集大成的水運儀象臺

北宋慶歷二年（1042年），年僅22歲的蘇頌與后來的北宋名臣王安石同榜考中進士，從此踏上了仕途。蘇頌先后擔任過館閣?？?、集賢校理等官職，負責編定書籍，這份“編輯”工作他一干就是9年。這9年間，蘇頌博覽皇家藏書，積累了淵博的知識，為他之后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

元祐元年（1086年），蘇頌奉命去檢驗太史局的各種渾儀 。他發(fā)現(xiàn)這些儀器只能單獨使用，無法相互配合，于是就想制造一種能將渾儀、渾象和報時裝置結(jié)合在一起的綜合性儀器。蘇頌找到吏部官員韓公廉共同研制新儀器。韓公廉不僅精通數(shù)學，而且擅長制作“機巧之器”。他根據(jù)“總工程師”蘇頌的構(gòu)想，寫出了《九章勾股測驗渾天書》，從理論上證明了這種構(gòu)想是可行的，然后做出了一座水輪驅(qū)動裝置的木模型。蘇頌認為韓公廉的設(shè)計很有可取之處，又在此基礎(chǔ)上提出了改進意見。

經(jīng)過反復論證和不斷改進，新儀器的設(shè)計方案終于敲定了。元祐二年（1087年）9月，宋哲宗批準了有關(guān)制造新天文儀器的奏請。蘇頌召集了一批能工巧匠，開始了將模型變成實物的研制歷程。從元祐三年到元祐七年（1088年-1092年），一座高約12米，寬約7米，集渾儀、渾象和報時器為一體的高臺式建筑終于完工了。因為該裝置可利用水力自動運行，所以蘇頌將其命名為“水運儀象臺”。觀測、演繹天象以及計時的功能，是現(xiàn)代天文臺的標準配置。水運儀象臺同樣具有以上三項功能，因此可算得上是現(xiàn)代天文臺的鼻祖了。

后來，蘇頌又專門為水運儀象臺寫了設(shè)計說明書——《新儀象法要》。該書不僅講述了建造水運儀象臺的原因和經(jīng)過，還用圖解的形式詳細介紹了它的總體構(gòu)造和各個部件。該書是我國現(xiàn)存最早的水力運轉(zhuǎn)天文儀器專著，書中的結(jié)構(gòu)圖是現(xiàn)存最古老的機械圖紙，真實地反映出當時的天文學和機械制造技術(shù)水平。

水運儀象臺解構(gòu)

一、功能機構(gòu)

上層為渾儀，用來觀測天體

九塊活動的屋板，雨雪時閉合，防止對儀器的侵蝕，觀測時可以自由拆開，是現(xiàn)代天文臺可以開合的球形臺頂?shù)谋亲妗?/p>

中層為渾象，用來演示天體運行

天球在機輪的帶動下會旋轉(zhuǎn)，一晝夜轉(zhuǎn)動一圈，真實再現(xiàn)了星辰的起落等天象的變化。

下層為司辰，用來自動報時

門里裝置有五層木閣，利用木人敲擊出不同的聲音來定時報時，利用舉牌木人來顯示時刻。

【五層木閣解析】

第一層木閣，負責全臺的標準報時。

時初，左門紅衣木人搖鈴;時正，右門紫衣木人扣鐘;每過一刻，中門綠衣木人擊鼓。木人動作由晝時鐘鼓輪控制。

注：古代一天分成12個時辰，1個時辰大約是我們現(xiàn)在的2個小時。每個時辰又分為時初和時正，時初、時正的報時就和我們現(xiàn)在鐘表的整點報時一樣。

第二層木閣，負責報告時初、時正。

紅衣、紫衣木人各12個，執(zhí)時辰牌依次寫著子初、子正、丑初、丑正等。時初，紅衣木人拿著時辰牌出現(xiàn);時正，紫衣木人拿著時辰牌出現(xiàn)。木人的動作由晝夜時初正輪控制。

第三層木閣，負責報告時刻。

綠衣木人96個，執(zhí)刻數(shù)牌依次寫著初刻、二刻、三刻、四刻等。每到一刻，綠衣木人持刻數(shù)牌出現(xiàn)。木人的動作由報刻司辰輪控制。

第四層木閣，負責晚上報時。

逢日落、黃昏、各更、破曉、日出時，擊鉦木人擊鉦報時。木人的動作由夜漏金鉦輪控制。

第五層木閣，負責晚上報時。

紅衣木人11個，綠衣木人30個。逢日落、黃昏、各更、破曉、日出時，紅衣木人持牌出現(xiàn)。各籌（點），綠衣木人持牌出現(xiàn)。木人的動作由夜漏司辰輪控制。

二、動力機構(gòu)

1.機械傳動系統(tǒng)就是水運儀象臺的心臟。它的運行依靠水力驅(qū)動，只要水不斷就生生不息。

2.樞輪頂部和邊上附設(shè)一組杠桿裝置，相當于鐘表中的擒縱器。

3.樞輪直徑達3米多，有72條木輻，連接著36個水斗和鉤狀鐵撥子。

渾儀、簡儀和渾象

中國是世界上很早就對周天恒星的位置進行精密測量的國家之一。這一切成就與以渾儀、簡儀和渾象為代表的天文儀器分不開。

渾儀是我國古代的一種天文觀測儀器，其發(fā)明時間可追溯到漢武帝太初改歷期間，其發(fā)明者為來自巴郡的落下閎。渾儀的設(shè)計構(gòu)想是建立在渾天說的基礎(chǔ)之上，因而得名“渾儀”。東漢天文學家張衡擔任太史令期間，曾制作過一架渾儀，并將其安置在大名鼎鼎的靈臺上。然而，不論是落下閎的渾儀，還是張衡的渾儀，后人都只知其名而不知其具體結(jié)構(gòu)。第一架有明確結(jié)構(gòu)描寫的渾儀是孔挺渾儀。根據(jù)《隋書·天文志》記載，這是一架銅制儀器，由內(nèi)外兩重結(jié)構(gòu)組成。歷代天文學家在此基礎(chǔ)之上進行改進，從而發(fā)明出各不相同的渾儀。北宋是制作渾儀最多的一個朝代，從至道元年（995年）到宣和六年（1124年）共制造了7架大型渾儀，水運儀象臺就是其中之一。

在北宋沈括之前，歷代天文學家對孔挺渾儀的改進主要是施行加法：結(jié)構(gòu)從之前的二重加到了三重;除了先前就有赤道環(huán)，又陸續(xù)加了黃道、白道等環(huán)。這些“加”固然代表了古人對天文學的認識在不斷增加，但同時也導致了結(jié)構(gòu)更復雜、制作和操作更困難、環(huán)與環(huán)互相遮擋等弊病。在這種背景下，沈括對渾儀施行了減法：取消了白道環(huán)，調(diào)整了黃道、赤道和地平環(huán)的位置，并將它們做成扁平環(huán)，以減少對視線的遮擋。

沈括之后，明代天文學家郭守敬又對渾儀進行了徹底的改造和簡化。他不僅取消了白道環(huán)和黃道環(huán)，還將渾儀拆成了赤道經(jīng)緯儀和地平經(jīng)緯儀兩部分，從而形成了簡儀，也就是簡化版的渾儀。至今我們?nèi)阅茉谧辖鹕程煳呐_看見郭守敬版的簡儀。當然，這并不是郭守敬的原作，而是明英宗正統(tǒng)二年（1437年）根據(jù)郭守敬所制簡儀仿制的。明清兩代的欽天監(jiān)都曾用它來觀測天象。

渾象是一種表現(xiàn)天體運動的演示儀器，類似于現(xiàn)代的天球儀。從外觀來看，它就是一個可繞軸轉(zhuǎn)動的圓球，球面上標有星宿、赤道和黃道等天文信息。渾象的發(fā)明者是西漢天文學家耿壽昌，東漢時張衡又對其進行了改進。據(jù)《晉書·天文志》記載，張衡曾制作了一座用水力驅(qū)動的天球模型，也正是這座水運渾象，催生了蘇頌發(fā)明水運儀象臺。

水運儀象臺是中國古代天文學和天文儀器技術(shù)的集大成者，成功地將渾儀、渾象、時鐘三合一。其頂部的九塊活動屋板、渾儀的四游儀窺管和擒縱控制樞輪的“天衡”系統(tǒng)，都是世界首創(chuàng)。也正因此，水運儀象臺被譽為中國古代第五大發(fā)明。

英國科學家李約瑟認為：水運儀象臺可能是歐洲中世紀天文鐘的祖先。瑞士鐘表界的權(quán)威刊物《百達翡麗》也表示：水運儀象臺里邊裝置了全世界第一個擒縱器，而歐洲運用這個原理制造鐘表則是在中國這個擒縱器問世3個世紀以后的事情了。