将载2003年1月31日《文汇读书周报》

 

 


有关日晷的科学、历史与文化
——兼评《日晷设计原理》

钮卫星

 

  一个晴好的冬日,上海交通大学校园。一位步履匆匆白领模样的年轻女子突然停在我面前问道:“同学,请问现在几点了?”因为我向来没有带手表的习惯,只得回答“抱歉”。当时我们正好在交大校园的一处小景观旁——那是一具名为“与日俱进”的日晷,便又指着日晷加了一句“它也能告诉你现在几点了。”女子怀疑地扫了我一眼,又匆匆前行。
  这日晷是一个圆形的石板,南高北底地安置在一块方形的大理石柱上,一根细铁棒垂直贯穿石板的圆心。尽管石板正反面都有刻度,但向这处景观问时间,看起来似乎还是有些荒唐,所以女子采取怀疑态度,并选择迅速离去。
  也许我可以向她强调我其实是本校的一名教师,并可以相信我,我可以很快帮她从那石头上读出当时是几点了。但是,要她真正明白,从这石头上读出的时间与从她不小心忘在家里的雷达、浪琴或者欧米加表上读到的时间是同样可靠的——某种意义上是更可靠的,并让她真正理解那些名表上时针的移动只不过是模拟了那石板上铁棒所投射的日影的移动而已,那是很需要花费一段时间的,她的约会注定会迟到。
  或者我可以推荐她去读设计和制造这台日晷的上海交通大学吴振华教授著的《日晷设计原理》。那本书能告诉她为什么圆石板这样放置、石板上这样的刻度,铁棒的投影指示的时间就能跟钟表给出的时间一样可靠。
  计量时间,就是要寻找一种运动过程,作为度量别的运动的进程、快慢等的标准。这样的标准运动过程要求是尽量均匀和持续不断的。根据计量精度的不同,均匀滴下的水滴、缓慢燃烧的香、原子的振荡等等,都可被用作计量时间的标准运动。作为地球自转的反映,我们看到太阳日复一日的东升西落;作为地球绕太阳公转的反映,我们感觉到年复一年春夏秋冬的寒暑变化。反映地球公转和自转的太阳视运动,很早就被人们用作时间计量的标准运动。
  然而太阳太过明亮,人眼不可逼视,所以从古代开始人们就通过观察太阳投射物体的影子的移动来计量时间。东汉许慎《说文解字》云:“晷,日景也。”此处“日景”即“日影”。中国古代将一根标准高度为八尺的竿子竖立在水平的地面上,在一天里从早到晚观察竿子投影的变化,就可以用来计量白天的时间。东汉张衡《西京赋》中描述帝王在上林苑狩猎时,有“白日未及移其晷,已狝其什七八”之句;佛经《舍头谏太子二十八宿经》也有人自顾其影来计时的记载。
  “日晷”本义是指日影,在古代专业的天文学文献中一般是指反映周年变化的正午日影长度。后来人们专门发明出一种利用日影的变化来计时的仪器,现代汉语中日晷一词便专指这样的仪器了。这种仪器的主要组成部分就是一根投射太阳阴影的指针和垂直于指针的投影面即晷面,以及晷面上的刻度线。晷面平行于水平面的日晷叫做地平式日晷。晷面还可以不水平放置,从而形成各种不同种类的日晷。晷面与地球赤道面平行的日晷就是赤道式日晷(本文开头提到的就是赤道式日晷);晷面与子午面(通过正南正北和天顶的平面)平行的是子午式日晷;晷面与卯酉面(通过正东正西和天顶的平面)平行的是卯酉式日晷,等等。
  一根固定长度的指针,所投射的日影在长度和方向上都会发生变化,就可以通过观测投影的方向来计时。赤道式日晷就是通过指针投影方向的均匀变化来指示时间的,因而也是比较容易读取时间的日晷。而从前文知道日影长度的变化中含有周年变化,因此在一些日晷种类中,譬如子午式、卯酉式和一种类型的地平式日晷,经过预先的计算,可以在晷面上绘制出比较复杂的晷面线,根据日影的长度从中可以同时读出时刻和节气。
  在这篇短文中无暇详细介绍各种日晷的工作原理,我不得不再次借助吴振华教授的《日晷设计原理》。吴教授为多处学校、天文台、青少年活动基地和居民点设计、安装过多种日晷。在《日晷设计原理》一书中,吴教授介绍了让日晷正确工作起来的天文学、画法几何学等基本原理,以及设计、制造和安装各种日晷的要点。那些不同种类的日晷及其晷面线的画法都有明晰的阐释。诚然,当我们面对一台日晷,完全可以相信它是被正确地设计和安装了的,从而放心地从中读取正确的时间。但是对不满足于“知其然”,而想进一步“知其所以然”的读者,可以从《日晷设计原理》中满足他们的求知欲望。
  日晷还不仅仅是一种计时仪器,它能给人以一种历史的和文化的联想。在很多建筑物上和公共场所,日晷被用作点缀景观之用。日晷还拉近了人与自然的关系,采撷一缕日光,打磨一块石板,这些材质纯粹天然,因此日晷还是绿色的、环保的。简单的材质和制造技术中却蕴含了丰富的科学含量,日晷向人们传达着强烈的人文气息。科学的创造物也许要经历了历史与文化的长久沉淀才会具有这样的人文气息?人类已经有了并还会再有许许多多的发明创造物,其中有些只是短暂存在后就永远消失了,而有一些将会流传至永久。日晷大概就属于后者。


  《日晷设计原理》,吴振华著,上海交通大学出版社,2001年6月。


2003年1月27日加入