戴念祖  本期欄目主持人  關增建

　　計時器在中國有悠久的歷史，除了圭表、日晷、刻漏和“火鐘”(點燃附有標尺或有標記的香燭)外，中國是世界上最早成功地制造機械計時器的國家。中國古代機械計時器的特點是多與天文儀器相結合，既可以演示天象變化，又能同時報告時刻，而且是以一個機械系統同時推動、控制和調節天文儀器和計時器。這種機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)，這種計時器屢被制造。宋初，張思訓于公元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、最先進的天文鐘，稱之為“水運儀象臺”。(圖1)它們都是近代鐘表的祖先。不過，中國近代機械計時器及與之相關的知識的發展，卻與傳教士對歐洲近代機械鐘表的傳入是分不開的。
    

    圖1  蘇頌水運儀象臺結構圖

明末清初歐洲近代機械鐘表的傳入和改進

　　　近代機械鐘表發展的關鍵理論是17世紀由物理學家做出的。伽利略(G.Galile,1564～1642)和惠更斯(C.Hoggens,1629～1695)各自獨立地研究了擺線和單擺的等時性，為近代鐘表的產生與興起奠定了理論基礎。鐘表也成為表征當時力學發展的重要技術成就。

　　歐洲從14世紀起流行以重錘驅動、以心軸節擺控制的機械鐘(圖2(a)所示自鳴鐘)。后者在明清時期稱為“梳擺”圖(a)。圖(a)未畫出系于繩索上(見該圖右下部)的驅動錘；圖(b)中，AB為可調重錘，其中央C處有棘爪FG，以控制冕輪E的轉動。E軸上纏繞繩索，索一端懸掛驅動錘H。伽利略晚年曾設計鐘，但似乎未曾完成。而后惠更斯于1657年取得了擺鐘發明權，1673年又發明了盤簧、表簧。1680年倫敦鐘表師克萊門特(Clement)在鐘表內裝上節擺錨，即擒縱器。這歷史情況對于了解不同時期傳入中國的鐘表狀況是重要的。可以說，明亡(1644)之前，耶穌會士帶入中國的鐘是歐洲古代水鐘、沙漏，中世紀重錘驅動的鐘或稍加改進的產品；從清順治十五年(1658)起，傳入中國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條(或游絲)的鐘(表)。    

    圖2  中世紀歐洲自鳴鐘及其梳擺

　　在耶穌會士進入中國大陸之前，居住澳門的外國商人和傳教士已將中世紀歐洲鐘攜至澳門。耶穌會士羅明堅(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。《利瑪竇中國札記》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送地方官吏、朝廷使臣，而換取居留當地或進京的許可；后者又如何貪婪地向他們索取這些奇巧之物。當1601年初，利瑪竇抵京，將其禮物包括自鳴鐘二具奉呈朝廷時，“皇帝陛下(指明神宗)對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，高興得連太監都“進級加俸”，甚至著急地“想看看這些送來禮物的異國人”。這些鐘是屬于重錘驅動的自鳴鐘或稍加改進的產品。

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

    圖3  《琉球國志略》繪沙漏

    圖4  鄒伯奇改進的歐洲水鐘

　　繪圖重錘驅動的自鳴鐘，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圈，表示由重錘驅動的彼此嚙合的齒輪，其上似“天平”之圖就是梳擺。王徵結合中國機械鐘報時傳統將報時裝置改為敲鐘、擊鼓和司辰木偶。當然，這一改就使王徵的設計比歐洲自鳴鐘復雜得多。王徵還根據這種自鳴鐘原理設計了鐘機傳動的“自行車”、“自行磨”。雖然它們并無實用價值，但表明王徵學會制造歐洲自鳴鐘。崇禎二年(1629)，徐光啟主持歷局，他在奏請制造天文儀器的清單中，有“候時鐘三”。候時鐘雖未制成，但徐光啟(1562～1633)最早提出向西方學制鐘表的設想。
    

    圖5  《新制諸器圖說》繪輪壺圖

　　值得指出的是，從歐洲機械鐘傳入之初，為適應中國人的計時制度，歐洲鐘不得不在計時方法上作修改。表盤顯示數字由歐洲一日轉兩圈的24小時制改為中國的一日轉一圈的十二時辰制，顯時盤上的羅馬數字也改成漢字。明萬歷十年冬(1583年初)，羅明堅送肇慶府“總督”一架帶車輪的大自鳴鐘，是迄今所知最早作計時制修改的例子。改成中國計時制后，“大鐘鳴時，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。”入清后，又改為正午、正子各十二擊。或者，如王大海在《海島逸志》中所述者:

　　定時鐘，以一日分十二時，鐘分十二點:子時一點，巳末十二點，午時又一點，亥末又十二點。鐘小者盈尺，大者高數尺，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”是十二個時辰，“十二點”是指鐘鳴響次數。當然，在北京、天津、南京各地制造的鐘表，也有時辰鳴鐘數不完全相同者。然而，十二時辰計時制及其顯時盤從此一直延續到清末。

　　從順治十五年(1658)起，傳入中國者當有惠更斯型擺鐘。由于調查、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。或許，清初劉獻廷(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。因為劉獻廷記述中，只涉及鐘內“大小輪多至二十余，皆以黃銅為之”。既未涉及重錘梳擺，亦未涉及發條之類。康熙二十年(1681)起，有擒縱器和發條的機械鐘傳入中國。康熙二十三年(1684)，康熙帝賜葡萄牙耶穌會士徐日升(Thomas Pereira，1645～1708)金扇，上繪自鳴鐘，并作《戲題自鳴鐘》詩。詩曰:

　　晝夜循環勝刻漏，綢繆宛轉報時全；
　　陰陽不改衷腸性，萬里遙來二百年。

　　從詩中“衷腸”二字可見，有發條的機械鐘表已傳入中國。時人稱“發條”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)，故宮藏清初時辰醒鐘(圖7)，大概都是早期輸入中國或中國自制的具有發條和擒縱器的機械鐘。
    

    圖6  《古今圖書集成》繪鬧鐘

    圖7  清宮藏時辰醒鐘

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近代機械鐘在中國的制作

　　歐洲機械鐘傳入中國后，民間有人相繼學制機械鐘。劉獻廷《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辰鐘，內有重錘和梳擺。它大概是明末清初中國人自制的自鳴鐘之一。

　　除了民間以外，清廷也設置了鐘表作坊，大量制作機械鐘表。清宮內設鐘表作坊大概起于康熙十六年(1677)前后。該年，宮廷內“敬事房”下設“做鐘處”，置“侍監首領一人”；在“端凝殿”置“兼自鳴鐘執守侍首領一人，專司……并驗鐘鳴時刻”。此后，“做鐘處”逐漸擴大，工匠增多。康熙三十年(1691)后，遷出廷，另設作坊，有廠房150余間，頗具規模；雍正時又成為造辦處內一個作坊，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)，瑞士鐘表匠林濟各(Pater Stedlin，1668～1740)等前后十余人。他們領導制造了各種鐘表，還培養了不少鐘表匠。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。有的是中西結合的特殊的鐘，表盤以十二時初正記時，短針指時，長針指刻。表盤又以羅馬數字示時辰初正。與宮內做鐘幾乎同時，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。制造鐘表最重要的發條、游絲多自澳門、廣州、寧波等地外商中購進。此外，清廷還從歐洲各國購買了各式各樣藝術鐘表。它們中，尚存北京故宮的一部分近年經整理，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》繪清宮制時辰表

    圖10  黑漆描金樓式鐘(局部)

　　自明末歐洲自鳴鐘和計時器傳入中國以來，鐘表一直為人們所喜愛。據說，乾隆時貪官和坤家中藏大小自鳴鐘38座，洋表百余個。小說《紅樓夢》多處描寫鐘表，以表現榮國府的富有與奢侈。其中，有擺鐘、時辰鐘、價值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《澳門紀略》，對該地西洋式鐘表作了如下描寫:

　　三巴條有十二辰盤，揭之定時臺前，俟某時鐘動，則蟾蜍移至某位。自鳴鐘有數種:曰桌鐘；曰掛鐘。小者圓如銀鋌，皆按時發響。起子末一聲，至午初十二聲；復起午末一聲，至子初十二聲。鳴時八音并奏者，謂之樂鐘。欲知其辰而非其應鳴之時，則掣繩轉機而報響，謂之問鐘。小者亦可問。自行表，大小同日規月影，以及璇璣諸器。又一物如鵝卵，實沙其中，而顛倒滲泄之，以候更數，名曰鵝卵沙漏。

　　這段文字可以看作鴉片戰爭之前傳入中國的西洋鐘表名目總匯。

　　隨著國內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，總結了有關制造技術和理論。全書包括:鐘表名目，鐘表事件節目，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、時辰鐘、表和問表等多種，其中重點介紹了重錘驅動的掛鐘和鋼腸發動的擺鐘。就擺言之，它介紹了六種擺:掛擺、擔擺、梳擺、圓擺、管擺、蟹螯擺，總稱為“量天尺”(圖11)。《鐘表圖說》是我國歷史上第一部有關機械鐘的工藝大全，亦是當時難得的一部測時儀器和應用力學著作。
    

    圖11  故宮藏六合驗時儀

    圖12  徐朝俊《鐘表圖說》繪六種鐘擺

單擺知識的傳入及應用

　　隨著鐘表的傳播，有關單擺的知識亦傳入中國并為人們所掌握。

　　在1674年成書的《新制靈臺儀象志》卷四《垂線球儀》中，作者比利時耶穌會士南懷仁(1623～1688)介紹了單擺知識，包括擺的制作及其在測時方面的應用、單擺弧線運動和等時性原理、擺長與其振動周期平方成正比等內容。

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

　　重心概念在計算擺長中確實重要。鄒伯奇還指出了改變條形擺長的方法。

　　早期的秒擺是由圖2中的梳擺發展而來的，在清宮內稱其為“六合驗時儀”，或簡稱“驗時儀”、“驗時儀墜子”。北京故宮博物院還藏有實物。在清代鐘表行業中稱其為“豎表”，南京博物院藏有實物。故宮博物院收藏乾隆九年(1744)制“六合驗時儀”與《皇朝禮器圖式》卷三《儀器》繪畫完全一致，如圖11。它類似一個置于盒內的復擺，擺錘銅質，擺桿鋼質。經近年實驗證實，其擺動周期為1秒。

　　康熙年間曾用這種秒擺測定河水流速。康熙帝于三十一年(1692)在乾清門給眾臣言及以驗時墜子測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士學來的知識。康熙六十一年(1722)完成編纂的《數理精蘊》下編卷三十七第十題中，曾述及以“驗時儀墜子”測定流速和流量:　　

　　請一木板一塊，置于水面，用驗時儀墜子候之，看六十秒內木板流遠幾丈。

　　此法先用木板驗水流之緩急，……看水之緩急則知水流之多少。故先求得河口面積，再以遠乘之，即得水流之積數也。

　　據《皇朝禮器圖式》載，乾隆時曾用六合驗時儀測定聲速:該儀之擺“一往一返為一秒，七秒為五里，凡發聲時撥之使動，驗秒數以知聲之遠近。”由清代度量衡制，并將其換算成今制，知當時測得聲速為411米/秒。這個數值不同于近代初期歐洲各種測定值，可斷其為乾隆時中國聲速測定值。
    作者:原中國科學院自然科學史研究所研究員　現為首都師范大學物理系教授