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
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。
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。
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。
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。
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。
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
＝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。
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！
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。
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)明了漏刻和沙漏等計時儀器。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。
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。
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。
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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