復(fù)活沉睡千年的天文鐘

王麟

我國古人為了精確掌控時(shí)間，觀測天文，編制歷法，發(fā)明了渾天儀、圭表、漏刻等儀器設(shè)備，為天文學(xué)創(chuàng)立、發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。古人觀測天文用渾儀，演示天象用渾象，精準(zhǔn)計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)用圭表和漏刻。在很長的時(shí)間里，這四種儀器是獨(dú)立分開使用的。到了北宋元祐八年（1092年），擔(dān)任宰相的蘇頌帶領(lǐng)他的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，成功制造完成“水運(yùn)儀象臺(tái)”，將渾儀、渾象和計(jì)時(shí)、報(bào)時(shí)裝置組合在一起，通過水力驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。這是一座代表中國古代最高技術(shù)水平的天文觀測及計(jì)時(shí)儀器，也是一座古代天文臺(tái)，在世界上創(chuàng)造了史無前例的奇跡。

水運(yùn)儀象臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)了34年，到了1127年，由于北宋滅亡，儀器被金人劫往北國，最終毀壞殆盡。從此之后，水運(yùn)儀象臺(tái)便沒了音訊，只在古老典籍中沉睡至今。那么這臺(tái)千年天文儀器還能夠重見天日嗎？答案是：能！然而讓人想不到的是，復(fù)活這座宋代天文儀器花去了世界上頂尖專家60多年時(shí)間。

水運(yùn)儀象臺(tái)到底有何奧妙？

按照古代文獻(xiàn)記載，水運(yùn)儀象臺(tái)高約12米，底邊長約9米，功能區(qū)主要分為三大部分：最頂端是渾天儀，安裝在窗戶可開閉房間內(nèi)，主要用來觀測天文現(xiàn)象；中間是渾象儀，用于演示每天的星辰運(yùn)行變化；最下層是水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)的樞輪控制系統(tǒng)，這是天文鐘的核心部分。

水運(yùn)儀象臺(tái)的計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)系統(tǒng)是由從上到下的八重圓盤狀機(jī)輪組成，與渾象、渾儀垂直位于一條主軸上。八個(gè)機(jī)輪的主要功能如下：“天輪”用來驅(qū)動(dòng)渾象儀；“晝時(shí)鐘鼓輪”和“時(shí)刻鐘鼓輪”主要用來在整時(shí)、整刻的時(shí)候敲鼓、鳴鐘、搖鈴報(bào)時(shí)；“時(shí)初正司辰輪”的一周安裝有24個(gè)小木人，相當(dāng)于一晝夜分為12個(gè)時(shí)辰，每個(gè)時(shí)辰分配兩個(gè)木人，分別在時(shí)辰開始和時(shí)辰正中出來報(bào)時(shí)；“報(bào)刻司辰輪”的四周除了24個(gè)司辰木人之外，還增加了72個(gè)司刻木人，每過一刻鐘，就有一個(gè)小木人出來報(bào)時(shí)一次；“夜漏金鉦輪”和“夜漏更籌司辰輪”是為了夜間打更之用；“夜漏箭輪”是兩個(gè)夜漏打更機(jī)輪的驅(qū)動(dòng)輪。以上計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)的裝置統(tǒng)稱為“晝夜機(jī)輪”。

在這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，最讓中外專家傷透腦筋的是水運(yùn)儀象臺(tái)如何僅僅通過水力運(yùn)轉(zhuǎn)起來，而驅(qū)動(dòng)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)的樞輪機(jī)構(gòu)才是該儀器的最核心和最關(guān)鍵的部件，也是最難以解決的技術(shù)難題。

水運(yùn)儀象臺(tái)艱難的揭秘之旅

20世紀(jì)50年代初，清華大學(xué)劉仙洲教授和中國科學(xué)院外籍院士、英國劍橋大學(xué)李約瑟博士開始了水運(yùn)儀象臺(tái)的復(fù)原研究。到了1950年代末期，國家文物局科學(xué)史研究專家王振鐸先生將水運(yùn)儀象臺(tái)按照1：5比例復(fù)原完畢，并在歷史博物館展出，但是不能通過水力自主運(yùn)轉(zhuǎn)。20世紀(jì)60年代中期，李約瑟博士的助手喬治·康布里奇完成了第二臺(tái)水運(yùn)儀象臺(tái)模型的復(fù)原工作，并將成果陳列于英國南肯辛頓科學(xué)博物館，不過依舊未解決該儀器核心部件“擒縱機(jī)構(gòu)”的運(yùn)轉(zhuǎn)問題。

1988年，第三臺(tái)水運(yùn)儀象臺(tái)復(fù)制完成，并在福建省同安縣的蘇頌科技館進(jìn)行陳列。1993年和1997年，臺(tái)灣的臺(tái)中科學(xué)博物院和日本長野鐘表博物館分別完成了1：1比例的水運(yùn)儀象臺(tái)模型。但是上述三臺(tái)儀器，均不能通過水力自主運(yùn)行。

從2000年開始，由清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和西北農(nóng)林科技大學(xué)聯(lián)合成立課題組，繼續(xù)對水運(yùn)儀象臺(tái)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所孫小淳教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李志超教授對復(fù)原工作有著開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。14年后的2014年，在國家天文臺(tái)牽頭組織研究下，水運(yùn)儀象臺(tái)的奧秘終于水落石出。此時(shí)，距離開始研究復(fù)原該儀器已經(jīng)過去了61年。

千年天文鐘終于復(fù)活了

為復(fù)活水運(yùn)儀象臺(tái)做出突破性貢獻(xiàn)的是天津古天文儀器修復(fù)專家羅寶琪先生。羅先生祖籍天津，在鑄造、雕塑和工藝制造領(lǐng)域均有很高的造詣，是國家級技術(shù)能手、高級技師，還兼任天津市天文學(xué)會(huì)理事、中國文物修復(fù)委員會(huì)和中國文物保護(hù)委員會(huì)會(huì)員等職。

研究的過程是很艱辛的，羅先生通過閱讀大量文獻(xiàn)資料，對古代文獻(xiàn)逐字逐句地分析，采用了“試驗(yàn)考古”的方法，最終推演出水運(yùn)儀象臺(tái)運(yùn)行部件之間的邏輯關(guān)系，研究清楚了每一個(gè)部件的功能，設(shè)計(jì)了運(yùn)行邏輯圖和控制系統(tǒng)的各部件動(dòng)作時(shí)程關(guān)系圖，感悟出了古人在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下“巧拙互補(bǔ)、以簡制繁、天法自然”的設(shè)計(jì)理念。

2013年春節(jié)，水運(yùn)儀象臺(tái)的核心驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)便進(jìn)入了實(shí)物研制階段，4個(gè)月后，核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)順利完成。2014年8月4日，國家天文臺(tái)和中國科學(xué)院自然史研究所組織6位天文領(lǐng)域的專家，對水運(yùn)儀的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)成果進(jìn)行了鑒定，最后全票通過，對該技術(shù)難題攻克終于取得了勝利。

2016年8月底，第一臺(tái)1：5比例的完全通過水力運(yùn)轉(zhuǎn)的水運(yùn)儀象臺(tái)模型制造完成。2016年10月12日，由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)組織的水運(yùn)儀象臺(tái)的鑒定工作在北京召開，與會(huì)專家給予了這臺(tái)儀器極高的評價(jià)。自此，沉睡千年的古代天文鐘終于復(fù)活了！

水運(yùn)儀象臺(tái)如何精準(zhǔn)計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)

當(dāng)站在這臺(tái)高約2.5米的水運(yùn)儀象臺(tái)面前之時(shí)，心中真的被震撼到了。這臺(tái)按照1： 5比例復(fù)原完成的模型，其精美和精巧程度會(huì)讓每一個(gè)初次相見的人都贊嘆不已。整臺(tái)儀器的外殼完全是木制品，并做成通透形狀，可讓參觀者對整臺(tái)機(jī)械的運(yùn)行情況一目了然。

水運(yùn)儀象臺(tái)的驅(qū)動(dòng)樞輪的外輪緣上面安裝了36個(gè)固定受水壺，通過水力轉(zhuǎn)動(dòng)，每隔25秒便向下轉(zhuǎn)動(dòng)一格，樞輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周便是15分鐘。也就是說，在一千多年前的北宋時(shí)代，那些能工巧匠已經(jīng)將時(shí)間的最小間隔縮短到了25秒。水運(yùn)儀象臺(tái)的樞輪每轉(zhuǎn)過15分鐘的時(shí)候，便自動(dòng)敲鼓報(bào)時(shí)；每當(dāng)轉(zhuǎn)過1小時(shí)，就會(huì)自動(dòng)敲鐘報(bào)時(shí)；每過2小時(shí)（古代的一個(gè)時(shí)辰），就會(huì)搖鈴報(bào)時(shí)。

這是一臺(tái)完全依靠水力自主運(yùn)行的天文鐘，曾經(jīng)無故障運(yùn)行長達(dá)33天，報(bào)時(shí)系統(tǒng)中的鼓、鈴報(bào)時(shí)誤差為正負(fù)1分鐘，與古籍文獻(xiàn)記載的絲毫不差。

水運(yùn)儀象臺(tái)，這座穿越千年的天文鐘，經(jīng)過了中外無數(shù)專家半個(gè)世紀(jì)的嘔心瀝血，終于完成了復(fù)原工作，這是對中國古代天文學(xué)先驅(qū)的一次致敬，也是中國天文學(xué)史領(lǐng)域取得的重大進(jìn)步。

當(dāng)親眼目睹這座古老儀器出現(xiàn)在自己面前，聆聽著水流滴落漏壺的聲音，聆聽著樞輪運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)出的咔噠聲，聆聽著水運(yùn)儀發(fā)出的晨鐘暮鼓之聲，千年的歲月仿佛觸手可及，古老的科技重新煥發(fā)了勃勃生機(jī)。