正方位、定节气的圭表

远古时，人们就意识到太阳运行与时间的关系，并尝试找出其中的联系。当他们发现地上的影子会随着太阳在天空的运行轨迹而出现长短变化时，一个大胆的设想由此产生：能不能通过测量影子的长度来确定时间呢？

起初，人们把一根竿子直立在平地上，用尺子去测量它的影子长度。后来人们发现，每到正午时竿影总会投射在正北方。于是，他们就想了个“偷懒”的法子：在长方形石板上刻或画上刻度，南北向平铺在地面，将竿子垂直立在石板南端 ，这样一来，竿影就直接投射在石板上。由于石板上有刻度，人们可以很直观地知道竿影长度。人们将这根竿子叫作“表”，将刻有刻度的石板叫作“圭”。圭和表组成了圭表。

圭表不仅是世界上最早的计时器，也是我国古代一种重要的天文仪器。现代考古表明，最晚在春秋时期，人们就懂得了使用圭表来确定二至日的方法，即将正午表影最长的那一天定为“冬至”，正午表影最短的那一天定为“夏至”。古人通过圭表测量正午时日影的长度，先确定冬至和夏至，继而确定回归年即人们常说的“一年”长度和历法起算点。

圭表的用途

以表为圆心画一个圆周，观测同一天日出、日落时的表影与圆周的交点。连接两个交点的直线，就代表正东、正西的方向。正午时的表影方向和夜间北极星的方向，可作为验证依据。

测定节气（主要用途）

冬至：表影最长 春分：表影适中

夏至：表影最短 秋分：表影适中

西汉时，朝廷在长安城的灵台上设置了一座铜圭表，表高八尺，圭长一丈三尺。之后很长一段时间，“表高八尺，圭长一丈三尺”便成为圭表的标准尺寸。不过，这种圭表在实际使用中却存在不足：首先，表影边缘不清晰，导致测得的影长存在误差;其次，圭的刻度单位仅能到厘，即十分之一分，不够精准。以冬至为例，假设日影长度的误差为一分，据此推算出来的冬至时刻就会存在半个或一个时辰的误差。对于天文历法来说，这是很大的误差了。

元代科学家郭守敬改进圭表，将表的高度增加到四十尺，即标准表高的五倍，因此也被称为“高表”。因为表高增加，表影长度也随之增加，边缘模糊所造成的误差也就相对变小了。此外，郭守敬还利用小孔成像的原理，制作了景符。当太阳、高表顶端的横梁、景符正中的小孔处于同一直线时，圭面上就会出现横梁的清晰实像。如此双管齐下，终于使圭表测影的精确度有了很大提高。

至元十三年（1276年），郭守敬在河南登封设计并建造了一座观星台。这是我国现存最早的古代天文台。这座观星台本身就是一只巨大的圭表——以高耸的城楼为表，以台下类似长堤的构造为圭。由于太壮观了，这只圭也被称为“量天尺”。

以登封观星台为代表的高表有效提高了圭表的测量精度，为郭守敬主持编纂《授时历》立下汗马功劳。《授时历》推算出一个回归年为 365.2425天，与地球绕太阳公转的实际时间只差 26秒钟，与现代通用的《格里高利历》（即阳历）的周期一样。但《格里高利历》是在 1582年（明万历十年）才开始使用的，比《授时历》晚了足足300多年。《授时历》作为当时世界上最先进的历法，通行长达360多年。

郭守敬和四海测验

郭守敬世称“郭太史”，是元代著名的天文學家、数学家和水利工程专家。

至元十六年（1279年），郭守敬向元世祖忽必烈提议 ：进行全国范围的天文观测，以编制适用于全国的新历法。忽必烈欣然接受了他的建议，派出了14名监候官分道而行，分别在27个地方进行天文观测。这 就是著名的“四海测验”。郭守敬亲自带着一支队伍，由北至南跋涉数千里，沿途进行观测。这些观测结果为他编制《授时历》提供了科学数据。

为了纪念郭守敬对天文学的杰出贡献，国际天文学会将月球上的一座环形山命名为“郭守敬环形山”;国际小行星中心将小行星2012命名为“郭守敬小行星”。

“不知名漆器”复原图

西汉“不知名漆器”之谜

安徽阜阳罗庄发现的西汉汝阴侯夏侯灶（？—公元前165年）墓中，出土了一件结构奇特的漆器。因为不知道它的具体功能，考古学家将其称为“不知名漆器”。这件“不知名漆器”是一件制作精美的木质彩绘漆器，出土时木质部分已严重腐烂，只有漆皮、漆胎保存得较为完整。根据这些残留部件，考古学家测绘出了其具体结构和尺寸。他们惊讶地发现：“不知名漆器”有点儿像圭表。

为了解开“不知名漆器”之谜，研究者将目光投向了位于江苏仪征石碑村的东汉 1号墓。这座墓大约修建于东汉中期，墓中出土了一把带刻度的“尺”。后经专家考证确定，这其实是一只折叠式圭表。“不知名漆器”与折叠式圭表在结构上存在相似之处：首先，主体长度都相当于汉代通行的八尺表的1/10;其次，前者两个侧立耳的中腰上都有小孔，后者的表上也有一个小孔。不过，“不知名漆器”上并没有刻度。

大家知道，圭表是用来测量正午日影长度的天文仪器，圭面上一定要有刻度。莫非这件“不知名漆器”并不是圭表？研究者通过缜密的计算和分析，终于解开了“不知名漆器”之谜。原来，在这只圭表上，冬至、夏至、春分、秋分的日影所在位置并不是用刻度表示的，而是暗含在特殊图案和位置中。只有懂得其中的奥秘，才能正确使用这只特殊的圭表。因此，“不知名漆器”不仅是世界上现存年代最早的圭表，还是一只“高级订制”的圭表。研究者发现，它所适用的地理纬度是固定的，就在汉代长安到汝阴侯国 （今安徽阜阳）一带。

日晷：圭表的“升级版”

圭表虽然能计时，却只能确定正午的准确时刻。为了更精确地掌握一天中的时间，我国古人对圭表进行了改进，创制出计时功能更为强大的日晷。

日晷由晷针和晷面两部分构成。晷面通常呈圆形，圆心处垂直竖立一根晷针，晷面上有时间刻度。随着太阳运动，晷针的影子会在晷面上移动，影子所对应的刻度就是当前的时刻。

根据晷面的摆放角度，日晷可分为赤道式和地平式。赤道式日晷的晷面与赤道面平行，影子在晷面上的移动速度是恒定的，晷盘上的刻度是等分的。地平式日晷与当地地平面平行，影子在晷面上的移动速度是有快慢变化的——日出日落时移动得最快，正午时移动得最慢。為了精准表示时刻，晷面刻度也不是均匀分布，而是有疏有密。

日晷究竟是何时由何人发明的，现在已经很难考证了。从目前已发现的日晷来看，最早的制作于西汉时期，使用最广泛的则是赤道式日晷。有趣的是，虽然早在西汉人们就已经懂得制作并使用日晷了，但直到清代日晷才真正得以流行。或许，这是因为我国古代以农业为本，所以人们更关心与耕作紧密相关的时令节气吧。