戴念祖  本期欄目主持人  關(guān)增建

　　計(jì)時(shí)器在中國(guó)有悠久的歷史，除了圭表、日晷、刻漏和“火鐘”(點(diǎn)燃附有標(biāo)尺或有標(biāo)記的香燭)外，中國(guó)是世界上最早成功地制造機(jī)械計(jì)時(shí)器的國(guó)家。中國(guó)古代機(jī)械計(jì)時(shí)器的特點(diǎn)是多與天文儀器相結(jié)合，既可以演示天象變化，又能同時(shí)報(bào)告時(shí)刻，而且是以一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)同時(shí)推動(dòng)、控制和調(diào)節(jié)天文儀器和計(jì)時(shí)器。這種機(jī)械裝置在近代稱為天文鐘。從東漢張衡(78～139)到唐(僧)一行(683～727)，這種計(jì)時(shí)器屢被制造。宋初，張思訓(xùn)于公元979年制成世界上第一座有擒縱裝置的“渾儀”。其后，蘇頌于宋元佑七年(1092)制作全部完成了古代文明史上最大型、最齊全、最先進(jìn)的天文鐘，稱之為“水運(yùn)儀象臺(tái)”。(圖1)它們都是近代鐘表的祖先。不過，中國(guó)近代機(jī)械計(jì)時(shí)器及與之相關(guān)的知識(shí)的發(fā)展，卻與傳教士對(duì)歐洲近代機(jī)械鐘表的傳入是分不開的。
    

    圖1  蘇頌水運(yùn)儀象臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

明末清初歐洲近代機(jī)械鐘表的傳入和改進(jìn)

　　　近代機(jī)械鐘表發(fā)展的關(guān)鍵理論是17世紀(jì)由物理學(xué)家做出的。伽利略(G.Galile,1564～1642)和惠更斯(C.Hoggens,1629～1695)各自獨(dú)立地研究了擺線和單擺的等時(shí)性，為近代鐘表的產(chǎn)生與興起奠定了理論基礎(chǔ)。鐘表也成為表征當(dāng)時(shí)力學(xué)發(fā)展的重要技術(shù)成就。

　　歐洲從14世紀(jì)起流行以重錘驅(qū)動(dòng)、以心軸節(jié)擺控制的機(jī)械鐘(圖2(a)所示自鳴鐘)。后者在明清時(shí)期稱為“梳擺”圖(a)。圖(a)未畫出系于繩索上(見該圖右下部)的驅(qū)動(dòng)錘；圖(b)中，AB為可調(diào)重錘，其中央C處有棘爪FG，以控制冕輪E的轉(zhuǎn)動(dòng)。E軸上纏繞繩索，索一端懸掛驅(qū)動(dòng)錘H。伽利略晚年曾設(shè)計(jì)鐘，但似乎未曾完成。而后惠更斯于1657年取得了擺鐘發(fā)明權(quán)，1673年又發(fā)明了盤簧、表簧。1680年倫敦鐘表師克萊門特(Clement)在鐘表內(nèi)裝上節(jié)擺錨，即擒縱器。這歷史情況對(duì)于了解不同時(shí)期傳入中國(guó)的鐘表狀況是重要的?？梢哉f，明亡(1644)之前，耶穌會(huì)士帶入中國(guó)的鐘是歐洲古代水鐘、沙漏，中世紀(jì)重錘驅(qū)動(dòng)的鐘或稍加改進(jìn)的產(chǎn)品；從清順治十五年(1658)起，傳入中國(guó)的鐘表有可能是惠更斯型鐘；而康熙二十年(1681)以后，就有可能主要是帶擒縱器和發(fā)條(或游絲)的鐘(表)。    

    圖2  中世紀(jì)歐洲自鳴鐘及其梳擺

　　在耶穌會(huì)士進(jìn)入中國(guó)大陸之前，居住澳門的外國(guó)商人和傳教士已將中世紀(jì)歐洲鐘攜至澳門。耶穌會(huì)士羅明堅(jiān)(Michal Rvggier,1543～1607)和利瑪竇(Matteo Ricci,1552～1610)分別于1581、1582年來華，他們不僅攜帶鐘，而且有鐘表修理匠隨行?！独敻]中國(guó)札記》多處描寫了利瑪竇一行在肇慶、韶州、南昌和南京如何以鐘表、三棱鏡等奇巧之物贈(zèng)送地方官吏、朝廷使臣，而換取居留當(dāng)?shù)鼗蜻M(jìn)京的許可；后者又如何貪婪地向他們索取這些奇巧之物。當(dāng)1601年初，利瑪竇抵京，將其禮物包括自鳴鐘二具奉呈朝廷時(shí)，“皇帝陛下(指明神宗)對(duì)這些新奇的鐘如此著迷”，不僅為它“花了一千三百金幣”造鐘樓，高興得連太監(jiān)都“進(jìn)級(jí)加俸”，甚至著急地“想看看這些送來禮物的異國(guó)人”。這些鐘是屬于重錘驅(qū)動(dòng)的自鳴鐘或稍加改進(jìn)的產(chǎn)品。

　　歐洲人普遍使用的沙漏(圖3)、水鐘(即水日晷)和重錘驅(qū)動(dòng)的自鳴鐘同時(shí)傳入中國(guó)。沙漏傳入中國(guó)后，曾在航海上用作計(jì)時(shí)器。乾隆二十三年(1758)，周煌撰《琉球國(guó)志略》，言及從福州開船到琉球，船行“一更為六十里”，并用沙漏計(jì)時(shí)，“每二漏半有零為一更”。水鐘初期傳入中國(guó)者，如同《遠(yuǎn)西奇器圖說》所繪“水日晷”，其原理類似古代中國(guó)的單壺漏。實(shí)際上，這種水鐘只是一種玩具，它不能均勻、準(zhǔn)確地指示時(shí)刻；長(zhǎng)期使用，漏孔也必為水垢、泥沙堵塞。鑒于此，鄒伯奇對(duì)它作了改進(jìn)，以虹吸管代替漏孔(圖4)。
    

    圖3  《琉球國(guó)志略》繪沙漏

    圖4  鄒伯奇改進(jìn)的歐洲水鐘

　　繪圖重錘驅(qū)動(dòng)的自鳴鐘，最早見于王徵(1571～1644)的《新制諸器圖說》(完稿于明末天啟七年 1627年)一書。該書所繪“輪壺圖”就是這種機(jī)械鐘，“輪壺”又稱“輪鐘”，王徵所繪只是示意圖罷了。輪壺圖(圖5)中央由下而上的四個(gè)圈，表示由重錘驅(qū)動(dòng)的彼此嚙合的齒輪，其上似“天平”之圖就是梳擺。王徵結(jié)合中國(guó)機(jī)械鐘報(bào)時(shí)傳統(tǒng)將報(bào)時(shí)裝置改為敲鐘、擊鼓和司辰木偶。當(dāng)然，這一改就使王徵的設(shè)計(jì)比歐洲自鳴鐘復(fù)雜得多。王徵還根據(jù)這種自鳴鐘原理設(shè)計(jì)了鐘機(jī)傳動(dòng)的“自行車”、“自行磨”。雖然它們并無實(shí)用價(jià)值，但表明王徵學(xué)會(huì)制造歐洲自鳴鐘。崇禎二年(1629)，徐光啟主持歷局，他在奏請(qǐng)制造天文儀器的清單中，有“候時(shí)鐘三”。候時(shí)鐘雖未制成，但徐光啟(1562～1633)最早提出向西方學(xué)制鐘表的設(shè)想。
    

    圖5  《新制諸器圖說》繪輪壺圖

　　值得指出的是，從歐洲機(jī)械鐘傳入之初，為適應(yīng)中國(guó)人的計(jì)時(shí)制度，歐洲鐘不得不在計(jì)時(shí)方法上作修改。表盤顯示數(shù)字由歐洲一日轉(zhuǎn)兩圈的24小時(shí)制改為中國(guó)的一日轉(zhuǎn)一圈的十二時(shí)辰制，顯時(shí)盤上的羅馬數(shù)字也改成漢字。明萬歷十年冬(1583年初)，羅明堅(jiān)送肇慶府“總督”一架帶車輪的大自鳴鐘，是迄今所知最早作計(jì)時(shí)制修改的例子。改成中國(guó)計(jì)時(shí)制后，“大鐘鳴時(shí)，正午一擊，初未二擊，以至初子十二擊；正子一擊，初丑二擊，以至初午十二擊。小鐘鳴刻，一刻一擊，以至四刻四擊?！比肭搴?，又改為正午、正子各十二擊?；蛘撸缤醮蠛Ｔ凇逗u逸志》中所述者:

　　定時(shí)鐘，以一日分十二時(shí)，鐘分十二點(diǎn):子時(shí)一點(diǎn)，巳末十二點(diǎn)，午時(shí)又一點(diǎn)，亥末又十二點(diǎn)。鐘小者盈尺，大者高數(shù)尺，鐘鳴之后，又有小鐘十余事，鏗鏘可聽，名曰鬧鐘。這里的“十二時(shí)”是十二個(gè)時(shí)辰，“十二點(diǎn)”是指鐘鳴響次數(shù)。當(dāng)然，在北京、天津、南京各地制造的鐘表，也有時(shí)辰鳴鐘數(shù)不完全相同者。然而，十二時(shí)辰計(jì)時(shí)制及其顯時(shí)盤從此一直延續(xù)到清末。

　　從順治十五年(1658)起，傳入中國(guó)者當(dāng)有惠更斯型擺鐘。由于調(diào)查、研究不夠，還不能向讀者說清，今存故宮博物院等地的哪些鐘屬于這一類。或許，存世者極少?；蛟S，清初劉獻(xiàn)廷(1648～1695)《廣陽雜記》所記民間制鐘者張碩忱、吉坦然制的鐘，屬于這一類。因?yàn)閯I(xiàn)廷記述中，只涉及鐘內(nèi)“大小輪多至二十余，皆以黃銅為之”。既未涉及重錘梳擺，亦未涉及發(fā)條之類。康熙二十年(1681)起，有擒縱器和發(fā)條的機(jī)械鐘傳入中國(guó)?？滴醵?1684)，康熙帝賜葡萄牙耶穌會(huì)士徐日升(Thomas Pereira，1645～1708)金扇，上繪自鳴鐘，并作《戲題自鳴鐘》詩。詩曰:

　　晝夜循環(huán)勝刻漏，綢繆宛轉(zhuǎn)報(bào)時(shí)全；
　　陰陽不改衷腸性，萬里遙來二百年。

　　從詩中“衷腸”二字可見，有發(fā)條的機(jī)械鐘表已傳入中國(guó)。時(shí)人稱“發(fā)條”為“鋼腸”。《古今圖書集成·歷法典》卷九十四《儀象部》繪一鬧鐘(圖6)，故宮藏清初時(shí)辰醒鐘(圖7)，大概都是早期輸入中國(guó)或中國(guó)自制的具有發(fā)條和擒縱器的機(jī)械鐘。
    

    圖6  《古今圖書集成》繪鬧鐘

    圖7  清宮藏時(shí)辰醒鐘

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近代機(jī)械鐘在中國(guó)的制作

　　歐洲機(jī)械鐘傳入中國(guó)后，民間有人相繼學(xué)制機(jī)械鐘。劉獻(xiàn)廷《廣陽雜記》所記張碩忱、吉坦然二人制造自鳴鐘的情形，就是其中一例。在南京博物院珍藏一具鐵制時(shí)辰鐘，內(nèi)有重錘和梳擺。它大概是明末清初中國(guó)人自制的自鳴鐘之一。

　　除了民間以外，清廷也設(shè)置了鐘表作坊，大量制作機(jī)械鐘表。清宮內(nèi)設(shè)鐘表作坊大概起于康熙十六年(1677)前后。該年，宮廷內(nèi)“敬事房”下設(shè)“做鐘處”，置“侍監(jiān)首領(lǐng)一人”；在“端凝殿”置“兼自鳴鐘執(zhí)守侍首領(lǐng)一人，專司……并驗(yàn)鐘鳴時(shí)刻”。此后，“做鐘處”逐漸擴(kuò)大，工匠增多?？滴跞?1691)后，遷出廷，另設(shè)作坊，有廠房150余間，頗具規(guī)模；雍正時(shí)又成為造辦處內(nèi)一個(gè)作坊，從事保管、修理和制造鐘表，供宮廷所需。在做鐘處工作過的耶穌會(huì)士和歐洲鐘匠，有利類思(Ludovice Buglio，1606～1683)、安文思(Gabrielde Magalhaens，1609～1677)，瑞士鐘表匠林濟(jì)各(Pater Stedlin，1668～1740)等前后十余人。他們領(lǐng)導(dǎo)制造了各種鐘表，還培養(yǎng)了不少鐘表匠。如《皇朝禮器圖式》(乾隆二十四年1795敕撰)卷三《儀器》中繪一自鳴鐘(圖8)和一時(shí)辰表(圖9)，清宮造紫檀插屏鐘(見題圖)，黑漆描金樓式鐘(見圖10)，都是清宮做鐘處作品。有的是中西結(jié)合的特殊的鐘，表盤以十二時(shí)初正記時(shí)，短針指時(shí)，長(zhǎng)針指刻。表盤又以羅馬數(shù)字示時(shí)辰初正。與宮內(nèi)做鐘幾乎同時(shí)，在廣州、蘇州、南京、寧波、福州等地也先后有了家庭作坊式的鐘表制造或修理業(yè)。制造鐘表最重要的發(fā)條、游絲多自澳門、廣州、寧波等地外商中購進(jìn)。此外，清廷還從歐洲各國(guó)購買了各式各樣藝術(shù)鐘表。它們中，尚存北京故宮的一部分近年經(jīng)整理，刊載于《清宮鐘表珍藏》一書之中。
    

    圖8  《皇朝禮器圖式》繪清宮制自鳴鐘
    

    圖9  《皇朝禮器圖式》繪清宮制時(shí)辰表

    圖10  黑漆描金樓式鐘(局部)

　　自明末歐洲自鳴鐘和計(jì)時(shí)器傳入中國(guó)以來，鐘表一直為人們所喜愛。據(jù)說，乾隆時(shí)貪官和坤家中藏大小自鳴鐘38座，洋表百余個(gè)。小說《紅樓夢(mèng)》多處描寫鐘表，以表現(xiàn)榮國(guó)府的富有與奢侈。其中，有擺鐘、時(shí)辰鐘、價(jià)值560兩銀子的自鳴鐘，以及歐洲式鐘表、核桃大小的金表等。乾隆十六年(1751)，印光任和張汝霖合撰《澳門紀(jì)略》，對(duì)該地西洋式鐘表作了如下描寫:

　　三巴條有十二辰盤，揭之定時(shí)臺(tái)前，俟某時(shí)鐘動(dòng)，則蟾蜍移至某位。自鳴鐘有數(shù)種:曰桌鐘；曰掛鐘。小者圓如銀鋌，皆按時(shí)發(fā)響。起子末一聲，至午初十二聲；復(fù)起午末一聲，至子初十二聲。鳴時(shí)八音并奏者，謂之樂鐘。欲知其辰而非其應(yīng)鳴之時(shí)，則掣繩轉(zhuǎn)機(jī)而報(bào)響，謂之問鐘。小者亦可問。自行表，大小同日規(guī)月影，以及璇璣諸器。又一物如鵝卵，實(shí)沙其中，而顛倒?jié)B泄之，以候更數(shù)，名曰鵝卵沙漏。

　　這段文字可以看作鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)之前傳入中國(guó)的西洋鐘表名目總匯。

　　隨著國(guó)內(nèi)鐘表制造的逐漸興起，嘉慶十四年(1809)，徐光啟的后裔徐朝俊撰寫了《鐘表圖說》一書，總結(jié)了有關(guān)制造技術(shù)和理論。全書包括:鐘表名目，鐘表事件節(jié)目，事件圖，配齒輪法，作法，修鐘表停擺法，裝拆鐘表法，用鐘表法，鐘表鎖略等。全書50余幀機(jī)械零件圖。從用途言之，它介紹了掛鐘、擺鐘、問鐘、鬧鐘、座鐘、樂鐘、時(shí)辰鐘、表和問表等多種，其中重點(diǎn)介紹了重錘驅(qū)動(dòng)的掛鐘和鋼腸發(fā)動(dòng)的擺鐘。就擺言之，它介紹了六種擺:掛擺、擔(dān)擺、梳擺、圓擺、管擺、蟹螯擺，總稱為“量天尺”(圖11)?！剁姳韴D說》是我國(guó)歷史上第一部有關(guān)機(jī)械鐘的工藝大全，亦是當(dāng)時(shí)難得的一部測(cè)時(shí)儀器和應(yīng)用力學(xué)著作。
    

    圖11  故宮藏六合驗(yàn)時(shí)儀

    圖12  徐朝俊《鐘表圖說》繪六種鐘擺

單擺知識(shí)的傳入及應(yīng)用

　　隨著鐘表的傳播，有關(guān)單擺的知識(shí)亦傳入中國(guó)并為人們所掌握。

　　在1674年成書的《新制靈臺(tái)儀象志》卷四《垂線球儀》中，作者比利時(shí)耶穌會(huì)士南懷仁(1623～1688)介紹了單擺知識(shí)，包括擺的制作及其在測(cè)時(shí)方面的應(yīng)用、單擺弧線運(yùn)動(dòng)和等時(shí)性原理、擺長(zhǎng)與其振動(dòng)周期平方成正比等內(nèi)容。

　　大約在《新制靈臺(tái)儀象志》成書后約150年，鄒伯奇(1819～1869)指出計(jì)算條形擺長(zhǎng)所必需注意之處:“然擺之長(zhǎng)短不在銅條之度，而在重心之高下:重心高者(擺)短也；重心下者(擺)長(zhǎng)也。”

　　重心概念在計(jì)算擺長(zhǎng)中確實(shí)重要。鄒伯奇還指出了改變條形擺長(zhǎng)的方法。

　　早期的秒擺是由圖2中的梳擺發(fā)展而來的，在清宮內(nèi)稱其為“六合驗(yàn)時(shí)儀”，或簡(jiǎn)稱“驗(yàn)時(shí)儀”、“驗(yàn)時(shí)儀墜子”。北京故宮博物院還藏有實(shí)物。在清代鐘表行業(yè)中稱其為“豎表”，南京博物院藏有實(shí)物。故宮博物院收藏乾隆九年(1744)制“六合驗(yàn)時(shí)儀”與《皇朝禮器圖式》卷三《儀器》繪畫完全一致，如圖11。它類似一個(gè)置于盒內(nèi)的復(fù)擺，擺錘銅質(zhì)，擺桿鋼質(zhì)。經(jīng)近年實(shí)驗(yàn)證實(shí)，其擺動(dòng)周期為1秒。

　　康熙年間曾用這種秒擺測(cè)定河水流速?？滴醯塾谌荒?1692)在乾清門給眾臣言及以驗(yàn)時(shí)墜子測(cè)定河流閘口每秒的流速，再乘以閘口面積，就可以算出閘口流量。這是康熙帝從耶穌會(huì)士學(xué)來的知識(shí)?？滴趿荒?1722)完成編纂的《數(shù)理精蘊(yùn)》下編卷三十七第十題中，曾述及以“驗(yàn)時(shí)儀墜子”測(cè)定流速和流量:　　

　　請(qǐng)一木板一塊，置于水面，用驗(yàn)時(shí)儀墜子候之，看六十秒內(nèi)木板流遠(yuǎn)幾丈。

　　此法先用木板驗(yàn)水流之緩急，……看水之緩急則知水流之多少。故先求得河口面積，再以遠(yuǎn)乘之，即得水流之積數(shù)也。

　　據(jù)《皇朝禮器圖式》載，乾隆時(shí)曾用六合驗(yàn)時(shí)儀測(cè)定聲速:該儀之?dāng)[“一往一返為一秒，七秒為五里，凡發(fā)聲時(shí)撥之使動(dòng)，驗(yàn)秒數(shù)以知聲之遠(yuǎn)近。”由清代度量衡制，并將其換算成今制，知當(dāng)時(shí)測(cè)得聲速為411米/秒。這個(gè)數(shù)值不同于近代初期歐洲各種測(cè)定值，可斷其為乾隆時(shí)中國(guó)聲速測(cè)定值。
    作者:原中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所研究員　現(xiàn)為首都師范大學(xué)物理系教授