從被中香爐到陀螺儀

王洪鵬

現代的飛機、導彈和輪船不論怎樣在空中或者海上急速運動，都不會迷失方向，這是由于安裝了陀螺儀的緣故。陀螺儀在航天、航空、航海事業中，扮演了不可或缺的角色。陀螺儀由陀螺和萬向支架兩部分組成。萬向支架是中國古人的杰出創造，說起萬向支架就不得不提到設計精巧的被中香爐了。

古代中國人經常焚香除臭、熏煙驅蟲，這一習慣源自西周時期。他們把香草放在一個特制的容器中燃燒，這種容器通常被稱為“被中香爐”，也稱為“臥褥爐”、“木火通”、“香球”、“燈球”等。被中香爐是古代能工巧匠運用重心及平衡等物理學知識創制的，其設計精巧，即使把它放到被子里也不會傾覆熄滅，因此它同時具有熏衣物和取暖兩種用途。

歷史中的被中香爐

被中香爐的記載最早見于《西京雜記》。根據《西京雜記》記載：“長安巧工丁緩者……又作臥褥香爐，一名被中香爐，本出房風，其法后絕，至緩始更為之。為機環轉運四周，而爐體常平，可置之被褥，故以為名。”這段話是說，漢武帝時，京城長安有位叫丁緩(公元前140～前80)的能工巧匠，他制成了當時已經失傳的被中香爐。在香爐中貯存著香料，點燃以后，放在被褥之中，隨意滾動，香爐可以始終保持水平狀態，不會傾翻，因此稱為被中香爐。

《西京雜記》中提到的丁緩，史籍記載不詳，可能他就是漢代宮廷中的一個巧匠。按照中國傳統，對于這種具有所謂的“奇技淫巧”之人是不予立傳的。究其原因或許是和“萬般皆下貧、唯有讀書高”等傳統思想有關，對具有“奇技淫巧”的工匠不予重視。

丁緩所造的“被中香爐”，其力學特性是“為機環轉運四周，而爐體常平”，只有萬向支架才能達到此種效果。其“機環”，就是該支架的軸心線互相垂直的各層金屬環，內環軸上懸掛盂形容器，以方便放置引燃生煙的香草。根據《西京雜記》的記載，丁緩還不是被中香爐最早的發明人，只是將失傳的事物再行創造出來。換句話說，被中香爐的發明還要早于丁緩生活的年代。

漢代司馬相如的《美人賦》一詩可以作為西漢時代已經發明被中香爐的證明。《美人賦》中有“金姬熏香，黼帳低垂”的句子。據宋代學者章樵注解，“姬音匝，香球，衽席間可旋轉者”，可見，古字“姬”為被中香爐的專用字。

這種巧妙的被中香爐到底有沒有呢?是不是《西京雜記》和《美人賦》的作者故弄玄虛、夸大其詞呢?這一謎團直到1963年才解開。考古工作者在西安的唐代遺址中出土了四件鏤空銀香爐。考古專家研究了它的構造，確實像《西京雜記》中說的一樣。

“常平”的巧思構造

從古代的文字記載以及考古得到的實物，我們知道被中香爐就是中國古代用于點燃香料的球形小爐。外殼由兩個半球合成，殼上鏤刻著精美的花紋，花紋間有空隙，借以散發香氣。被中香爐的構造關鍵在于它的外層無論怎樣旋轉，內層的爐子“常平”。于是，在外殼沿上下、左右、前后三個方向旋轉時，內層爐子由于自重能夠保持在空間的上下方向上不變，所以一般來說，內層與外層之間有三個自由度。其實在熏被褥時，外層在被褥之間隨便怎樣轉動，只要求內層爐子保持水平，而爐身繞垂線轉動并不影響使用，這就是有的爐子只有兩層環的原因。也就是說，作為被中香爐來說，內層與外層之間有兩個自由度也是可以的。所以，被中香爐的實物有兩層的也有三層的。

把一個物體固定在基座上，無論基座怎樣旋轉，要求物體的方向不會變動，這就是被中香爐的本質所在。這種基座結構隨著科學技術的發展有很多重要的應用，稱為萬向支架，也稱常平支架。

在歐洲，1500年意大利科學家達·芬奇提出類似設計。意大利學者卡丹(1501-1576)最早給出了萬向支架的設計。所以西方人把萬向支架叫做“卡丹吊環”、“卡丹環”，但是卡丹本人并沒有宣稱自己發明了它。

正當被中香爐裊裊的氤氳為中國達官貴人營造著仙境般氛圍的時候，在遙遠的西方，人們已經開始研究萬向支架的其他應用了。1629年，焦瓦尼·布蘭卡在羅馬以拉丁文出版了《機械》一書，最早提到了萬向支架的應用。在這本書里，焦瓦尼·布蘭卡提出利用常平支架來減輕車輛在顛簸不平的道路上的震動，以便運送病人。特別值得提出的是，宋代的沈括在《夢溪筆談》中記述了唐高宗時制造的一種旅行用車，稱為“大駕玉輅”。這車經久耐用，到沈括時代還基本完好。科技史學家李約瑟在敘述到這種車時，不僅將它與卡丹吊環相比較，而且認為，沈括所記述的這種車可能就是焦瓦尼·布蘭卡所設計的一種具有卡丹環裝置的旅行車。當人躺在這種旅行車上時，在崎嶇不平的道路上也不會感到顛簸。當然，這種車到底采用了什么樣的裝置?是否在車駕上裝有常平裝置，并把車座放在該支架的內環軸上?因為沈括語焉不詳，我們也不好妄加推測。

萬向支架的科學應用

由于歷史久遠，萬向支架在中國古代的應用已經很難考證。真正把萬向支架用在現代科學研究并做出重要發現的是法國人傅科(1819-1868)。現在，我們知道，在一定的初始條件和一定的外力矩作用下，陀螺會在不停自轉的同時，還繞著另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進。傅科在1851年提出利用高速旋轉的陀螺來驗證地球的自轉。因為旋轉的陀螺有保持旋轉軸不變的性質，如果把陀螺放置在萬向支架上，基座在地球上，地球旋轉而陀螺的軸不旋轉，經過不太長的時間，陀螺相對于支架的變動就明顯地說明地球的自轉。傅科利用他發明的傅科擺和這種陀螺儀有力地證明了地球的自轉，所以傅科又稱它為“轉動指示器”。從此萬向支架又有了一個新的名字：陀螺支架。

2000多年以前中國就發明了被中香爐，不過在這段漫長的歲月中，我們并沒有將陀螺放在萬向支架上，從而形成近代力學中極為重要的陀螺儀。西方人雖然直到16世紀才發明萬向支架，比我們落后了1000多年，但是后來的許多應用卻是他們首先開發出來的。

中國古代之所以技術水平商超卻缺乏科學應用，是因為中國古代學者更多地注意經驗的陳述，缺乏對相關因素的分析，忽視了對演繹和因果關系的探求，很少進行枯燥的純理論研究，所以大多停留在具體現象層面，影響了中國古代科學的發展。

【責任編輯】張小萌