復活沉睡千年的天文鐘

王麟

我國古人為了精確掌控時間，觀測天文，編制歷法，發明了渾天儀、圭表、漏刻等儀器設備，為天文學創立、發展作出了貢獻。古人觀測天文用渾儀，演示天象用渾象，精準計時報時用圭表和漏刻。在很長的時間里，這四種儀器是獨立分開使用的。到了北宋元祐八年（1092年），擔任宰相的蘇頌帶領他的研發團隊，成功制造完成“水運儀象臺”，將渾儀、渾象和計時、報時裝置組合在一起，通過水力驅動運轉。這是一座代表中國古代最高技術水平的天文觀測及計時儀器，也是一座古代天文臺，在世界上創造了史無前例的奇跡。

水運儀象臺運轉了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，水運儀象臺便沒了音訊，只在古老典籍中沉睡至今。那么這臺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，復活這座宋代天文儀器花去了世界上頂尖專家60多年時間。

水運儀象臺到底有何奧妙？

按照古代文獻記載，水運儀象臺高約12米，底邊長約9米，功能區主要分為三大部分：最頂端是渾天儀，安裝在窗戶可開閉房間內，主要用來觀測天文現象；中間是渾象儀，用于演示每天的星辰運行變化；最下層是水力驅動系統和負責計時報時的樞輪控制系統，這是天文鐘的核心部分。

水運儀象臺的計時報時系統是由從上到下的八重圓盤狀機輪組成，與渾象、渾儀垂直位于一條主軸上。八個機輪的主要功能如下：“天輪”用來驅動渾象儀；“晝時鐘鼓輪”和“時刻鐘鼓輪”主要用來在整時、整刻的時候敲鼓、鳴鐘、搖鈴報時；“時初正司辰輪”的一周安裝有24個小木人，相當于一晝夜分為12個時辰，每個時辰分配兩個木人，分別在時辰開始和時辰正中出來報時；“報刻司辰輪”的四周除了24個司辰木人之外，還增加了72個司刻木人，每過一刻鐘，就有一個小木人出來報時一次；“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”是兩個夜漏打更機輪的驅動輪。以上計時報時的裝置統稱為“晝夜機輪”。

在這些復雜結構中，最讓中外專家傷透腦筋的是水運儀象臺如何僅僅通過水力運轉起來，而驅動儀器運轉的樞輪機構才是該儀器的最核心和最關鍵的部件，也是最難以解決的技術難題。

水運儀象臺艱難的揭秘之旅

20世紀50年代初，清華大學劉仙洲教授和中國科學院外籍院士、英國劍橋大學李約瑟博士開始了水運儀象臺的復原研究。到了1950年代末期，國家文物局科學史研究專家王振鐸先生將水運儀象臺按照1：5比例復原完畢，并在歷史博物館展出，但是不能通過水力自主運轉。20世紀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水運儀象臺模型的復原工作，并將成果陳列于英國南肯辛頓科學博物館，不過依舊未解決該儀器核心部件“擒縱機構”的運轉問題。

1988年，第三臺水運儀象臺復制完成，并在福建省同安縣的蘇頌科技館進行陳列。1993年和1997年，臺灣的臺中科學博物院和日本長野鐘表博物館分別完成了1：1比例的水運儀象臺模型。但是上述三臺儀器，均不能通過水力自主運行。

從2000年開始，由清華大學、北京航空航天大學、同濟大學和西北農林科技大學聯合成立課題組，繼續對水運儀象臺進行技術攻關，中國科學院自然科學史研究所孫小淳教授和中國科學技術大學李志超教授對復原工作有著開創性貢獻。14年后的2014年，在國家天文臺牽頭組織研究下，水運儀象臺的奧秘終于水落石出。此時，距離開始研究復原該儀器已經過去了61年。

千年天文鐘終于復活了

為復活水運儀象臺做出突破性貢獻的是天津古天文儀器修復專家羅寶琪先生。羅先生祖籍天津，在鑄造、雕塑和工藝制造領域均有很高的造詣，是國家級技術能手、高級技師，還兼任天津市天文學會理事、中國文物修復委員會和中國文物保護委員會會員等職。

研究的過程是很艱辛的，羅先生通過閱讀大量文獻資料，對古代文獻逐字逐句地分析，采用了“試驗考古”的方法，最終推演出水運儀象臺運行部件之間的邏輯關系，研究清楚了每一個部件的功能，設計了運行邏輯圖和控制系統的各部件動作時程關系圖，感悟出了古人在當時的技術條件下“巧拙互補、以簡制繁、天法自然”的設計理念。

2013年春節，水運儀象臺的核心驅動控制系統便進入了實物研制階段，4個月后，核心驅動系統順利完成。2014年8月4日，國家天文臺和中國科學院自然史研究所組織6位天文領域的專家，對水運儀的驅動系統研發成果進行了鑒定，最后全票通過，對該技術難題攻克終于取得了勝利。

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

水運儀象臺如何精準計時報時

當站在這臺高約2.5米的水運儀象臺面前之時，心中真的被震撼到了。這臺按照1： 5比例復原完成的模型，其精美和精巧程度會讓每一個初次相見的人都贊嘆不已。整臺儀器的外殼完全是木制品，并做成通透形狀，可讓參觀者對整臺機械的運行情況一目了然。

水運儀象臺的驅動樞輪的外輪緣上面安裝了36個固定受水壺，通過水力轉動，每隔25秒便向下轉動一格，樞輪轉動一周便是15分鐘。也就是說，在一千多年前的北宋時代，那些能工巧匠已經將時間的最小間隔縮短到了25秒。水運儀象臺的樞輪每轉過15分鐘的時候，便自動敲鼓報時；每當轉過1小時，就會自動敲鐘報時；每過2小時（古代的一個時辰），就會搖鈴報時。

這是一臺完全依靠水力自主運行的天文鐘，曾經無故障運行長達33天，報時系統中的鼓、鈴報時誤差為正負1分鐘，與古籍文獻記載的絲毫不差。

水運儀象臺，這座穿越千年的天文鐘，經過了中外無數專家半個世紀的嘔心瀝血，終于完成了復原工作，這是對中國古代天文學先驅的一次致敬，也是中國天文學史領域取得的重大進步。

當親眼目睹這座古老儀器出現在自己面前，聆聽著水流滴落漏壺的聲音，聆聽著樞輪運轉發出的咔噠聲，聆聽著水運儀發出的晨鐘暮鼓之聲，千年的歲月仿佛觸手可及，古老的科技重新煥發了勃勃生機。