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      一根桿子,如何“測量”了中國上下五千年

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      每到春節(jié),人們總會感嘆一句——又過了一年。時間的更替,人類最初是如何判斷的呢?答案藏在最樸素的自然現(xiàn)象中:光與影。當先民“立竿見影”,觀察到影子會周期性伸縮時,人類第一次用空間記錄了時間的節(jié)律。在中國,這種以影測時的經(jīng)驗逐漸發(fā)展為定量的圭表,并通過大型觀象工程建立起國家歷法體系,深刻影響了中國古代對天時與秩序的理解。而這也構(gòu)成了人類認識“投影”的最早篇章。

      撰文 | 陳偉(江南大學人工智能與計算機學院副教授)

      始于一道光

      在2008年北京奧運會開幕式上,相信很多人對那震撼的開篇記憶猶新:一道光芒掠過,巨大的日晷影像出現(xiàn),晷針之影在時光流轉(zhuǎn)中劃過刻度。這不僅是藝術(shù)的呈現(xiàn),更是文明源頭的回響。它直白地揭示了一個古老的秘密:人類對時間的度量,始于對光與影的觀察。

      人類的智慧在于,總能從最樸素的現(xiàn)象中找到丈量世界的尺度。當古人立起一根桿子,觀察它在地面上移動的影子時,實際上完成了一次偉大的抽象——將不可見的時間,投影為可見的空間位移。




      圖1 從左至右:湖北秭歸東門頭遺址出土的“太陽人”石刻(距今約7000年,現(xiàn)藏于湖北省博物館)。這是中國最早的太陽崇拜食物之一。亦有天文學家推測,其修長的身軀可能是“立表測影”工具的擬人化表達,暗示了人類利用光影測量時空的早期嘗試。(圖源:湖北省博物館)

      周公測景臺,位于河南登封。傳說始于西周,現(xiàn)存為唐代石刻(圖源:Wikimedia Commons / 攝影:Halazhang )。

      故宮太和殿前的漢白玉日晷——明清皇權(quán)的重要象征,也是中國古代授時制度的實物見證。晷盤與地球赤道面平行,盤面(正面和反面)均刻有十二地支,代表十二時辰。晷針垂直穿過晷盤中心,指向地球的南、北天極(圖源:故宮博物院)。

      北京天安門廣場華表。華表古稱“桓表”,其形制脫胎于上古時代的“圭表”。它原本是先民用來觀測日影長短、厘定歷法的木桿,后來才逐漸演化為象征威儀的石質(zhì)圖騰。它是古老投影技術(shù)在建筑美學上的孑遺(圖源:Wikimedia Commons / 攝影:EditQ)。

      1. 從身體感知到客觀度量

      人類對光影的捕捉經(jīng)歷了一個從身體感知到客觀度量的漫長跨越。

      《周髀算經(jīng)》是我國最古老的天文數(shù)學著作之一,記載了關(guān)于投影起源最原始的線索:“周髀,長八尺。……髀者,股也。……髀者,表也。”“髀”的本意是大腿骨。這行文字揭示了測量學的起源:先民在勞動中,最先觀察的是自身肢體在地面投下的影子。出土于湖北秭歸的“太陽人”石刻(距今約7000年),為這一假說提供了佐證——那尊修長的人像被視為“立表測影”的擬人化表達。




      圖2 左圖:陶寺遺址復(fù)原的“古觀象臺”(圖源:網(wǎng)絡(luò));右圖:左側(cè)為陶寺遺址出土的立表實物(圖源:陶寺遺址博物館);右側(cè)為立表復(fù)原圖(圖源:參考文獻[1])。

      然而,身體的影子隨身高而異,難以通用。隨著文明的演進,這種主觀的感知被迫切地轉(zhuǎn)化為客觀的標準。

      出土于山西襄汾的陶寺遺址(約公元前2300年),展示了先民如何將這種感知上升為國家級的數(shù)學實踐。這里提供了兩套不同的光影測量方案:一是定方位(迎光),二是量長短(測影)。

      在遺址東南側(cè),考古學家發(fā)現(xiàn)了一座特殊的建筑遺跡(編號IIFJT1)。它呈半圓形,墻上設(shè)有13根均勻排列的夯土柱,形成12道縫隙。這不是一般墻體,而是一張巨大的“光影捕捉網(wǎng)”。經(jīng)復(fù)原研究,這些縫隙恰好對準春分、秋分及冬至等重要節(jié)氣的日出方位——這是一種“地平歷”系統(tǒng)。先民透過縫隙迎著陽光觀測,當晨曦穿過特定縫隙投射到圓心,便標記了季節(jié)的流轉(zhuǎn)。

      如果說早期觀象臺捕捉的是太陽的水平方位,那么圭表捕捉的則是太陽的垂直高度。

      圭表由“圭”和“表”兩個部件組成:垂直立于地平的柱稱為“表”,平臥于地面的尺稱為“圭”。古人發(fā)現(xiàn),正午日影在一年中會不斷地改變長度。夏至之日,影最短;冬至之日,影最長。為了量化這一規(guī)律,標準化的工具誕生了。

      2002年,在陶寺中期王級大墓(IIM22)中,出土了一件紅黑漆木桿。經(jīng)中國社科院考古研究所與天文學家聯(lián)合考證,這根木桿殘長171.8厘米,上繪有黑、綠、紅三色色帶,被認為是迄今為止中國發(fā)現(xiàn)最早的圭表實物。它的出現(xiàn),證明了4000多年前的先民已經(jīng)建立起“立竿見影”的定量模型,開始利用標準化的工具采集日影數(shù)據(jù)。

      2. 工程實踐:從周公測景臺到元代觀星臺




      圖3 左圖:河南登封觀星臺(圖源:Wikimedia Commons / 攝影:Takwing Kwong);右圖:紫金山天文臺明代銅圭表(圖源:中國科學院紫金山天文臺)。

      周公測景臺,位于河南省登封市告成鎮(zhèn),是中國現(xiàn)存最早的天文臺之一,也是世界上著名的天文科學建筑物。傳說西周初年,周公姬旦為了營建東都洛陽,在此尋找大地的中心。《周禮》記載:“日至之景,尺有五寸,謂之地中。”這種“立桿測影”的方法,在春秋戰(zhàn)國至漢代完成了關(guān)鍵的制度化定型。據(jù)漢代文獻《三輔黃圖》記載,長安靈臺已有“銅表,高八尺,長一丈三尺”的標準形制。這里蘊含著精妙的投影邏輯:“表高八尺”源于對人體身高的參照,呼應(yīng)了“髀”的起源;而“圭長一丈三尺”則是基于實測數(shù)據(jù)的極值設(shè)計——八尺之表,夏至影長約1.5尺,冬至影長則達1.3丈,圭面的長度恰好能完整承接全年的日影變化。這一比例的確立,標志著圭表技術(shù)從經(jīng)驗性使用邁向了規(guī)范化測量。

      現(xiàn)存的石臺雖為唐代(723年)天文學家南宮說依據(jù)舊制仿建,但完美繼承了這一古老的標準:表(石柱)高8尺,垂直立于地面作為投影源;圭(石座)呈梯形,位于表北側(cè)承接日影。在夏至日正午,8尺石表的影子恰好投射在底座邊緣,影長僅約一尺五寸。站在周圍看,仿佛石柱無影,故民間俗稱“沒(mò)影臺”。

      而位于周公測景臺北側(cè)不遠處的元代觀星臺,則是將“投影技術(shù)”從幾何學推向光學的“黑科技”。

      元代至元十三年(1276年),天文學家郭守敬為了編制新歷法(后稱《授時歷》),在全國建立了27個觀測站,登封觀星臺是其中的中心站。為了突破精度的瓶頸,郭守敬創(chuàng)造性地將“表”由傳統(tǒng)的“八尺”放大到“四十尺”高的磚砌高臺,形成一座宏偉的“高表”。其北側(cè)平鋪著一條長達31.19米的青石甬道,被稱為“量天尺”。

      理論上,表越高,投影越長,分辨率越高。但物理效應(yīng)帶來了新難題,由于太陽是面光源,表越高,影子的邊緣就越模糊(半影效應(yīng)),導(dǎo)致無法精確讀取讀數(shù)。為此,郭守敬天才地發(fā)明了一個叫“景符”的輔助儀器。這是一個帶有小孔的銅片,利用小孔成像原理,讓陽光穿過小孔,在石圭上投射出一個清晰的太陽實象。通過測量光斑中心,郭守敬成功實現(xiàn)了對影長的“光學銳化”。

      基于這種極高精度的投影測量,郭守敬推算出一個回歸年為365.2425天,與現(xiàn)代科學測定值僅相差26秒,比歐洲頒布格里高利歷早了300年。

      3. 便攜的進化:從袖珍圭表到日晷




      圖4 左圖:東漢銅圭表,為中國現(xiàn)存最早的圭表實物(圖源:南京博物院);右圖:漢代石刻日晷(圖源:中國國家博物館)。

      在官方不斷追求高表精度的同時,另一條便攜化、普及化的技術(shù)路線也在悄然發(fā)展。

      1965年,在江蘇儀征石碑村東漢墓中,出土了一件精巧的銅圭表。它表高19.2厘米、圭長34.5厘米。這組尺寸并非隨意為之,而是暗合了官方標準——它恰好是漢代標準圭表的十分之一精確縮比模型。圭、表用樞紐連接,使之合為一體;使用時將表豎立與圭垂直,平時可將表折入圭體中留出的空擋內(nèi)。這種袖珍圭表的出現(xiàn),證明了當時的投影技術(shù)已經(jīng)高度標準化,并開始從皇家天文臺走向士大夫的書案,成為可以隨身攜帶的“節(jié)氣尺”。

      但圭表無論大小,測量的都是影子的長度(季節(jié))。真正讓時間刻度進入日常生活的,是日晷。1897年出土于內(nèi)蒙古托克托縣云中郡古城的漢代石制日晷,展示了利用晷針投影方向來測定時刻的邏輯。其盤面刻有的69條輻射線(對應(yīng)白晝),印證了中國古代獨特的“百刻制”,證明2000年前古人已能將時間進行百分之一精度的切割。




      圖5 左圖:銅鍍金赤道式日晷,地平盤邊長25厘米(18世紀英國制造);右圖:嵌琺瑯地平式日晷儀漢,晷盤長13.7厘米,寬7.5厘米(清,中國廣州制造)。(圖源:故宮博物院)。

      投影技術(shù)的便攜化在明清時期達到了巔峰。故宮博物院藏有大量清代制作的“赤道日晷”與“地平日晷”,材質(zhì)考究(銅鍍金、象牙、硬木),體量極小,有的甚至折疊后僅如懷表大小。

      更關(guān)鍵的是,為了讓投影在移動中依然有效,這些便攜日晷通常底座內(nèi)置精密的指南針,以確保晷針平行于地球自轉(zhuǎn)軸。這種將投影幾何與地磁定向結(jié)合的掌上儀器是中西天文學融合的產(chǎn)物,人類將宏大的宇宙投影,折疊進了自己的衣袋之中。

      4. 超越計時:中華文明的“幾何原點”

      當我們審視這些跨越數(shù)千年的遺跡時,會發(fā)現(xiàn)一個驚人的事實:投影,在中國古代絕不僅僅是計時工具,它構(gòu)成了中華文明合法性的幾何原點。

      古人認為,能夠測得夏至日影長標準為一尺五寸的地方,就是大地的中心(地中)。這是一種極具數(shù)學美感的政治哲學:在物理層面,通過投影找到影長最短、四季最均衡的地理位置;在政治層面,誰掌握了“地中”,誰就擁有了溝通天地的特權(quán),誰就是合法的統(tǒng)治者。陶寺、洛陽、登封之所以成為歷代王朝的核心地帶,正是因為在投影的幾何邏輯中,這里是天下的零點。

      那根直立的表桿,投下的是“以農(nóng)為本、敬授民時”的文明契約。

      文化中的投影

      1. 甲骨文中的光影邏輯

      從漢字的構(gòu)造中,我們也能追溯到先民對“投影”這一物理過程的深刻理解。甲骨文即是光影最早的記錄者,古人用線條勾勒出了投影的本質(zhì)。




      圖6 甲骨文的造字智慧(圖源:網(wǎng)絡(luò))

      “中”(zhōng):今天我們理解的“中間”,在甲骨文中是一面旗幟在圓圈中飄揚的象形。這實際上是氏族部落樹立的“表”。當太陽直射,旗桿影子最短且居于正下方時,即為“中”。“中”既是空間的位置,也是時間的刻度(正午)。“中”這一來自投影的原始意象,不斷延伸,逐漸演化出“中國” 的地緣認知與“中正” 的價值體系。

      “立”(lì):甲骨文形體像一個人直立在地面(一)之上。古人常說“立竿見影”,只有先確立一個垂直于地面的“立”(Object),才能產(chǎn)生具有測量意義的“影”(Projection)。在甲骨文卜辭中,常有“立中”的記載,意思就是豎立旗桿(表)來觀測日影。這個字代表了人類主動制造投影、利用投影的行為。

      “景”(jǐng,即“影”的本字。在甲骨文中,“京”字描繪了高聳的亭臺建筑,而到了周代的金文中,古人特意在“京”字頭頂加上一輪“日”,創(chuàng)造了“景”。古人極其精準地捕捉了投影的三要素:光源(日)、遮擋物(京)與由此而生的像(影),沒有比這更直觀的物理圖解了。

      “昜”(yáng,即“陽”的本字):甲骨文形體左邊是一座祭壇或山阜(),右邊是升起的太陽(日),下方還有向下的光芒線。與“景”字強調(diào)陰影相反,“昜”字強調(diào)的是光的投射。它描繪了太陽升起,光芒萬丈地投射在山陵或祭壇上的景象。古人通過這個字表達了對“受光面”的認知。“陰”是山北背光之處(影),“陽”是山南受光之處(光)。這兩個字合在一起,構(gòu)成了最原始的二元光影模型:光線直線傳播,遇到障礙物,一面是燦爛的“投影”(陽),一面是深邃的“背影”(陰)。

      “監(jiān)”(jiān):其甲骨文字像一個人跪在水盆(皿)旁邊,瞪大眼睛(目)向下俯視。這個字描繪的是“臨水照影”。在銅鏡普及之前,古人通過平靜的水面來觀察自己的容貌。古人敏銳地捕捉到了光線在水面發(fā)生反射,形成與實物對稱的“倒影”。“監(jiān)”后來引申為鏡子(鑒),再引申為“監(jiān)督”“察看”,其核心邏輯就是“以影為證,映射真實”。

      “昃”(zè):字形生動地描繪了太陽西斜,人的影子被拉長的狀態(tài)。《易經(jīng)》云“日中則昃”,一個字便濃縮了時間流逝、光影變幻的動態(tài)過程。

      “莫”(mò,即“暮”的本字):這個字捕捉的是黃昏時刻的光影氛圍。甲骨文形體由“日”(太陽)和四個“屮”(草/樹木)組成,像太陽落入草叢之中。當光源(太陽)位置極低,穿過復(fù)雜的遮擋物(草木)時,地面上的投影不再清晰銳利,而是變得破碎、修長且模糊。“莫”字描繪了太陽的位置,顯示光線被環(huán)境吞沒、投影即將消失的臨界狀態(tài)。

      2. 詩詞中的光影意象

      當我們把目光從古老的造字智慧移開,投向課本,會發(fā)現(xiàn)這種對“投影”的直覺,其實深植于我們的成長記憶中。

      在人教版小學一年級(上冊)的語文課本里,有一首膾炙人口的兒童詩《影子》:

      “影子在前,影子在后,影子常常跟著我,就像一條小黑狗。

      影子在左,影子在右,影子常常陪著我,它是我的好朋友。”

      在這個孩童最純真的視角里,本質(zhì)上體現(xiàn)了關(guān)于投影的深刻直覺:

      孩子敏銳地察覺到,“前、后、左、右”并非影子的固有屬性,而是取決于光源與本體的相對位置。可以說,這里蘊含著數(shù)學中坐標變換的雛形。

      詩人把影子比作“小黑狗”,這其實是一個絕妙的特征提取:影子雖然丟失了色彩和五官,但它保留了輪廓與動態(tài),忠實地跟隨著本體。在孩子的眼里,投影是有生命的伙伴。

      隨著年齡增長,文學中的影子進化為了成人世界里復(fù)雜情感的投影容器:

      李白 《月下獨酌》——

      花間一壺酒,獨酌無相親。

      舉杯邀明月,對影成三人。

      月既不解飲,影徒隨我身。

      暫伴月將影,行樂須及春。

      我歌月徘徊,我舞影零亂。

      醒時同交歡,醉后各分散。

      永結(jié)無情游,相期邈云漢。

      在李白的酒杯中,投影是孤獨的解構(gòu)者。詩人利用光(明月)與遮擋體(自身),將原本依附于實體的物理“影子”,人格化為獨立的第三者。這恰如數(shù)學中將高維對象映射到低維平面的思想萌芽:月光將三維的血肉之軀映射為二維的剪影。在詩人眼中,影子不是光學的副產(chǎn)品,而是自我意識在二維世界里的一種保真?zhèn)浞荨?/p>

      蘇軾 《題西林壁》——

      橫看成嶺側(cè)成峰,

      遠近高低各不同。

      不識廬山真面目,

      只緣身在此山中。

      蘇軾參透了投影的“代價”。為何“橫看”與“側(cè)看”得到的形狀截然不同?因為任何單一視角的投影,都必然因為維度的壓縮而丟失深度信息。這首詩隱喻了一個深刻的道理:我們看到的往往只是真理的一個側(cè)影,只有綜合無數(shù)個不同角度的投影,才有可能在腦海中拼湊出那個三維的、完整的“廬山真面目”。

      林逋 《山園小梅》——

      “疏影橫斜水清淺,暗香浮動月黃昏。”

      在北宋隱士林逋的眼中,投影更是一種高級的美學篩選——做減法。梅花本體或許枝繁葉茂、色彩紛呈,但在月光與水面的共同作用下,一切冗余的色彩與細節(jié)被濾去,只留下了最核心、最清瘦的骨架結(jié)構(gòu)——疏影。這種去繁就簡的審美直覺,與數(shù)學家試圖在紛繁數(shù)據(jù)中尋找關(guān)鍵特征的思維不謀而合:有時候,拋棄了細節(jié)的影子,反而比本體更能揭示事物的神韻。

      光學實證:中國古人的科學智慧




      圖7 左圖:墨子小孔成像實驗示意圖(圖源:基于人教版物理教材插圖重繪);右圖:現(xiàn)代城市數(shù)字光影(圖源:Pixabay)。

      人類對光與影的探索跨越兩千余年,當人類不再滿足于僅僅看到影子的輪廓,投影便從一種粗糙的測量手段,進化為精密的成像科學。這其中,中國古人展現(xiàn)了令世界驚嘆的實證精神。

      1. 墨子:被李約瑟盛贊的“光學公理”

      早在戰(zhàn)國時期,墨家學派的先驅(qū)們已經(jīng)在一間暗室里完成了人類光學的啟蒙。在《墨經(jīng)》中,留下了這樣一段卓有見地的記載:

      “景,光之人煦若射。下者之人也高,高者之人也下。足蔽下光,故成景于上;首蔽上光,故成景于下。在遠近有端于光,故景庫內(nèi)也。”

      這句話極具畫面感。墨子敏銳地洞察到,光線照射人體(煦),就像射出的箭(射)一樣筆直前行。當光線穿過針孔(端)時,來自頭部的光線直射向下,來自腳部的光線直射向上,兩者在孔中交叉,必然在墻壁上形成倒立的影像。這是目前已知人類歷史上對“倒像”成因最早的物理學解釋,基于實證觀察,最早確認了光沿直線傳播這一核心物理事實。

      英國科學史權(quán)威李約瑟(Joseph Needham)在其巨著《中國科學技術(shù)史》(第四卷物理學分冊)中,對墨子的這一發(fā)現(xiàn)給予了最高評價。他寫道:“《墨經(jīng)》中光學的條目,雖然只有八條,但其條理之規(guī)范,秩然而成章……比我們所知的歐幾里得或托勒密光學還要早。”

      李約瑟極度推崇《墨經(jīng)》的邏輯嚴密性,他多次將墨家與歐幾里得(Euclid)對比,并指出,墨子關(guān)于“光心”(即文中的“端”)和“倒像”的論述,展現(xiàn)了與古希臘幾何光學相媲美的邏輯體系。

      2. 沈括:用“船櫓”破解動態(tài)投影的奧秘

      到了宋代,三司使沈括在《夢溪筆談》中,將墨子的靜態(tài)觀察推進到了動態(tài)規(guī)律。他記載了一個有趣的現(xiàn)象:

      “若鳶飛空中,其影隨鳶而移;或中間為窗隙所束,則影與鳶遂相違,鳶東則影西,鳶西則影東。”

      平時看鳥影是同向移動的,但若透過窗隙(小孔),鳥向東飛,影子卻向西移。沈括沒有止步于現(xiàn)象,而是提出了一個絕妙的物理模型——“格”(即船櫓的支點)。他在書中解釋道:

      “礙,如櫓中之格……柄至東,則版隨至西;柄至西,則版隨至東。”

      這句話的意思是,小孔(即文中所謂的“礙”)就像船櫓的支點(格)。當光源(手柄)向東移動時,通過支點的光線(船槳)必然帶動像(槳板)向西移動。李約瑟對此評價道,沈括用“格術(shù)”這一機械類比,極其精彩地揭示了投影幾何中的中心對稱與運動反向原理。

      3. 趙友欽:千燭之光與“對照實驗”

      前兩者偏重于觀察,那么元代學者趙友欽(13世紀)進行了一場具備現(xiàn)代科學精神的控制變量實驗。在《革象新書》的《小罅光景》篇中,趙友欽為了探究“像”的形狀究竟取決于孔還是取決于光源,他精心設(shè)計了如下步驟:為了在室內(nèi)獲得足夠強的面光源,他點燃一千多支蠟燭拼成圓盤,模擬太陽。書云:

      “置千余燭于竅之下……密聚而只有一影。”

      接著控制變量,他利用樓閣上下高度差模擬不同像距;在板上開鑿方、圓、三角等不同形狀的孔。最終趙友欽發(fā)現(xiàn),當孔足夠小時,無論孔是什么形狀,像總是圓的(隨燭盤形狀)。他總結(jié)出著名的“景隨日形,不隨孔方”。

      這一結(jié)論通過精妙的實驗,定性厘清了光源、孔徑與像三者之間的幾何變化規(guī)律。李約瑟認為,這是中國古代在實驗物理學領(lǐng)域達到的最高峰之一。

      4. 現(xiàn)代光影藝術(shù):古老智慧的逆向重構(gòu)

      時光流轉(zhuǎn)至今日,趙友欽那間布滿燭光的暗室,已演變?yōu)楝F(xiàn)代城市的璀璨夜空。

      當我們駐足于光影藝術(shù)節(jié),看著古老的城墻在光束中崩塌重組,看著巨大的鯨魚在建筑表面游弋,這其實是投影技術(shù)的一次華麗轉(zhuǎn)身。現(xiàn)代的投影映射(Projection Mapping),本質(zhì)上是對小孔成像原理的逆向運用。

      小孔成像是將外部世界的廣闊光影“收集”進暗箱,在平面上凝固為像;而投影映射則是將計算機生成的高維數(shù)字影像,通過高流明的投影儀(即一臺逆向工作的相機),“投射”回三維的物理世界。而為了讓影像在凹凸不平的古建筑或雕塑上顯得平整自然,藝術(shù)家必須進行復(fù)雜的幾何校正。這依然遵循著墨子和沈括發(fā)現(xiàn)的直線傳播原理。只是現(xiàn)在的計算量,已由當時的簡單幾何推理,變成了對數(shù)百萬個光像素在三維空間中的精準定位。

      參考資料

      [1] 馮時. 文明以止——上古的天文、思想與制度[M]. 中國社會科學出版社,2025年.

      [2] [美]琳恩·蓋姆韋爾 著. 數(shù)學與藝術(shù):一部文化史[M]. 天津科學技術(shù)出版社,2023年

      [3] 李約瑟. 中國科學技術(shù)史 第四卷 物理學及相關(guān)技術(shù)[M]. 科學出版社,2003年

      [4] 陸林漢. 馬丁·肯普:從布魯內(nèi)萊斯基說起,看文藝復(fù)興的透視與光[N/OL]. 澎湃新聞, 2024-10-24.

      注:本文封面圖片來自版權(quán)圖庫,轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛。

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