河南登封觀星臺(tái)（資料圖片）
盧鵬宇攝
"> 山西陶寺遺址出土圭尺（局部）
盧鵬宇攝
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人們常說(shuō)“立竿見(jiàn)影”，用來(lái)比喻措施或行動(dòng)收效迅速。其實(shí)，這個(gè)成語(yǔ)的本義與中國(guó)古人對(duì)日影的觀測(cè)有關(guān)——在陽(yáng)光下豎起竹竿，即顯現(xiàn)影子。從這個(gè)簡(jiǎn)單的現(xiàn)象出發(fā)，古人創(chuàng)造出一種精妙的天文儀器：圭表。它不僅見(jiàn)證了中國(guó)人對(duì)科學(xué)探索的孜孜以求，也體現(xiàn)了中華文明天人合一的宇宙觀。
度量時(shí)間
在沒(méi)有時(shí)鐘的遠(yuǎn)古時(shí)代，中華先民將星空視為永恒的“天鐘”。在漫長(zhǎng)的歲月中，他們發(fā)現(xiàn)，日月星辰的運(yùn)轉(zhuǎn)，是有規(guī)律且周而復(fù)始的。其中，日影的長(zhǎng)短與寒暑變化息息相關(guān)——夏季正午，日頭高懸，樹(shù)影短促；冬季正午，太陽(yáng)低垂，影子拉得很長(zhǎng)。這種對(duì)影長(zhǎng)的直觀感受，促使人們開(kāi)始系統(tǒng)地觀測(cè)日影，自然就產(chǎn)生了立竿測(cè)影的方法。
“日影的變化，反映的是太陽(yáng)在天空中位置的變化。當(dāng)先民們開(kāi)始嘗試度量時(shí)間，天空中最明顯、且規(guī)律運(yùn)行的天體——太陽(yáng)，便成為參考對(duì)象。但是人們無(wú)法用雙眼直接觀察太陽(yáng)，他們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)影子隨時(shí)間變化的規(guī)律，于是最初的圭表便應(yīng)運(yùn)而生，這也是中國(guó)最古老的天文測(cè)量?jī)x器之一。”北京天文館古天文研究中心副主任、副研究員楊帆說(shuō)。
圭表一般由“圭”和“表”兩個(gè)部件組成。水平南北方向放置于地面，表面刻有刻度以測(cè)量影長(zhǎng)的標(biāo)尺叫“圭”，也稱“圭尺”；垂直于地面的標(biāo)桿叫“表”，也稱“立表”。
據(jù)學(xué)者研究推測(cè)，山西陶寺遺址出土一件黑、綠、紅三色相間的漆木桿，是目前考古發(fā)現(xiàn)最早的圭表儀器實(shí)物，距今4300年至4000年。
制定歷法
隨著社會(huì)發(fā)展、交流頻繁，先民們逐漸意識(shí)到，須有統(tǒng)一時(shí)間規(guī)范來(lái)協(xié)調(diào)人類的各項(xiàng)活動(dòng)。
《尚書(shū)·堯典》記載堯帝任命天文官員：“歷象日月星辰，敬授民時(shí)?！薄坝^象授時(shí)”是中國(guó)古代天文學(xué)最核心的概念，也是指導(dǎo)農(nóng)耕的時(shí)間準(zhǔn)則。中國(guó)古代合天文歷法為一事，歷法以天象為依據(jù)。通過(guò)圭表觀測(cè)日影變化，是制定歷法的重要基礎(chǔ)。
將圭表南北方向水平放置，表垂直立于圭的南端。正午時(shí)分，當(dāng)太陽(yáng)位于正南方，表影恰好投射在圭尺上，夏至日影最短，冬至日影最長(zhǎng)。古人通過(guò)觀察不同日期表影端點(diǎn)的位置，繪制“日影曲線”，進(jìn)而推算回歸年長(zhǎng)度，為制定歷法提供最重要的數(shù)據(jù)支持。中國(guó)傳統(tǒng)歷法中，以兩次冬至之間的時(shí)間間隔為一回歸年。
二十四節(jié)氣系統(tǒng)是中國(guó)古人通過(guò)圭表測(cè)影觀察太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)而逐漸形成確定的。歷代律歷志中都會(huì)記載二十四節(jié)氣的日影長(zhǎng)短數(shù)值。二十四節(jié)氣的完整名稱和順序，首次被系統(tǒng)記載見(jiàn)于西漢《淮南子》。由此可知，至遲在西漢，這套集天文、物候、民俗于一體的知識(shí)體系和社會(huì)實(shí)踐就已確定。
在中國(guó)古代，包括二十四節(jié)氣在內(nèi)的歷法不僅指導(dǎo)農(nóng)事，還規(guī)范社會(huì)生活、服務(wù)政治，深刻塑造了社會(huì)秩序，至今仍影響著人們的生活。
不懈探索
圭表在中國(guó)古代不僅是測(cè)時(shí)天文儀器，也是辨方正位、建都選址的重要工具?！吨芏Y》記載，建王都必在“地中”。“地中”觀念源于古人樸素的宇宙觀，是“中道”“正統(tǒng)”等社會(huì)心理與政治意識(shí)的源頭。圭表測(cè)量的夏至日影長(zhǎng)度，正是確定“地中”的重要標(biāo)準(zhǔn)。
由此可見(jiàn)圭表測(cè)影的重要性。為了精準(zhǔn)掌握太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，歷代天文學(xué)家對(duì)圭表的構(gòu)造、觀測(cè)方法等進(jìn)行了不懈探索。
中國(guó)天文學(xué)發(fā)展的高峰出現(xiàn)在元代。傳統(tǒng)圭表一般表高八尺，元代科學(xué)家郭守敬為了提高測(cè)量精度，將圭表放大為一種建筑式高表。位于河南登封的觀星臺(tái)，便是郭守敬主持建造的杰作。這座臺(tái)體本身就是一個(gè)巨大的“表”，臺(tái)身狀若覆斗，高9.46米，連小室通高12.62米；臺(tái)身北壁凹槽內(nèi)向北平鋪的是石圭，長(zhǎng)約31.19米，被稱為“量天尺”。
圭表放大后，極大地提高了圭表觀測(cè)精準(zhǔn)度，但是表端投射到圭面的表影會(huì)產(chǎn)生虛影。為此，郭守敬又創(chuàng)制了名為景符的裝置——由薄銅片制成，中間開(kāi)有小圓孔，通過(guò)斜撐裝置固定于圭面。景符利用小孔成像的原理，將圭表測(cè)影精度提升至2毫米以內(nèi)。
包括登封觀星臺(tái)在內(nèi)，郭守敬在元朝廣袤的疆域中設(shè)立20余處觀測(cè)點(diǎn)，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修訂歷法，史稱“四海測(cè)驗(yàn)”。憑借精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，郭守敬主導(dǎo)修訂完成了《授時(shí)歷》。該歷于1281年頒行，確定回歸年長(zhǎng)度為365.2425日，與現(xiàn)行公歷僅差不到26秒，領(lǐng)先歐洲格里高利歷300余年。
古今回響
圭表早已超越了單純測(cè)量的范疇。中國(guó)科技館原館長(zhǎng)王渝生認(rèn)為，它不僅是古人“敬授民時(shí)”、維系農(nóng)耕社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，也是王朝“辨方正位”、確立統(tǒng)治合法性與神圣秩序的象征。其橫平豎直的形態(tài)，本身就是“規(guī)矩”“標(biāo)準(zhǔn)”的具象，深深烙印在中華文化基因之中。
從圭表衍生出的一系列詞匯可見(jiàn)一斑。比如“圭臬”，其本義正來(lái)自圭表——“圭”指水平量影的圭尺，“臬”指垂直立標(biāo)的表?xiàng)U，二者合稱即代表測(cè)日影定標(biāo)準(zhǔn)的儀器。因其核心功能是確立時(shí)空基準(zhǔn)，故很自然地引申為一切準(zhǔn)則與法度。成語(yǔ)“奉為圭臬”便表示將某些言論或事物信奉為必須遵循的根本準(zhǔn)則。又如“為人師表”中的“表”，同樣由圭表中的“表”垂直不偏斜引申而來(lái)，具有標(biāo)桿、表率之意。
今天，中國(guó)已經(jīng)擁有FAST望遠(yuǎn)鏡、“天宮”空間站，早已不再使用以圭表為代表的古代天文儀器。然而圭表所承載的古人智慧，依然閃爍著不朽光芒。
“我們常說(shuō)大國(guó)重器，包括圭表在內(nèi)的古代天文儀器，其實(shí)就是當(dāng)時(shí)的大國(guó)重器，是中國(guó)古代科技發(fā)展與突破的實(shí)證?！睏罘f(shuō)，這些古老儀器的存在，生動(dòng)地講述著中國(guó)古人追日問(wèn)天、對(duì)科技發(fā)展的執(zhí)著追求，承載著中華文明天人合一的宇宙觀，也是今人理解先人智慧的重要密碼。
如今，在河南登封觀星臺(tái)、江蘇南京紫金山天文臺(tái)等地，我們依然能看到這些古老圭表。它們靜默矗立，仿佛訴說(shuō)著千百年來(lái)，一群人仰望星空，探尋宇宙秩序的雄心。這樣的雄心，依然鼓蕩在今人心中，指引著人們踏上探索星辰大海的新征途。
策 劃：張意軒 鐘金葉
動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)制作：李 棟
學(xué)術(shù)支持：陳 樸 楊 帆
版式設(shè)計(jì)：石瑞禾