水運(yùn)儀象臺的前世今生

演講者：劉東宇

推薦單位：北京天文學(xué)會

大家好！我叫劉東宇，來自國家天文臺沙河科普基地，目前的工作內(nèi)容就是天文科普。今天，我要給大家?guī)淼难葜v題目是關(guān)于中國古代天文史的《水運(yùn)儀象臺的前世今生》。

今天我要向大家隆重介紹——中國古代天文史上結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、功能最齊全、自動化程度最高的巔峰之作——水運(yùn)儀象臺。

水運(yùn)儀象臺，建成于公元1092年，即北宋哲宗元祐七年。據(jù)史料記載，它由三部分構(gòu)成，分別是用以天文觀測的渾儀，演示天體運(yùn)行的渾象，用天體運(yùn)行校準(zhǔn)的機(jī)械鐘表。三種功能有機(jī)地結(jié)合在一起，并共同用水力驅(qū)動。

這樣的一臺復(fù)雜的大科學(xué)裝置，并不是橫空出世的。請首先允許我用插敘的方式，帶領(lǐng)大家先來到北宋初年。

太宗皇帝趙光義有一天直接向當(dāng)天值班的天文官員詢問道：“按照現(xiàn)行的《乾元?dú)v》預(yù)測，火星應(yīng)當(dāng)逆行至軫宿再開始順行。而現(xiàn)在的實(shí)際情況卻是逆行到角宿，就開始了順行。是不是國家頒布的《乾元?dú)v》出了問題？”

好在當(dāng)班官員也深諳世事，于是奏對道：“皇上您說的這個(gè)誤差確實(shí)存在。但這是上天對陛下施行德政的庇佑，不是歷法可以預(yù)測得到的?！?/p>

就這樣，一場看似嚴(yán)重的科學(xué)危機(jī)就被“政治正確”無形化解掉了。然而，真正的科學(xué)問題卻沒有解決。

在那將近一百年后，北宋著名的政治家、科學(xué)家沈括在他的著作《夢溪筆談》中感慨道：“熙寧年間，我擔(dān)任太史令，也就是國家天文臺臺長。此前連續(xù)觀測五年，受天氣陰晴的影響，實(shí)際只能獲得三年的有效數(shù)據(jù)。而且有的天文官員觀測精度很差?！?/p>

那么，能不能制造一種自動化的天文儀器，在減少人的影響的同時(shí)，還能模擬天象運(yùn)轉(zhuǎn)來化解陰雨天無法觀測的尷尬呢？

現(xiàn)在，讓我們從頭說起。

要模擬天體運(yùn)行的情況，首先要建立宇宙模型。在公元前1世紀(jì)成書的《周髀算經(jīng)》里，提出了這樣一種宇宙模型。它認(rèn)為：大地與天為相距80 000里的平行圓形平面，日月星辰在天上環(huán)繞北極作平面圓周運(yùn)動。這就是蓋天說。

到了漢代，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)日影的變化隨時(shí)間流逝并不均勻。最終，張衡總結(jié)出了 “渾天說”概念，認(rèn)為：“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞中黃?！彪S后渾天說逐漸成為中國古代天文觀測的基本宇宙模型，成為我們制造渾儀和渾象的理論基礎(chǔ)。

我們再來說技術(shù)儲備。

時(shí)間，無法直接觀測，必須依靠介質(zhì)。中國上古時(shí)代就有用水流計(jì)時(shí)的傳統(tǒng)。到宋代，更是出現(xiàn)了“漫流分水漏刻”——其精度可以達(dá)到每天誤差僅幾秒鐘的水平。這個(gè)精度紀(jì)錄一直保持到惠更斯發(fā)現(xiàn)鐘擺原理。

水還可以作為計(jì)時(shí)器動力。東漢有一種叫做“翻車渴烏”的東西。如今國內(nèi)已不見蹤跡，但在日本園林藝術(shù)中，得到了傳承，這種小品裝置叫做“鹿威”（ししおどし）。

水力機(jī)械的制造經(jīng)驗(yàn)也有不少。在我國1983年攝制的電影《張衡》中，就對“漏水轉(zhuǎn)渾天儀”的使用和調(diào)試過程進(jìn)行了精彩的再現(xiàn)。此后，唐代的一行，北宋初年的張思訓(xùn)也做了不同程度的改進(jìn)。

至此，可以說，水運(yùn)儀象臺的理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備已經(jīng)基本成熟。那么天文學(xué)家們還在等什么呢？各位評委老師應(yīng)該有這樣的經(jīng)驗(yàn)，那就是手里明明有很好的項(xiàng)目，但就是遲遲沒有立項(xiàng)。這時(shí)候，缺的就是政策的東風(fēng)。在公元1086年，恰好就有這樣一個(gè)機(jī)會。

在這一年，新皇帝趙煦剛剛繼位，新君新氣象，他下令對全國的天文觀測儀器進(jìn)行普查。恰好時(shí)任宰相蘇頌的天文學(xué)造詣極深，他瞅準(zhǔn)時(shí)機(jī)上奏申請制造新儀器。于是，“水運(yùn)儀象臺”項(xiàng)目順勢上馬。六年之后，也就是1092年，水運(yùn)儀象臺建成。

然而不幸的是，這樣一臺精密的天文儀器，僅僅以完整狀態(tài)存在了35年。公元1127年，北宋靖康二年。靖康恥，猶未雪。臣子恨，何時(shí)滅？很快，水運(yùn)儀象臺就湮滅在了宋金元混戰(zhàn)的亂世。因此，三代史書中都有關(guān)于它的零散記載。

那么，我們今天的復(fù)原工作就靠這些只言片語嗎？當(dāng)然不是。

宰相蘇頌在督造工程的同時(shí)，還編纂了一本人類歷史上最早最完整的機(jī)械圖紙《新儀象法要》這套工程資料，并幸運(yùn)地留傳至今。這成為了我們今天進(jìn)行復(fù)原研究的最可靠的資料。

水運(yùn)儀象臺，原品高度12米，底邊7米。一層機(jī)械鐘部分的天衡與樞輪部分，被英國科技史專家李約瑟稱為“人類機(jī)械最早的擒縱器結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代鐘表的鼻祖”。

它二層的渾象系統(tǒng)，是中國歷史上第一臺有圖紙傳世的天象儀。它可以進(jìn)行人造模擬星空的演示。

在水力的驅(qū)動下，三層渾天儀中間的窺管可以跟蹤天體的運(yùn)行。這是當(dāng)代自動化天文望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)——赤道儀的雛形。此外，還有它的活動屋頂，設(shè)計(jì)上頗有現(xiàn)代天文臺的意味。

我們來看看當(dāng)代的復(fù)原工作歷程。

1956年，劉仙洲先生在水力計(jì)時(shí)器原理上進(jìn)行了探索。

1958年，王振鐸先生制成了1：8的靜態(tài)模型，至今仍舊在國家博物館里展出。

最早以論文形式向西方介紹水運(yùn)儀象臺的李約瑟，1970年在其家鄉(xiāng)制造并展出了1∶4的靜態(tài)模型。

1988年，在水運(yùn)儀象臺之父——蘇頌的家鄉(xiāng)，福建省廈門市同安區(qū)，制成了1∶8的電動模型。

在海峽對岸的寶島臺灣，1993年臺中市“自然科學(xué)博物館”開館同時(shí)落成了1∶1的木構(gòu)靜態(tài)模型。

1997年，在日本現(xiàn)代鐘表工業(yè)的發(fā)祥地，長野縣諏訪市，由精工鐘表出資600萬美元，耗時(shí)8年（北宋當(dāng)年只用了六年），制成了1∶1的金屬動態(tài)模型。

在新世紀(jì)，廈門同安科技館，又落成了1∶1比例的木制動態(tài)模型。

最近，國家天文臺還在與清華大學(xué)合作，進(jìn)行了水運(yùn)儀象臺的精密測繪和制圖，并且已經(jīng)制成了1∶3整體模型和1∶5局部模型。這套復(fù)原方案的特點(diǎn)是，盡可能在結(jié)構(gòu)和材料上復(fù)原宋代設(shè)計(jì)，并且除供水系統(tǒng)外不使用電動輔助裝置。以突出宋代設(shè)計(jì)者的智慧。

通過對水運(yùn)儀象臺的復(fù)原工作，回顧并了解這段歷史，讓我們在感嘆中國古人的創(chuàng)新精神之余，更是體會到科技進(jìn)步與國家命運(yùn)的緊密聯(lián)系。我們常常說“國家不幸詩家幸”。但在天文學(xué)家看來，只有國家的安寧與富強(qiáng)，才是天文學(xué)發(fā)展的最大保障。

創(chuàng)新引領(lǐng)未來，創(chuàng)業(yè)成就夢想?；厥?，有幾千年中國傳統(tǒng)天文學(xué)積淀;展望，有日新月異的天文學(xué)新發(fā)現(xiàn)。當(dāng)代中國天文人絕不會甘于守業(yè)守成。新世紀(jì)以來，隨著我國國力的增強(qiáng)，郭守敬望遠(yuǎn)鏡、五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡、慧眼空間望遠(yuǎn)鏡等大型天文裝置的相繼落成，標(biāo)志著我國天文學(xué)事業(yè)重新站在了世界前列。因此，我們要在新世紀(jì)里，開創(chuàng)中國天文學(xué)的新事業(yè)，讓中國天文學(xué)成就重新站在人類認(rèn)識宇宙的最前沿。