中国古代钦天监是干什么的?
钦天监,官职不大,但特有话语权。挑选良辰吉日、判断天象凶吉等等,钦天监说了算。能在皇上耳朵边吹风,关键是皇上还特别相信,简直就是宫斗必备利器。
人类对宇宙的探索,起源于对天象的观测,再利用观察到的天象制作节气、历法,进行祭祀、占卜等。钦天监就是干这活的。封建社会科学知识不发达,人们(包括皇帝)比较迷信,赋予一些无法解释的天象以凶或吉。由于跟祭祀占卜有关,显得这个部门的人有些像“神棍”。
▲北京古观象台内牌匾:观象授时
01 时间的测量工具
农耕文明,日出而作,日落而息。时间的测量上,最初的需求,不是一天当中的早晚,而是一年当中的节气。不同的节气从事不同的劳作,比如“清明前后,种瓜种豆”。所以最早的测量时间的工具,是用来测量节气的圭表。
▲圭表
这个东东怎么用?简单来说,“圭”南北趴着,“表”立于圭的南侧。正午时表的影子落在圭上,一年当中,冬至时影子最长,夏至时影子最短。
▲圭表原理
据说(不知道谁说的),伏羲的先天八卦就是由一年当中的影子长短延伸创作而来。老祖宗这方面着实的厉害。
▲二十四节气与八卦图
时代在发展,社会在进步,需求在变化。
大明召集学生上课,总得定个点吧。于是乎,人们发明了一个非常精密的计时工具—日晷(据说是古巴比伦传入中国)。
▲日晷
大明:小明,来来来,观察一下。一圈代表多长时间?正午时影子在哪里?晷针和晷面位置关系?晷面是竖直放置的吗?
小明:一圈代表24小时,正午时影子在正下方,晷针垂直于晷面,晷面是斜着放的。咦?为啥要斜着放呢?直接平放到地面上不好吗?
大明:不好,怕晷针扎脚。
能让你拿出去显摆的知识来了:赤道式日晷,晷针指向北极星(平行于地轴);晷面平行于赤道面;晷面向南倾斜(北半球),与地面夹角为90°-当地纬度。上面三句话,是一个意思,可把晷面想象为一个压扁的只剩赤道面的地球。等你地理学好了,就会明白其中的原理。
▲赤道式日晷放置示意图
所以,晷面的两面都有刻度(春分→秋分观察正面,即朝北的一面,秋分→春分观察反面)。
▲赤道式日晷的背面也有刻度
时代仍在发展,社会仍在进步,需求在变化。
比如大明召集学生上晚自习,约定时间时,日晷就不能用了(日晷上半圈的刻度,其实没啥用)。于是乎,人们发明了另一个计时工具来配合日晷使用—月晷漏刻。这是第一个摆脱利用天象计时的工具。
▲漏刻,时间单位“刻”源于此物
随着箭壶(下面接水的内个)内收集的水逐渐增多,木块托着箭杆也慢慢地往上浮,古人看箭杆上的标记,就能知道具体的时刻。
但是漏壶内的水多时流水较快,水少时流水就慢,显然会影响计量时间的精度。为了得到均匀水流,使用了多级受水壶。
▲漏刻plus
时代仍在发展,社会仍在进步,需求在变化。
张衡(78年~139年)在前人制造浑象的基础上,巧妙地结合漏刻,制作了第一架水运浑象。浑象上画有二十八宿和各种恒星,还有赤道圈、黄道圈及二十四节气等,每日均匀地绕轴旋转一周,自动地把天象演示出来。这大概是第一个机械自动化报时+“全屏”显示天象的装置。
可惜的是,就像地动仪一样,张衡制造的浑象已经失传。
▲南京紫金山天文台的浑象
到这里,我的膝盖又开始给大佬跪下了。即使让我穿越回去,我也做不出这个来。
然而,我还是低估老祖宗们的能力。北宋的苏颂(1020年12月-1101年6月)主持建造的水运仪象台,是机械钟的老祖。啥也不说了,直接上视频。
时代还是在发展,社会还是在进步,需求还是在变化。
1582~1583年,意大利物理学家和天文学家伽利略(比萨斜塔扔铁球的那位大佬)发现了摆的等时性。1657年,荷兰物理学家和天文学家惠更斯(牛顿众多battle对象之一)利用摆的等时性原理发明了摆钟。
▲需要上发条的摆钟
1928年,贝尔电话实验室的研究人员沃伦·马里森利用石英晶体在电路中能够产生频率稳定震动的特性,制造出了第一座石英钟。
▲需要装电池的石英钟
在运动场和实验室,经常用停表来测量时间。
▲机械停表和电子停表
02 时间的单位
同一个地球,同一个梦想天象,古代各个国家关于“一天”的定义是一致的:地球自转一周为一天(日)。然后把一天分成24份,每份是1小时(h),再把1小时分成60份,每份是1分钟(min),再把1分钟分成60份,每份是1秒(second)。至此,我们时间的国际标准单位-秒,终于出现了。他们之间的换算关系是:1h=60min=3 600s
小明:为啥把一天分成24小时啊?不零不整的。
大明:挺零的啊
小明:…………
大明:这事得赖古埃及人,他们喜欢用大拇指数另外四根指头的关节,一只手就是12,两只手就是24。
小明:好奇怪。
大明:其实吧,数十根手指头的10进制,也很奇怪。
▲十二进制
小明:那小时、分、秒之间的换算关系,难道是因为60进制?
大明:bingo!你猜对了。60进制源于古巴比伦。
▲六十进制
其实在中国古代,不仅有12时辰制,还有10时辰制、百刻制等。24小时制传入中国,为了相对应,把原来的12时辰称为时或者大时,新来的hour就这样被称为小时。也为了相对应,一百刻被减了四刻变成九十六刻,每个时辰八刻,每小时四刻,每刻15分钟。
▲让人闻风丧胆的“午时三刻”
1秒虽然短,但人家也是有小弟的:毫秒(ms)、微秒(μs)。他们和秒的换算关系,就回归正常了:1s=103ms=106μs。
跟长度的单位类似,为了追求精确,对1s的定义也在不断更新:
1960年,第11届国际计量大会通过:自历书时1900年1月1日12时起算的回归年的31 556 925.9747分之一为一秒
1967年,第13届国际计量大会通过:铯133原子振动9 192 631 770次所需的时间定义为1s。
知识点总结(图片版,可保存)
结尾语:天象的观测,涉及到天文学、数学、物理学、机械原理等知识,一些仪器已经失传或发明者不可考,但负责这项工作的官员中,涌现了一批科技大佬:西汉的司马迁、东汉的张衡、唐代的李淳风、北宋的沈括、元代的郭守敬、明代的刘伯温、清代的汤若望、南怀仁等等。(大明老师是跪着敲完的这些大佬的名字的)。
今天的信息量有点大,介绍中国古代的科技产品,太兴奋,没hold住。看在老祖宗们的份上,今天的劳动内容由做题变为:点赞。