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水运仪象台

水运仪象台是中国古代天文学家发明的一种大型天文仪器,由北宋天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器,实际上是一座小型的天文台。这台仪器的制造水平堪称一绝,充分体现了中国古代汉族劳动人民的聪明才智和富于创造的精神。

宋元元年(公元1086年)开始设计,到元七年全部完成。它是中国古代的卓越创造。其中的擒纵器是钟表的关键部件。因此,英国科学家李约瑟等人认为水运仪象台“可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。

整座仪器高约12米,宽约7米,是一座上狭下广、呈正方台形的木结构建筑。其中浑仪等为铜制。全台共分三隔。下隔包括报时装置和全台的动力机构等。中隔是间密室,放置浑象。上隔是个板屋,中放浑仪。这台仪器的制造水平堪称一绝,充分体现了中国古代汉族劳动人民的聪明才智和富于创造的精神。 [1]

国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价,认为浑象一昼夜自转一圈,不仅形象地演示了天象的变化,也是现代天文台的跟踪器械 转仪钟的祖先;水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件,因此它又是钟表的祖先。水运仪象台为了观测上的方便,设计了活动的屋顶,是今天天文台活动圆顶的祖先。

水运仪象台是十一世纪末我国杰出的天文仪器,也是世界上最古老的天文钟。国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价,认为水运仪象台为了观测上的方便,设计了活动的屋顶,这是今天天文台活动圆顶的祖先;浑象一昼夜自转一圈。从水运仪象台可以反映出中国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。

根据《新仪象法要》记载,水运仪象台是一座底为正方形、下宽上窄略有收分的木结构建筑,高大约有十二米,底宽大约有七米,共分为三大层。

上层是一个露天的平台,设有浑仪一座,用龙柱支持,下面有水槽以定水平。浑仪上面覆盖有遮蔽日晒雨淋的木板屋顶,为了便于观测,屋顶可以随意开闭,构思比较巧妙。露台到仪象台的台基有七米多高。

中层是一间没有窗户的“密室”,里面放置浑象。天球的一半隐没在“地平”之下,另一半露在“地平”的上面,靠机轮带动旋转,一昼夜转动一圈,真实地再现了星辰的起落等天象的变化。

下层包括报时装置和全台的动力机构等。设有向南打开的大门,门里装置有五层木阁,木阁后面是机械传动系统。 [2]

第一层木阁又名“正衙钟鼓楼”,负责全台的标准报时。木阁设有三个小门。到了每个时辰(古代一天分做十二个时辰,一个时辰又分为时初和时正)的开始时,就有一个穿红衣服的木人在左门里摇铃;到了每个时辰的正中,有一个穿紫色衣服的木人在右门里扣钟;每过一刻钟,一个穿绿衣的木人在中门击鼓。这层木人动作由昼时钟鼓轮控制。 [3]

第二层木阁负责报告时初、时正。该层木阁正中有一个小门,每逢各个时辰的开始时,一个穿红衣的木人持时辰牌出现在小门前;每逢各个时辰的正中,一个穿紫衣的木人拿着时辰牌出现在小门前。此层共有红衣木人和紫衣木人各12个,时辰牌牌面上依次写着子初、子正、丑初、丑正等。这层木人的动作由昼夜时初正轮控制。

第三层木阁负责报告时刻。该层木阁正中有一个小门,每到一刻,一个穿绿衣的木人持刻数牌出现在小门前。此层共有96个绿衣木人,刻数牌牌面上依次写着初刻、二刻、三刻、四刻等。这层木人的动作由报刻司辰轮控制。注:正子时、正卯时、正午时、正酉时,时兼刻,紫衣小人出场。因此只有96个绿衣小木人。

第四层木阁负责晚上的报时。该层木阁中间有一个小门,木门内置一小木人,逢日落、黄昏、各更、破晓、日出之时,木人击钲报时。这层木人的动作由夜漏金钲轮控制。

第五层木阁负责报告晚上的时间。这层木阁中间有一个小门,日出、日落、昏、晓、各更,一个穿红衣的木人持牌出现在小门前;各筹(点),一个穿绿衣的木人持牌出现在小门前。这层木人的动作由夜漏司辰轮控制。起更(16:48)、日落、昏、一至五更、日出、晓、收更(7:12)共11个红衣小木人。每更五筹,共30个绿衣小木人。注:冬至夜六十刻、夏至四十刻,冬至-夏至,每九天增加一刻,即日出/日落小木人每九天,从起更向一更移动半刻;昏/晓为日出/日落下两刻半,即昏晓间,冬至五十五刻、夏至三十五刻,昏/晓小木人随日出/日落小木人每九天向下移动半刻。

五层木阁共有12个紫衣小木人、23个红衣小木人、126个绿衣小木人、1个击钲小木人,累计162个小木人。

每层木阁内都有相应的机轮或轮辋,上挂抱牌木人;或用拨牙拨动门口木人手臂敲打乐器。这些机轮都装在一根机轮轴上。机轮轴有传动机构和天柱相连。天柱是贯通全台上中下三隔的传动轴。天柱下有个下轮,与枢轮轴伸出的地毂相结合。当作为原动轮的枢轮转动时就经过地毂传动,使天柱旋转起来,由此带动全仪。

在下隔的中央部分设有一个直径达 3米多的枢轮。枢轮上有72条木辐,挟持着36个水斗和勾状铁拨子。枢轮顶部和边上附设一组杠杆装置,它们相当于钟表中的擒纵器。在枢轮东面装有一组两级漏壶。壶水注入水斗,斗满时,枢轮即往下转动。但因擒纵器的控制,使它只能转过一个斗。这样就把变速运动变为等间歇运动,使整个仪器运转均匀。枢轮下有退水壶。在枢轮转动中各斗的水又陆续回到退水壶里。另用一套打水装置,由打水人搬转水车,把水打回到上面的一个受水槽中,再由槽中流入下面的漏壶中去。因此,水可以循环使用。打水装置和打水人则安置在下隔的北部。整个机械轮系的运转依靠水的恒定流量,推动水轮做间歇运动,带动仪器转动,因而命名为“水运仪象台”。

浑象一半装在地柜里面,一半露出柜面。浑象中间的赤道带上装有齿牙。机轮轴的天轮和它相接,以带动浑象和天穹一起旋转。

浑仪结构和唐、宋浑仪类似,只是在中间一重三辰仪里加一个在赤道方向的天运环,环有齿牙,和天柱的上轮相接,由天柱通过天运环带动三辰仪一起转动。这是后世转仪钟的一个雏形。浑仪置于板屋内,屋顶板可自由摘除,是近代望远镜室活动屋顶的先驱。

水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点,尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处;在机械结构方面,采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理,把观测、演示和报时设备集中起来,组成了一个整体,成为一部自动化的天文台。

苏颂为水运仪象台所作的设计说明书。成书于宋神宗绍圣初年,约当公元1094~1096年间。据《宋史艺文志》等记载,本书又曾名《绍圣仪象法要》、《仪象法纂》等。今通行各本都源出南宋乾道壬辰(公元1172年)施元之刻本,共三卷。施元之曾据当时所见的各本进行过校补。书中所谓“一本”、“别本”就是施元之补入的。通行本中以《守山阁丛书》刊本为善。书首有苏颂《进仪象状》一篇,报告造水运仪象台的缘起、经过和它与前代类似仪器相比的特点等。正文以图为主,介绍水运仪象台总体和各部结构。各图附有文字说明。卷上介绍浑仪,有图十七种。卷中介绍浑象。除五种结构图外,另有星图二种五幅,四时昏晓中星图九种。卷下则为水运仪象台总体、台内各原动及传动机械、报时机构等,共图二十三种,附别本作法图四种。

其中还有唯一的一段不带图的文字:“仪象运水法”,讲 [4] 述利用水力带动整个仪象台运转的过程。总计全书共有图六十种。这些结构图是中国现存最古的机械图纸。它采用透视和示意的画法,并标注名称来描绘机件。通过复原研究,证明这些图的一点一线都有根据,与书中所记尺寸数字准确相符。

本书是中国现存最早的水力运转天文仪器专著。它反映了中国十一世纪的天文学和机械制造技术水平。通过研究,人们得以了解中国古代的水运仪象传统,从此还得知近代机械钟表的关键性部件──锚状擒纵器是中国发明的。

水运仪象台原件在靖康之祸(1127年)时,金兵将水运仪象台掠往燕京(北京)置于司天台,在金朝贞佑二年(1214年)因不便运输被丢弃,而南宋时苏携保存的手稿因无人理解其中方法而无人能仿造。中华人民共和国成立后,清华大学刘仙洲于1953年─1954年发表《中国在原动力方面的发明》、《中国在传动机件方面的发明》两篇关于对此仪动力研究的论文,另外英国科技史学者李约瑟对此仪的动力也有研究,在1956年於《自然》杂志发表论文。

中国考古学家王振铎于1958年最先复原水运仪象台模型,除发表《揭开了中国“天文钟”的秘密》论文并绘制复原详图存世。该复原原件存放於中国历史博物馆;主要由苏州市古代天文计时仪器研究所复原并送至各地科技馆或天文馆收藏。

苏颂是中国宋代天文学家、药物学家,公元1020年诞生于泉州同安县(今福建省厦门市同安区),后迁居丹阳(今江苏省镇江)。22岁时与王安石是同榜进士,从此进入仕途。初任宿州(今安徽省宿县)观察推官、江宁知县、南京留守推官等地方官。1053年,苏颂奉调到京城开封任馆阁校勘、集贤校理等职,这虽不是什么重要官职,只是负责编定书籍,但对苏颂来说却是如鱼得水,在这里他有机会博览皇家的各种藏书,在任职的九年里,苏颂每天背诵一段书,回家后默写下来,从不间断,积沙成塔,积累了渊博的知识。宋哲宗登位后,他先任刑部尚书,后任吏部尚书,晚年官至宰相,虽然官居显位,但政绩平平,作为政治家的苏颂远不如作为天文学家的苏颂,特别是他研制的水运仪象台使他的名字载入了世界科技的史册。 [5]

公元1086年,苏颂奉命检验当时太史局使用的各种浑仪,想到应有表演天象的仪器和浑仪配合使用,于是他罗致人才进行这项研究工作,并向皇帝推荐精通数学和天文学的韩公廉共同研制。在他的策划下,韩公廉写出《九章钩股测验浑天书》,制成大、小木样。后由苏颂和韩公廉请了一批能工巧匠精心打造。这是一座把浑仪、浑象和报时装置三组器件组合在一起的高台建筑,高约13米,底宽约7米,共分三层,仪器由水力推动运转。这座集天文观测、天象表演和报时三种功能为一体的天文台就是苏颂继承和发展了汉唐以来天文学成果,发明创造的水运仪象台,在这一工作中韩公廉的贡献也是不可低估的。

水运仪象台代表了中国11世纪末天文仪器的最高水平。它具有三项令世界瞩目的发明,首先它的屋顶被设计成可开闭的,是现代天文台活动圆顶的雏型,其次,它的浑象能一昼夜自动旋转一周是现代天文跟踪机械转移钟的先驱;此外,它的报时装置能在一组复杂的齿轮系统的带动下自动报时,报时系统里的锚状擒纵器是后世钟表的关键部件。英国著名科技史专家李约瑟曾说水运仪象台“可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先。”大约在1094年,苏颂编撰了《新仪象法要》一书,详细介绍了水运仪象台的设计和建造情况,并把水运仪象台的总体和各部件绘图加以说明。

苏颂为了让人们更直观地理解星宿在太空中的出没,又提出设计一种人能进入到浑天象内部来观察的仪器假天仪,苏颂仍请韩公廉和自己一起设计。用竹木制成的假天仪从外面看就像一盏纸糊的特大号灯笼。“灯笼”面上按照天上星座的位置开孔,人进到里面可以看到点点光亮,仿佛看到夜空中繁星点点。扳动枢轴,“灯笼”便可转动起来,体现天体的东升西落。这和今天天文馆里演示人造星空的天象仪的原理是一样的。世界上第一架天象仪和第一座天文馆是1923年诞生的,在此800多年前我们的古人就研制出天象仪的雏型,这说明中国人确实具有超人的聪明才智。然而,正像我国当代著名天文学史专家席泽宗先生所说的,“我们今天谈论我国古代天文仪器方面的辉煌成就,并不是用祖先的成绩来安慰我们现实的落后,而是要把往昔的光荣,作为今日的激励,鼓舞我们去攀登新的高峰。”

宋哲宗元三年(1088年),苏颂的水运仪象台研制成功。但关于水运仪象台的命名却出现了一场意想不到的风波,差点还要了苏颂的命。

“水运仪象台”这个名字原是苏颂自己命名的,在《新仪象法要》中有记载:“右‘水运仪象台’,其制为台……”。但依照封建王朝的惯例,还得请皇帝亲自命名,于是苏颂上了《进仪象状》:“若但以一名命之,则不能尽其妙用也,恭俟圣鉴,以正其名也。”但即便如此,苏颂的政敌还是找到政治借口来攻击苏颂,欲置苏颂于死地!当时有个太史局直长赵齐良,他上书哲宗皇帝说:“宋以火德王,名‘水运’,非吉兆。”也就是说我们大宋王朝是以“火德”而兴,而苏颂称这天文仪象为“水运”,与大宋“火德”是水火不容,很不吉祥啊。而且水能灭火,此更是大忌!若这项“罪名”成立,苏颂的脑袋就得搬家。(此前不久,苏颂的好友苏东坡也曾因“乌台诗案”的文字狱差点陪上老命!)幸得哲宗皇帝还是信任苏颂的,没有深加追究,而且最后皇帝还赐名为“元浑天仪象”。元七年(1092年)铜制仪象台制成,特置于京城西南部的合台。为什么置于西南呢?因为西属金、南属火,将水运仪象台置于西南是为了取“镇水”之意,以避“水运”之忌。可见朝廷对此“水运”还是相当忌讳的。

那么水运仪象台最终的命运又是如何呢?金兵攻入汴京后,掠走了水运仪象台,运至燕京。由于一路颠簸,机枢齿轮多有损坏,难以使用。再加上汴京与燕京的地理纬度不同,即便是使用也已不再精准;后又遭雷击,浑仪跌落。最后在金被蒙元吞灭的战争中,水运仪象台终告毁亡。

宋室南迁后,曾多次想要再造仪象台,先后找了几人来主导此事:首先找到了苏颂的助手袁惟几,因为他参与了元年间仪象台的研制工作,但没有成功;再找来苏颂之子苏携,“考质旧法,而苏携亦不能通也”;后来又让秦桧、朱熹等进行研制,也都没能成功制成。从这方面也可以看出水运仪象台影响之深远,构造之精妙。

新中国成立后,著名的博物馆学学者、中国科学技术史学家王振铎先生于1958年复制了水运仪台的模型(按1:5的比例),并发表《揭开了我国天文钟的秘密》一文;其后英国科技史专家李约瑟和陈晓也成功复制了水运仪象台,还有美国、台湾等地也都出现了复原模型。1997年,日本精工表的故乡长野县,用了8年时间,终于也成功仿制了“水运仪象台”,引起国际计时仪器史学界的极大关注。2011年,国内首台按1:1比例仿制的苏颂水运仪象台在同安苏颂公园落成,这个水运仪象台不是模型,而是真实的、可以运转的一座小型天文台。理所当然地成为同安苏颂公园的“镇园之宝”。

从古今中外这么多学者、科学家,热衷于研究、复制九百多年前宋朝的苏颂及其领导的团队所造的水运仪象台,也再次证明水运仪象台在“时间”上真的具有永恒的魅力!

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