圭表作為中國古代最具代表性的天文測量儀器之一，其發(fā)展歷程貫穿了中華文明的數(shù)千年歷史。從新石器時代先民立桿測影的原始實踐，到商周時期制度化的土圭測影；從漢朝制作精密的銅表，到宋代暗室觀測的技術(shù)創(chuàng)新，直至元代四丈高表的巔峰突破，這一古老儀器的技術(shù)演進(jìn)不僅展現(xiàn)了中國古代天文學(xué)的漸進(jìn)式發(fā)展，更折射出中國古代天文學(xué)家對天文觀測精度的不懈追求。本文將系統(tǒng)梳理圭表測影技術(shù)從原始實踐到巔峰突破的演進(jìn)歷程，揭示其背后蘊含的科學(xué)原理與技術(shù)智慧。

左：夏至致日圖；右：紫金山天文臺明代銅圭表

01

立竿見影：原始測影方法的起源與實踐

中國先民對日影測量的起源時間目前尚未有明確結(jié)論，但考古發(fā)現(xiàn)表明這一傳統(tǒng)可追溯至新石器時代晚期。最早的日影觀測可能始于對自然標(biāo)志物的利用，后逐漸發(fā)展為使用專門儀器——表（即垂直豎立于地面的測影桿）。山西襄汾陶寺遺址（約公元前2100-前2000年）出土的一件殘長171.8厘米的漆木桿（編號ⅡM22∶43），經(jīng)學(xué)者研究被認(rèn)為是迄今發(fā)現(xiàn)最早的圭表實物，其功能可能為圭尺。該漆桿通體髹黑漆，表面分段飾以綠色和粉紅色漆帶，其中第1至11號色段總長39.9厘米（約合陶寺尺1.596尺），與《周髀算經(jīng)》所載“夏至影長一尺六寸”的記載高度吻合?？脊叛芯勘砻?，這件圭尺可能用于測定春分、秋分、夏至、冬至等重要節(jié)氣的日影長度。

大汶口文化陶尊及刻符

山西襄汾陶寺遺址出土的漆桿

這一時期的圭表技術(shù)尚處于萌芽階段，其核心測量方法可概括為“立桿測影”——在平整的地面垂直樹立木桿（表），通過觀測桿影變化來確定時間和方位。甲骨文中的“立中”一詞形象地反映了這種測量方式：“中”字形似帶繩子的木桿立于地面中心，通過測量木桿影長來判定方位和節(jié)氣。此外，圭表還用于都城選址?！吨芏Y》記載，周代設(shè)有“大司徒”一職專門負(fù)責(zé)圭表測影，“正日景（影），以求地中”，即通過測量日影來確定“地中”（理想的政治中心位置），為都城選址提供觀測依據(jù)。商周時期，圭表材質(zhì)由木質(zhì)發(fā)展為石質(zhì)，形制也逐漸規(guī)范化，但此時“表”（測影桿）與“圭”（測量影長的標(biāo)尺）仍為分體結(jié)構(gòu)，需組合使用。

左：刻有“立中”的甲骨卜辭拓片；右：甲骨文的“中”字

02

銅石之革：兩漢時期圭表制度的定型與演進(jìn)

春秋戰(zhàn)國至漢代是中國古代天文測量技術(shù)系統(tǒng)化發(fā)展的重要時期，其中圭表制度的定型最具里程碑意義。據(jù)漢代文獻(xiàn)《三輔黃圖》記載: “長安靈臺……有銅表，高八尺，長一丈三尺”，說明至少至漢代，圭表已經(jīng)定型，其標(biāo)準(zhǔn)形制為“表高八尺，圭長一丈三尺”。這一標(biāo)準(zhǔn)形制中，“表高八尺”的設(shè)計源于人體身高的參照，而“圭長一丈三尺”的規(guī)格則與實測數(shù)據(jù)密切相關(guān)：八尺表高在夏至?xí)r日影長約1.5尺，冬至?xí)r日影長達(dá)13尺，恰好與圭尺長度完美契合。這種經(jīng)過長期觀測實踐形成的比例關(guān)系，標(biāo)志著圭表技術(shù)從經(jīng)驗性使用向規(guī)范化測量的重要轉(zhuǎn)變。

漢代圭表技術(shù)呈現(xiàn)出三個顯著的發(fā)展特征：其一，材質(zhì)革新，出現(xiàn)了更為精密的銅質(zhì)圭表；其二，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，圭尺與表結(jié)為整體，如1965年江蘇儀征石碑村東漢墓出土的銅圭表（現(xiàn)藏南京博物院），其表高19.2厘米、圭長34.5厘米的尺寸，正是標(biāo)準(zhǔn)圭表十分之一的精確縮比模型；其三，測量方法改進(jìn)，《淮南子》記載的“雙表法”通過主表與游表的協(xié)同使用，在方位測定精度上實現(xiàn)了突破。這些技術(shù)進(jìn)步為后世天文觀測奠定了重要基礎(chǔ)。

左：東漢銅圭表；右：《淮南子》雙表定方位示意圖

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分影析微：宋代暗室主副表協(xié)同觀測的創(chuàng)新

宋朝堪稱中國古代天文儀器發(fā)展史上的黃金時期。在圭表技術(shù)演進(jìn)歷程中，自漢唐至宋初的千余年間，傳統(tǒng)圭表始終沿用單一表柱配合水平圭尺的基本結(jié)構(gòu)，其測量精度長期受到太陽半影效應(yīng)導(dǎo)致的日影邊緣模糊問題的制約。沈括通過雙重技術(shù)創(chuàng)新重構(gòu)了傳統(tǒng)觀測體系：其一，首創(chuàng)暗室觀測環(huán)境。將圭表置于特制密室之內(nèi)，頂部開設(shè)南北向狹縫光道，使日光透過狹縫投射于表端，此舉既有效抑制了環(huán)境散射光造成的日影虛化現(xiàn)象，又顯著提升了投影對比度；其二，創(chuàng)造性地在主表北側(cè)增設(shè)副表裝置。據(jù)記載，副表采用青銅鑄造，通高四寸，基座廣二寸，南端呈楔形漸縮。當(dāng)主表日影邊際出現(xiàn)半影干擾時，通過微調(diào)副表位置，利用其微小形體形成的本影區(qū)，可精準(zhǔn)消除半影帶對主表影長的判讀干擾。這一設(shè)計比元代郭守敬的“景符”早兩百年，體現(xiàn)了其對光學(xué)原理的深刻認(rèn)知，沈括的改進(jìn)使圭表測影精度進(jìn)一步得到提升。

沈括主副表測影示意圖

04

巨表觀天：元代高表景符裝置的巔峰之作

元朝將中國古代天文儀器技術(shù)推向最高水平，尤其在圭表測影領(lǐng)域達(dá)到空前精度。郭守敬對傳統(tǒng)圭表技術(shù)進(jìn)行了一系列革命性的創(chuàng)新，其中最具突破性的改進(jìn)包括：將傳統(tǒng)八尺表增高至四丈（現(xiàn)存的登封觀星臺就是實證），并創(chuàng)造性地發(fā)明“景符”裝置（一種可繞軸轉(zhuǎn)動的帶孔銅片），消除了半影干擾，使日影測量精度達(dá)到了毫米量級?；谶@些精確觀測數(shù)據(jù)，郭守敬測算出回歸年長度為365.2425日，這一成果比西方格里高利歷的采用提前了三百余年，他主持編訂的《授時歷》也因此成為當(dāng)時世界最精確的歷法。

郭守敬的技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下三個關(guān)鍵方面：

1. 表高革新：四丈高表的設(shè)計使日影長度較傳統(tǒng)八尺圭表增大至五倍，換算成八尺表的標(biāo)準(zhǔn)后，影長值讀數(shù)最小值相當(dāng)于八尺圭表的1/5，理論上可以把影長觀測精度提高至5倍；

2. 光學(xué)消影：創(chuàng)造性運用小孔成像原理，通過景符裝置有效過濾半影干擾，使得影緣清晰度達(dá)到前所未有的水平，提升了讀數(shù)精度；

3. 測量基準(zhǔn)優(yōu)化：將傳統(tǒng)的日體上邊影測量法革新為日面中心影測量法，使實測數(shù)據(jù)與歷法計算的軌道更加吻合，提高了測量準(zhǔn)確性。

這一系列系統(tǒng)性的技術(shù)創(chuàng)新，不僅使元代的圭表測影技術(shù)達(dá)到了古代世界的最高水準(zhǔn)，更彰顯了中國古代科學(xué)家卓越的儀器設(shè)計智慧、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和非凡的創(chuàng)新能力。

河南登封觀星臺

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結(jié)語

從原始木桿到四丈高表，圭表技術(shù)的三千年演進(jìn)歷程，不僅展現(xiàn)了中國古代科技發(fā)展的卓越成就，更為我們理解中華文明的科學(xué)精神和文化價值提供了寶貴的視角。今天，當(dāng)我們回望這件古老的測影儀器時，依然能感受到先民們對宇宙規(guī)律的不懈探索——正如《周易》所言：“觀乎天文，以察時變”，這正是中華文明生生不息的精神密碼。

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作者簡介

朱留斌

中國科學(xué)院紫金山天文臺科普與后勤中心主任。

輪值主編：袁 強

編輯：王科超

來源: 中國科學(xué)院紫金山天文臺微信公眾號