(zhì)沙漏可能會(huì)更早，目前尚未見到關(guān)于早期陶質(zhì)沙漏方面的文獻(xiàn)記載和實(shí)物出土的報(bào)道。隨著社會(huì)的進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，時(shí)間計(jì)量已由遠(yuǎn)古時(shí)期的“漏沙計(jì)時(shí)”和“滴水計(jì)時(shí)”、機(jī)械沙漏，逐漸發(fā)展到當(dāng)今的機(jī)械時(shí)鐘、電子時(shí)鐘。目前，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究、設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度為 5×10-15s(即 5飛秒，相當(dāng)于走時(shí)600萬年不差1秒)、體現(xiàn)當(dāng)代國(guó)際領(lǐng)先科學(xué)技術(shù)水平的時(shí)間單位激光冷卻——銫原子噴泉時(shí)間頻率國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn) （原子鐘），2006年獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

二、盤古沙漏

盤古沙漏，顧名思義，就是盤古家族所使用的沙漏。相傳遠(yuǎn)古時(shí)期，在桐柏山下，淮河源頭，居住著盤古家族，盤古老人帶領(lǐng)著兒孫們?cè)谶@里開天辟地、創(chuàng)世興業(yè)、繁衍后代，曾用沙漏計(jì)時(shí)。據(jù)推測(cè)，盤古沙漏是一個(gè)圓筒狀上粗下細(xì)呈錐形、底部中心有一小細(xì)孔（泄沙口），且是整體無刻度、無箭尺、無量值的極限陶質(zhì)漏器。其使用方法，是將潔凈干燥的河沙裝滿沙漏的腔體內(nèi)，再用木平尺刮去高出受沙口面上多余的沙；使受沙口面呈水平狀態(tài)，然后打開下端的泄沙口，讓沙從該泄沙口自然緩緩下漏，至漏空止，為一個(gè)時(shí)間單元。因?yàn)槭欠沁B續(xù)性計(jì)量，所以如果需要繼續(xù)進(jìn)行，可再裝滿沙重復(fù)上述程序操作。

人類的計(jì)量活動(dòng)是用數(shù)值來表示事物的量。因此，最早的計(jì)量是在學(xué)會(huì)記數(shù)之后才開始的。由于生產(chǎn)和生活的需要，古代人們漸漸地對(duì)數(shù)和量有了初步認(rèn)識(shí)，并把它運(yùn)用到生產(chǎn)和生活中去，通過不斷地實(shí)踐，創(chuàng)造出了各種計(jì)量器具和計(jì)量方法，從而開展了最簡(jiǎn)單的比較式的計(jì)量活動(dòng)，如盤古沙漏就是其中之一，該沙漏屬非連續(xù)性單級(jí)泄沙型陶漏范疇。在當(dāng)時(shí)社會(huì)生產(chǎn)力十分低下、社會(huì)生活方式十分簡(jiǎn)單的情況下，對(duì)日以下時(shí)間計(jì)量單位的劃分，沒有必要也不可能做到精密、準(zhǔn)確和連續(xù)性進(jìn)行。所以，盤古沙漏當(dāng)時(shí)主要有兩方面的用途：一是用于夜間打更值班，沙漏腹腔內(nèi)的沙自然漏空一次，打一次更點(diǎn)，并依此輪流值更。二是掌握勞作和休息時(shí)間，沙漏腹腔內(nèi)的沙自然漏空一次，可作為一個(gè)勞作單元或休息單元，并可考核人們的勞作成果。這就是最古老的時(shí)間計(jì)量器具和時(shí)間計(jì)量方法。

盤古沙漏對(duì)其測(cè)量介質(zhì)河沙的選用，要求十分嚴(yán)格。在淮河源采集的沙，首先是去除過大和過小的沙粒，去除木屑和草渣；然后用河水將沙清洗干凈，除掉泥土和雜質(zhì)；最后曬干儲(chǔ)存?zhèn)溆?。使所用之沙始終保持潔凈、干燥、松散、不結(jié)團(tuán)、不掛壁，以利于沙流動(dòng)順暢，保證在當(dāng)時(shí)條件下的計(jì)量準(zhǔn)確性。

由于生產(chǎn)和生活經(jīng)驗(yàn)的積累，盤古家族不知延續(xù)了多少代，后使用田漏和各種漏刻計(jì)時(shí)。田漏主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，最早的歷史文獻(xiàn)記載是元代王禎在其所著的《農(nóng)書》中記載：“田漏，田家測(cè)景水器也?！薄稗r(nóng)家置此，以揆時(shí)計(jì)工，不可闕者?！薄按蠓厕r(nóng)作須待時(shí)氣，時(shí)氣既至，耕種耘籽。事在晷刻，茍或違之，時(shí)不再來。所謂寸陰可競(jìng)，分陰當(dāng)惜，此田漏之所以作也?！庇纱丝梢钥闯觯锫┡c盤古沙漏不同，一是田漏的測(cè)量介質(zhì)是水，而盤古沙漏的測(cè)量介質(zhì)是沙；二是自唐宋以后，田漏是農(nóng)家常用的時(shí)間計(jì)量器具。它以日晷或圭表來校驗(yàn)泄水壺中一晝夜流出的水量，與今日中午至明日中午圭表所示日影位置是否相合。它比陶質(zhì)沙漏有了很大進(jìn)步。盤古沙漏自黃帝始為水漏所替代，故曰“昔黃帝創(chuàng)觀漏水”。

三、五輪沙漏

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，盤古沙漏已由原始的陶質(zhì)沙漏、各種滴水漏刻逐漸演變?yōu)檩^先進(jìn)的五輪沙漏。五輪沙漏主要是運(yùn)用齒輪傳動(dòng)系，故五輪沙漏也叫機(jī)械沙漏。明初，詹希元設(shè)計(jì)制造了一種五輪沙漏。《明史·天文志》中記載：“明初，詹希元以水漏至嚴(yán)寒水凍輒不能行，故以沙代水。然沙行太疾，未協(xié)天運(yùn)，乃以斗輪之外復(fù)加四輪，輪皆三十六齒?！?/p>

根據(jù)水的性質(zhì)，詹希元認(rèn)識(shí)到，以水為測(cè)量介質(zhì)的各種漏刻的缺點(diǎn)，是在嚴(yán)冬季節(jié)，因水冰凍而不能流動(dòng)使漏刻無法正常運(yùn)行，故改制五輪機(jī)械沙漏。與其同時(shí)代的學(xué)者宋濂（1310—1381 年）在《五輪沙漏銘》（四部備要本《宋文憲公全集》卷四十七）中，對(duì)詹希元的五輪沙漏記述頗詳，其在序文中寫道：“沙漏之制，貯沙于池而注于斗。凡運(yùn)五輪焉。其初輪軸長(zhǎng)二尺有三寸，圍寸有五分，衡奠之。軸端有輪，輪圍尺有二寸八分，上環(huán)十六斗，斗廣八分，深如之。軸杪傅六齒。沙傾斗運(yùn)，其齒鉤二輪旋之。二輪之軸長(zhǎng)尺，圍如初輪，從奠之，輪之圍尺有五寸，輪齒三十六，軸杪亦傅六齒，鉤三輪旋之。三輪之圍軸與二輪同，其奠如初輪，軸杪亦傅六齒，鉤四輪旋之。四輪如三輪，唯奠與二輪同，軸杪亦傅六齒，鉤中輪旋之。中輪如四輪。余輪側(cè)旋，中輪獨(dú)平旋。軸崇尺有六寸，其杪不設(shè)齒，挺然上出，貫于測(cè)景盤。盤列十二時(shí)，分刻盈百。斫（音）木為日形，承以云麗于軸中。五輪犬牙相入，次第運(yùn)益遲。中輪日行盤一周，云腳之處則知為何時(shí)何刻也?！喤c沙池皆藏機(jī)腹，盤露機(jī)面。旁刻黃衣童子二，一擊鼓，二鳴鉦?！?/p>

根據(jù)以上記載，古代計(jì)量史學(xué)者對(duì)五輪沙漏的結(jié)構(gòu)進(jìn)行推想。因?yàn)楦鱾€(gè)小齒輪的齒數(shù)均為6，而二、三、四齒輪和中輪的齒數(shù)均為36，故每對(duì)齒輪的速度比均為6，整個(gè)齒輪傳動(dòng)系的速度比則為64，即1296。因此，每天測(cè)景盤（今稱示值盤、顯時(shí)盤或讀數(shù)盤）指針旋轉(zhuǎn)一周，初輪就應(yīng)旋轉(zhuǎn)1296周，即每小時(shí)旋轉(zhuǎn)54周。對(duì)于裝設(shè)沙斗的初輪而言，1.11分鐘轉(zhuǎn)一周（1分鐘轉(zhuǎn)0.9周）的速度是極為緩慢的，為此，沙池底部的漏孔必定得設(shè)計(jì)的極小，因而也就造成堵沙現(xiàn)象。公元16世紀(jì)學(xué)者周述學(xué)鑒此，對(duì)五輪沙漏做了改進(jìn)。《明史·天文志》載：“周述學(xué)病其竅太小，而沙易堙,乃更制為六輪。其五輪悉三十齒,而微裕其竅,運(yùn)行始與晷協(xié)?！边@段記載是說，周述學(xué)擔(dān)心沙池底部的漏孔太小易致堵沙而進(jìn)行改進(jìn)，使其值與日晷相一致。故使其每對(duì)齒輪的齒速比為5，五對(duì)齒輪組成的齒輪傳動(dòng)系的速度比為3125（即55），即初輪每小時(shí)旋轉(zhuǎn)130.21周（1分鐘旋轉(zhuǎn)2.17周）。這樣，漏孔擴(kuò)大了很多，流沙就不會(huì)堵塞了。由此可知，為了使沙能暢流，周述學(xué)將沙池底部的漏沙孔口徑適當(dāng)擴(kuò)大，又增加了一對(duì)減速齒輪，調(diào)整齒輪的速度比，使其與日晷的計(jì)時(shí)結(jié)果協(xié)調(diào)一致。故五輪沙漏便發(fā)展成為六輪沙漏了。

六輪沙漏的功能原理為：初輪周圍均勻分布著十六個(gè)沙斗，當(dāng)沙池中漏出的沙注入其中一個(gè)沙斗時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致斗輪重心傾斜而轉(zhuǎn)動(dòng)起來，從而帶動(dòng)四對(duì)由六齒和三十六齒組成的減速齒輪系。第四個(gè)齒輪（中輪）的軸則穿過一只盤面列有十二時(shí)辰和晝夜百刻標(biāo)示的測(cè)景盤（時(shí)刻顯示盤）的盤心，立軸上端裝有指針，沙漏運(yùn)行時(shí)，指針也就相對(duì)應(yīng)于測(cè)景盤面旋轉(zhuǎn)，從而讀出時(shí)刻。從沙池漏出的沙流推動(dòng)初輪，經(jīng)過減速齒輪系，使最后一只齒輪帶動(dòng)的指針在一天中恰好旋轉(zhuǎn)一周。沙漏“輪與沙池皆藏機(jī)腹，盤露機(jī)面。旁刻黃衣童子二，一擊鼓，二鳴鉦”。由此得知，此沙漏不僅可以從測(cè)景盤上直接讀出時(shí)刻，還可以分別用鼓、鉦的音響來報(bào)時(shí)。同時(shí)沙漏還將沙池、初輪等“皆藏機(jī)腹”內(nèi)，表面只有顯示時(shí)刻的測(cè)景盤，形式上更類似于近現(xiàn)代的機(jī)械鐘表。

從五輪沙漏的記述中得知，盤古沙漏與五輪沙漏的區(qū)別，一是前者以沙為測(cè)量介質(zhì)，后者以沙為動(dòng)力；二是前者為陶質(zhì)沙漏（無示值識(shí)讀裝置），后者為機(jī)械沙漏，類似后來的機(jī)械鐘表（有示值識(shí)讀裝置）；三是前者主要用于夜間打更值班和勞作計(jì)工，后者主要用于天文觀測(cè)和科學(xué)研究；四是結(jié)構(gòu)不同，前者為單腹腔陶質(zhì)，后者由沙池、初輪（斗輪）、齒輪、顯示盤四部分組成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

明末以后，具有中國(guó)特色的沙漏計(jì)時(shí)、水漏計(jì)時(shí)和機(jī)械沙漏計(jì)時(shí)就很少出現(xiàn)了。16世紀(jì)西方經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，其機(jī)械鐘表制造技術(shù)也日趨成熟。隨著意大利耶穌會(huì)傳教士的到來，西方先進(jìn)的機(jī)械鐘表制造工藝也就隨之進(jìn)入了中國(guó)，從而取代了具有中國(guó)特色的時(shí)間計(jì)量器具，并自清朝以后逐漸發(fā)展起了中國(guó)自己的鐘表制造業(yè)。

[1]戴念祖：《中國(guó)力學(xué)史》，河北教育出版社，1988年9月第1版。

[2]華同旭：《中國(guó)漏刻》，安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1991年2月第1版。

[3]戴念祖：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史·物理學(xué)卷》，科學(xué)出版社，2001年5月第1版。

[4]丘光明：《中國(guó)物理學(xué)史大系·計(jì)量史》，湖南教育出版社，2002年12月第1版。

[5]關(guān)增建等：《中國(guó)近現(xiàn)代計(jì)量史稿》，山東教育出版社，2005年10月第1版。

[6]《中國(guó)計(jì)量院2006-2009年獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)項(xiàng)目》，《中國(guó)計(jì)量》2010年第11期。

（作者單位 桐柏縣質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局）

[責(zé)任編輯 趙建春]