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世界计量日回顾中国古代计量器具之最

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  • 发布时间:2014/5/3 12:40:15
  • 作者:银河电气

世界计量日图标

 

  第十五个世界计量日来临之际,回顾中国古代度量衡,收集堪称世界之最的商代骨尺,栗氏量,商鞅方升, 新莽嘉量,新莽铜卡尺等古代度量衡标准器和漏刻、浑天仪等巧夺天工的古代计时器,与华夏子孙分享


World Metrology Day

一、世界计量日的来由

  1875年的5月20日,17个国家在法国巴黎签署了“米制公约”,这是一项在全球范围内采用国际单位制和保证测量结果一致的政府间协议。一百多年来,国际米制公约组织对保证国际计量标准的统一、促进国际贸易和加速科技发展发挥了巨大作用。1999年10月11~15日,第二十一届国际计量大会把每年的5月20日确定为世界计量日”(World Metrology Day) 。因此,2000年5月20日应该是第一个世界计量日。

  国际法制计量组织(OIML)在2001年OIML主席理事会上宣布,鼓励各国的国家计量机构利用5月20日世界计量日开展活动。“世界计量日”的确定,使人类对计量的认识跃上一个新的高度,也使计量对社会的影响进入一个新的阶段。因此,也有人认为2001年5月20日是第一个世界计量日。

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二、中国古代度量衡历史悠久

  计量在我国已有近5千年的历史。过去,计量在我国称为“度量衡”,其原义是关于长度、容量和质量的测量,其主要的计量器具是尺、斗、秤。
  史书记载,黄帝设立了度、量、衡、里、亩5个计量单位。
  大禹治水时,为了统一计量单位,大禹用自己的身高和体重分别作为长度和重量的标准。
  商代出土的象牙尺等分10寸,每寸刻10分,这证明早在公元前16世纪我国就已经用十进位制了
  到了战国时期,不仅广泛流传和应用了木工尺,而且已经能够制造铜尺了。并根据当时已掌握的力学原理,创造了原始的天平。秦国商鞅监造的铜方升,成为秦国统一量制的计量标准器。
  秦始皇统一度量衡,对度量衡计量器具加以定型化和制度化,促进了计量器具的规范化和标准化,从而奠定了我国古代计量科学技术的基础。
  随着社会的发展和科学技术的进步,它的概念和内容也在不断扩展和充实,远远超出“度量衡”的范畴。根据国家计量技术规范JJF1001-1998 《通用计量术语及定义》:计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。
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三、中国古代度量衡领先世界

1、最早的度量衡器具 商代骨尺

  河南安阳出土的商代(公元前1600~前1046年)骨尺是目前中国所见最早的测长工具。出土的商代骨尺的长度分别为16.95、15.78、15.8厘米,相当于中等身高者伸开拇指与食指之间的距离,是商代一尺长度之参考。尺面十等分刻度线表示寸,而寸再十等分为分。
布手知尺的原型 商代骨尺
图1 布手知尺的原型 商代骨尺

2、记载最早的度量衡标准器 栗氏量

  战国时期(公元前475~前211年)齐国制造的标准量器“栗氏量”,可谓应用了当时数学、物理学以及冶金等方面的最新成就而制造。栗氏量器已不存,但《考工记》中对栗氏量作了详细的叙述:
  “栗氏为量,改煎金锡则不耗,不耗然后权之,权之然后准之,准之然后量之,量之以为鬴〔fu釜〕,深尺,内方尺而圜其外,其实一鬴。其臀一寸,其实一豆。其耳三寸,其实一升。重一钧。其声中黄钟之宫。概而不税。其铭曰:‘时文思索,允臻其极,嘉量既成,以观四国,永启厥后,兹器维则’。”
  这段文字简要地阐述了制造标准量器的技术要求:铜量铸作的工艺过程、量器的形制、各器的规格、尺寸、容积以及校准的方法等。“金锡”是指青铜,即铜和锡的合金。古代度量衡器多用青铜制造。青铜冶炼精纯之后,便可以铸成量器。
  栗氏量包括鬴、豆、升三量,鬴是主体,呈圆筒形,深一尺,底面是边长为一尺的正方形外接圆。圈足深一寸,容一豆;两侧有耳,深三寸,容一升,即“以度审容”。
  栗氏量不仅有尺度、有容积,还要求有一定的重量,即“重一钧”,这样便可以从一件器物上得到度量衡三个单位的量值。根据《考工记》记载,第一步“权之”,把铜锡金属按比例熔炼成青铜合金,用天平称出它的重量m;第二步“准之”,用排水法求得青铜合金的体积v,从m和v可以求出其密度ρ(ρ=m/v);第三步“量之”,根据设计要求做出一定容量的量器模型,同样用排水法求得模型本身的体积。体积乘以密度则为此金属量器的重量。如果容量不符合设计要求,可以调节模型的厚薄,然后用模型翻砂成型,经过浇铸,修整成器,使它达到设计要求。这种用水来测定物质比重的方法与阿基米德所用方法同出一理,可是中国劳动人民用这种方法却比阿基米德至少早了一百多年

3、现存最早的以度审容的标准量器 商鞅方升

  商鞅方升在公元前344年设计制造,现藏上海博物馆。由于栗氏量已失传,商鞅方升是现存最早“以度审容”的标准量器。
现存最早的以度审容的标准器 商鞅方升
图2 现存最早的以度审容的标准器 商鞅方升
  商鞅方升内口长12.4774厘米,宽6.9742厘米,深2.323厘米,计算容积为202.15立方厘米,方升自铭16.2立方寸为一升,求得方升单位容积202.15÷16.2=12.478立方厘米/立方寸,可折算一寸长公式 =2.32厘米,一尺合23.2厘米。反之如果长度确定了下来,容量也随时可以得到。用“以度审容”的方法便于复现标准容量以推广统一的量值。这些都足以说明当时制定单位制已具有很高的科学性。

4、中国古代计量史瑰宝 新莽嘉量

  白居易的放言五首第三首“周公恐惧流言日,王莽谦恭下士时,假使当年身便死,一生真伪有谁知!”可谓妇孺兼知!然而,多数人只知道王莽是篡位的“巨奸”,却不知王莽在中国计量史上留下的民族瑰宝——新莽嘉量
  新莽有如刘汉,意指王莽建立的新朝,嘉量意为古代标准器。新莽嘉量是王莽新朝时期建立的古代标准器。新莽嘉量制作于公元九年。
  新莽嘉量的制作材料是铜,因此,又称新莽铜嘉量,新莽嘉量外形似一个容器,由刘歆依据《考工记》中对栗氏量记载的基础上的再创造,又称刘歆铜斛。今藏台北故宫博物院。
新莽嘉量及铭文
图3 新莽嘉量及铭文
  新莽嘉量是一件包括了律、度、量、衡四个量的标准器:方尺、深尺是指“度”;容一鬴是指“量”;重一钧是指“衡”;声中黄钟之宫是指“律”。
  新莽嘉量包括了龠、合、升、斗、斛这五个容量单位,即上为斛,下为斗,左耳为升,右耳为合、龠。每一个量又有详细的分铭,记录了各器的径、深、底面积和容积。
  新莽嘉量以斛量为主体, 圈足为斗量, 左耳为升, 右耳上为合, 下为禽量。外壁正面有81字总铭, 背面分别刻解、斗、升、合、禽量之径、深和容积。这样在一器之上不但可以直接测得个容量单位的量值, 而且可以通过对径、深各个部位的测量, 得到精确的计算容积, 从而推算出当时的标准尺度。由“其重二钧”,称其总重, 还可以得到重量之标准值。
  新莽嘉量的正面有一段铭文:“黄帝初祖,德币于虞。虞帝始祖,德币于新。岁在大梁,龙集戊辰。戊辰直定,天命有民。据土德受,正号既真。改正建丑,长寿隆崇。同律度量衡,稽当前人。龙在己巳,岁次实沉。初班天下,万国永遵。子子孙孙,享传亿年。”铭文方正小篆,结构舒展挺拔,风格典雅俏丽,结构上紧下松,特别是下部夸张的拖长极具装饰性,这种写法对于后代书法有较大的影响,魏晋时期官印、私印中使用的悬针篆就是直接来自于这类铭文书法,清代杨沂孙、近代齐白石等人的篆书也受它的影响。
新莽嘉量制作准确,刻铭详尽,在中国度量衡史上占有重要地位。大约800年后,伟大的数学家祖冲之曾以新莽嘉量验证圆周率。近代著名学者王国维先生赞誉新莽嘉量为“旷世瑰宝”。

5、世界上最早的游标卡尺 新莽铜卡尺

  新莽铜卡尺是王莽建立的古代计量标准器之一,制作于公元九年。新莽铜卡尺于1992年5月在扬州市邗江县甘泉乡出土。现收藏扬州市博物馆藏。尺通长13.3厘米,固定卡爪长5.2厘米、宽0.9厘米、厚0.5厘米。 新莽铜卡尺外形酷似游标卡尺!
外形酷似现代游标卡尺的新莽铜卡尺
图4 外形酷似现代游标卡尺的新莽铜卡尺
  新莽铜卡尺比欧美科学家发明的游标卡尺整整早了1700余年,新莽铜卡尺的出土,纠正了世人过去认为游标卡尺乃是欧美科学家发明的观念
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四、巧夺天工的中国古代计时器

  中国古代将计量称为度量衡,上一节商代骨尺栗氏量商鞅方升新莽嘉量新莽铜卡尺均为古代的度量衡标准器。事实上,计量的概念远远不至于度量衡。中国古代对另一个重要的标准量——时间也有非常深入的研究,其时间标准器的制作水平堪称巧夺天工!
  人类最早使用的计时器是利用太阳的射影长短和方向来判断时间的。前者称为圭表,用来测量日中时间、定四季和辨方位;后者称为日晷,用来测量时间。殷商时期(公元前1300~前1027年)的甲骨文,已有圭表的记载。确切记载使用圭表的时间为公元前659年。圭表和日晷在阴天或夜间就失去效用,为此人们又发明了沙漏等计时仪器。此外,还有采用机械传动结构计时的浑天仪水运仪象台等。

1、领先欧洲1700年的中国古代计时器 漏刻

  漏刻是中国古代重要的计时工具。漏,指漏壶;刻,指箭刻,即由漏壶水面的高低,通过箭刻的标度来标示时间。漏刻的历史不仅古老,而且经历了漫长的发展历程,几乎始于新石器后期一直应用至清代。至今保存最早的漏刻,是西汉时制造的。东汉时,张衡改单壶为双壶,改沉箭为浮箭。为了尽量保持漏壶水量基本不变,水滴受水壶速度均匀,从而提高计时器精度,后来经过不断改进,漏壶多至三级、四级,以三级漏使用最为广泛。右图为公元前27年的西汉漏刻
  中国的漏刻,在很长的历史时期内,一直是世界上最精确的计时器。经考证大约在西汉中期的中国漏刻的计时精确度比14世纪欧洲的机械钟还高。东汉以后,漏刻的日误差大多在20秒以内。采用百分数表示,计时器精度约0.02%!欧洲直到18世纪机械钟的精确度才开始超过漏刻。
公元前27年的西汉漏刻
图5 公元前27年的西汉漏刻

2、世界上最早的计时器 圭表

  一年365天,24节气,古人何以得知?
  这要得益于圭表,圭表的基本原理是测定正午的日影长度确定24节气、回归年或阳历年。
  三千年前,西周丞相周公旦在河南登封县建设的圭表,是世界上最早的计时器。春秋时代使用圭表测量并计算出回归年的长度。1279年前后,元代杰出天文学家郭守敬建造的河南登封观星台是中国现存最早的古代天文台。整个观星台相当于一个测量日影的圭表。
河南登封观星台 大型圭表
图6 河南登封观星台 大型圭表
  在很长一段历史时期内,我国所测定的回归年数值的准确度居世界第一!
3、中国发明誉享世界的张衡浑天仪
  浑天仪是浑仪和浑象总称,浑仪是测量天体球面坐标的一种仪器,而浑象是古代用来演示天象的仪表。
  浑天仪由东汉张衡发明,浑天仪制成之后,人们希望张衡公开演示一下。一天晚上,张衡把来观看的人分成两部分,一部分登上灵台顶观看天空,一部分人留在 "密室"观看浑天仪滇示。演示开始后。张衡让 "密室"的人报告从浑天仪上看到的星星出没的情况,让灵台上的人根据报唱的情况寻找天空中相应星星的位置。结果,人们惊奇地发现,天体星空中的位置与浑天仪演示的情况完全一致,人们无不赞叹浑天仪的精巧和张衡的才智。
东汉张衡与其发明的浑天仪
图7 东汉张衡与其发明的浑天仪
  唐代的一行和梁令瓒,宋代苏颂和韩公廉等人,把浑象和自动极时装置结合起来,发展成为世界上最早的天文钟
  百度百科对于浑天仪有这样的描述:“西方的浑天仪最早由埃拉托色尼于公元前255年发明。葡萄牙国旗上画有浑仪。自马努埃一世起浑天仪成为该国之象征。”
  这段文字有必要更正:
  首先,埃拉托色尼(埃拉托斯特尼)是希腊数学家、地理学家、历史学家、诗人、天文学家。埃拉托斯特尼的贡献主要是设计出经纬度系统,计算出地球的直径。其于公元前255年发明的是浑仪,只是浑仪的一部分,不是浑天仪!(参见维基百科_埃拉托斯特尼)关于浑仪,我国上古时代就有记载。《书•舜典》:“在璿玑玉衡,以齐七政。” 孔 传:“玑,衡,王者正天文之器。” 孔颖达 疏引 蔡邕 曰:“玉衡长八尺,孔径一寸,下端望之以视星辰。盖悬玑以象天而衡望之。” 北魏 郦道元《水经注•河水一》:“玉衡常理,顺九天而调阴阳。” 清 纳兰性德《自鸣钟赋》:“尔其外之可见者,加尺茎于图上,俨窥天之玉衡,譬 夸父 之逐日。” 文中所说玉衡,就是浑仪,远远早于公元前255年!
  其次,马努埃一世(曼努埃尔一世)生于1469年5月31日,卒于1521年2月13日,葡萄牙国旗采用了浑仪(不是浑天仪)只是说明葡萄牙乃是航海国家,并不能表明浑仪乃葡萄牙发明。

  华夏五千年文化,远非西方文明可比,浑天仪是中国古代重大发明之一,由东汉张衡所发明,这是毋庸置疑的事实。而张衡发明的浑天仪,其科学意义及对后世的影响,更非西方国家同时期的浑仪及其后的浑天仪可比拟!

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