盘古沙漏及其演变

□邓学忠

盘古沙漏及其演变

□邓学忠

一、漏刻计量

沙漏，是漏刻的一种，因其测量介质是沙而得名。漏刻，是中国古代最重要的时间计量器具之一。漏，是指盛水的漏壶或箭壶；刻，是刻度、箭刻，是指标有时间（计量）单位刻度的标尺。它是根据漏壶或箭壶中滴漏水量的变化来计量时间的。我国至今还保存有从西汉至清代的各种漏刻10余件（套）。

漏刻，在古代广泛应用于工农业生产、科学研究、交通运输、天文观测、军事行刑、医疗卫生、人民生活等。漏刻按其制造所用的材料分，有陶漏、铜漏、椰漏、玉漏、机械沙漏等；按其结构形制分，有秤漏、浮漏、碑漏、宫漏、几漏、盂漏、莲花漏、辊弹刻漏、轮系沙漏；按其用途分，有田漏、司漏、医漏、天文漏、行漏舆、马上漏刻等；按其测量介质分，有沙漏、水漏、香漏、灯漏等。漏刻在我国起源甚早 （公元前四五千年以前就出现了陶漏），考古发掘表明，在我国新石器时代早期，不少地方就已经能制作陶器。盛水的陶器在使用过程中可能会因残损而漏水。而水的流失与时间流逝有对应关系，久而久之，古人便产生了用这种漏水的陶器计量时间的概念，于是就制造出了本文中的各种漏刻。梁代《漏刻经》记载：“漏刻之作，盖肇于轩辕之日，宣乎夏商之代。”《隋书·天文志》记载：“昔黄帝创观漏水，制器取则，以分昼夜。”据此，陶质沙漏可能会更早，目前尚未见到关于早期陶质沙漏方面的文献记载和实物出土的报道。随着社会的进步和生产力的发展，时间计量已由远古时期的“漏沙计时”和“滴水计时”、机械沙漏，逐渐发展到当今的机械时钟、电子时钟。目前，中国计量科学研究院研究、设计的准确度为 5×10-15s(即 5飞秒，相当于走时600万年不差1秒)、体现当代国际领先科学技术水平的时间单位激光冷却——铯原子喷泉时间频率国家计量基准 （原子钟），2006年获国家科技进步一等奖。

二、盘古沙漏

盘古沙漏，顾名思义，就是盘古家族所使用的沙漏。相传远古时期，在桐柏山下，淮河源头，居住着盘古家族，盘古老人带领着儿孙们在这里开天辟地、创世兴业、繁衍后代，曾用沙漏计时。据推测，盘古沙漏是一个圆筒状上粗下细呈锥形、底部中心有一小细孔（泄沙口），且是整体无刻度、无箭尺、无量值的极限陶质漏器。其使用方法，是将洁净干燥的河沙装满沙漏的腔体内，再用木平尺刮去高出受沙口面上多余的沙；使受沙口面呈水平状态，然后打开下端的泄沙口，让沙从该泄沙口自然缓缓下漏，至漏空止，为一个时间单元。因为是非连续性计量，所以如果需要继续进行，可再装满沙重复上述程序操作。

人类的计量活动是用数值来表示事物的量。因此，最早的计量是在学会记数之后才开始的。由于生产和生活的需要，古代人们渐渐地对数和量有了初步认识，并把它运用到生产和生活中去，通过不断地实践，创造出了各种计量器具和计量方法，从而开展了最简单的比较式的计量活动，如盘古沙漏就是其中之一，该沙漏属非连续性单级泄沙型陶漏范畴。在当时社会生产力十分低下、社会生活方式十分简单的情况下，对日以下时间计量单位的划分，没有必要也不可能做到精密、准确和连续性进行。所以，盘古沙漏当时主要有两方面的用途：一是用于夜间打更值班，沙漏腹腔内的沙自然漏空一次，打一次更点，并依此轮流值更。二是掌握劳作和休息时间，沙漏腹腔内的沙自然漏空一次，可作为一个劳作单元或休息单元，并可考核人们的劳作成果。这就是最古老的时间计量器具和时间计量方法。

盘古沙漏对其测量介质河沙的选用，要求十分严格。在淮河源采集的沙，首先是去除过大和过小的沙粒，去除木屑和草渣；然后用河水将沙清洗干净，除掉泥土和杂质；最后晒干储存备用。使所用之沙始终保持洁净、干燥、松散、不结团、不挂壁，以利于沙流动顺畅，保证在当时条件下的计量准确性。

由于生产和生活经验的积累，盘古家族不知延续了多少代，后使用田漏和各种漏刻计时。田漏主要应用于农业，最早的历史文献记载是元代王祯在其所著的《农书》中记载：“田漏，田家测景水器也。”“农家置此，以揆时计工，不可阙者。”“大凡农作须待时气，时气既至，耕种耘籽。事在晷刻，苟或违之，时不再来。所谓寸阴可竞，分阴当惜，此田漏之所以作也。”由此可以看出，田漏与盘古沙漏不同，一是田漏的测量介质是水，而盘古沙漏的测量介质是沙；二是自唐宋以后，田漏是农家常用的时间计量器具。它以日晷或圭表来校验泄水壶中一昼夜流出的水量，与今日中午至明日中午圭表所示日影位置是否相合。它比陶质沙漏有了很大进步。盘古沙漏自黄帝始为水漏所替代，故曰“昔黄帝创观漏水”。

三、五轮沙漏

随着科学技术的进步和社会生产力的发展，盘古沙漏已由原始的陶质沙漏、各种滴水漏刻逐渐演变为较先进的五轮沙漏。五轮沙漏主要是运用齿轮传动系，故五轮沙漏也叫机械沙漏。明初，詹希元设计制造了一种五轮沙漏。《明史·天文志》中记载：“明初，詹希元以水漏至严寒水冻辄不能行，故以沙代水。然沙行太疾，未协天运，乃以斗轮之外复加四轮，轮皆三十六齿。”

根据水的性质，詹希元认识到，以水为测量介质的各种漏刻的缺点，是在严冬季节，因水冰冻而不能流动使漏刻无法正常运行，故改制五轮机械沙漏。与其同时代的学者宋濂（1310—1381 年）在《五轮沙漏铭》（四部备要本《宋文宪公全集》卷四十七）中，对詹希元的五轮沙漏记述颇详，其在序文中写道：“沙漏之制，贮沙于池而注于斗。凡运五轮焉。其初轮轴长二尺有三寸，围寸有五分，衡奠之。轴端有轮，轮围尺有二寸八分，上环十六斗，斗广八分，深如之。轴杪傅六齿。沙倾斗运，其齿钩二轮旋之。二轮之轴长尺，围如初轮，从奠之，轮之围尺有五寸，轮齿三十六，轴杪亦傅六齿，钩三轮旋之。三轮之围轴与二轮同，其奠如初轮，轴杪亦傅六齿，钩四轮旋之。四轮如三轮，唯奠与二轮同，轴杪亦傅六齿，钩中轮旋之。中轮如四轮。余轮侧旋，中轮独平旋。轴崇尺有六寸，其杪不设齿，挺然上出，贯于测景盘。盘列十二时，分刻盈百。斫（音）木为日形，承以云丽于轴中。五轮犬牙相入，次第运益迟。中轮日行盘一周，云脚之处则知为何时何刻也。……轮与沙池皆藏机腹，盘露机面。旁刻黄衣童子二，一击鼓，二鸣钲。”

根据以上记载，古代计量史学者对五轮沙漏的结构进行推想。因为各个小齿轮的齿数均为6，而二、三、四齿轮和中轮的齿数均为36，故每对齿轮的速度比均为6，整个齿轮传动系的速度比则为64，即1296。因此，每天测景盘（今称示值盘、显时盘或读数盘）指针旋转一周，初轮就应旋转1296周，即每小时旋转54周。对于装设沙斗的初轮而言，1.11分钟转一周（1分钟转0.9周）的速度是极为缓慢的，为此，沙池底部的漏孔必定得设计的极小，因而也就造成堵沙现象。公元16世纪学者周述学鉴此，对五轮沙漏做了改进。《明史·天文志》载：“周述学病其窍太小，而沙易堙,乃更制为六轮。其五轮悉三十齿,而微裕其窍,运行始与晷协。”这段记载是说，周述学担心沙池底部的漏孔太小易致堵沙而进行改进，使其值与日晷相一致。故使其每对齿轮的齿速比为5，五对齿轮组成的齿轮传动系的速度比为3125（即55），即初轮每小时旋转130.21周（1分钟旋转2.17周）。这样，漏孔扩大了很多，流沙就不会堵塞了。由此可知，为了使沙能畅流，周述学将沙池底部的漏沙孔口径适当扩大，又增加了一对减速齿轮，调整齿轮的速度比，使其与日晷的计时结果协调一致。故五轮沙漏便发展成为六轮沙漏了。

六轮沙漏的功能原理为：初轮周围均匀分布着十六个沙斗，当沙池中漏出的沙注入其中一个沙斗时，便会导致斗轮重心倾斜而转动起来，从而带动四对由六齿和三十六齿组成的减速齿轮系。第四个齿轮（中轮）的轴则穿过一只盘面列有十二时辰和昼夜百刻标示的测景盘（时刻显示盘）的盘心，立轴上端装有指针，沙漏运行时，指针也就相对应于测景盘面旋转，从而读出时刻。从沙池漏出的沙流推动初轮，经过减速齿轮系，使最后一只齿轮带动的指针在一天中恰好旋转一周。沙漏“轮与沙池皆藏机腹，盘露机面。旁刻黄衣童子二，一击鼓，二鸣钲”。由此得知，此沙漏不仅可以从测景盘上直接读出时刻，还可以分别用鼓、钲的音响来报时。同时沙漏还将沙池、初轮等“皆藏机腹”内，表面只有显示时刻的测景盘，形式上更类似于近现代的机械钟表。

从五轮沙漏的记述中得知，盘古沙漏与五轮沙漏的区别，一是前者以沙为测量介质，后者以沙为动力；二是前者为陶质沙漏（无示值识读装置），后者为机械沙漏，类似后来的机械钟表（有示值识读装置）；三是前者主要用于夜间打更值班和劳作计工，后者主要用于天文观测和科学研究；四是结构不同，前者为单腹腔陶质，后者由沙池、初轮（斗轮）、齿轮、显示盘四部分组成，结构比较复杂。

明末以后，具有中国特色的沙漏计时、水漏计时和机械沙漏计时就很少出现了。16世纪西方经济的迅速发展，其机械钟表制造技术也日趋成熟。随着意大利耶稣会传教士的到来，西方先进的机械钟表制造工艺也就随之进入了中国，从而取代了具有中国特色的时间计量器具，并自清朝以后逐渐发展起了中国自己的钟表制造业。

[1]戴念祖：《中国力学史》，河北教育出版社，1988年9月第1版。

[2]华同旭：《中国漏刻》，安徽科学技术出版社，1991年2月第1版。

[3]戴念祖：《中国科学技术史·物理学卷》，科学出版社，2001年5月第1版。

[4]丘光明：《中国物理学史大系·计量史》，湖南教育出版社，2002年12月第1版。

[5]关增建等：《中国近现代计量史稿》，山东教育出版社，2005年10月第1版。

[6]《中国计量院2006-2009年获国家科技进步奖项目》，《中国计量》2010年第11期。

（作者单位 桐柏县质量技术监督局）

[责任编辑 赵建春]