水運儀象臺的前世今生

演講者：劉東宇

推薦單位：北京天文學會

大家好！我叫劉東宇，來自國家天文臺沙河科普基地，目前的工作內容就是天文科普。今天，我要給大家帶來的演講題目是關于中國古代天文史的《水運儀象臺的前世今生》。

今天我要向大家隆重介紹——中國古代天文史上結構最復雜、功能最齊全、自動化程度最高的巔峰之作——水運儀象臺。

水運儀象臺，建成于公元1092年，即北宋哲宗元祐七年。據史料記載，它由三部分構成，分別是用以天文觀測的渾儀，演示天體運行的渾象，用天體運行校準的機械鐘表。三種功能有機地結合在一起，并共同用水力驅動。

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

太宗皇帝趙光義有一天直接向當天值班的天文官員詢問道：“按照現行的《乾元歷》預測，火星應當逆行至軫宿再開始順行。而現在的實際情況卻是逆行到角宿，就開始了順行。是不是國家頒布的《乾元歷》出了問題？”

好在當班官員也深諳世事，于是奏對道：“皇上您說的這個誤差確實存在。但這是上天對陛下施行德政的庇佑，不是歷法可以預測得到的。”

就這樣，一場看似嚴重的科學危機就被“政治正確”無形化解掉了。然而，真正的科學問題卻沒有解決。

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

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，還能模擬天象運轉來化解陰雨天無法觀測的尷尬呢？

現在，讓我們從頭說起。

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

到了漢代，天文學家們發現日影的變化隨時間流逝并不均勻。最終，張衡總結出了 “渾天說”概念，認為：“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。

我們再來說技術儲備。

時間，無法直接觀測，必須依靠介質。中國上古時代就有用水流計時的傳統。到宋代，更是出現了“漫流分水漏刻”——其精度可以達到每天誤差僅幾秒鐘的水平。這個精度紀錄一直保持到惠更斯發現鐘擺原理。

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

水力機械的制造經驗也有不少。在我國1983年攝制的電影《張衡》中，就對“漏水轉渾天儀”的使用和調試過程進行了精彩的再現。此后，唐代的一行，北宋初年的張思訓也做了不同程度的改進。

至此，可以說，水運儀象臺的理論基礎和技術儲備已經基本成熟。那么天文學家們還在等什么呢？各位評委老師應該有這樣的經驗，那就是手里明明有很好的項目，但就是遲遲沒有立項。這時候，缺的就是政策的東風。在公元1086年，恰好就有這樣一個機會。

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行普查。恰好時任宰相蘇頌的天文學造詣極深，他瞅準時機上奏申請制造新儀器。于是，“水運儀象臺”項目順勢上馬。六年之后，也就是1092年，水運儀象臺建成。

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，何時滅？很快，水運儀象臺就湮滅在了宋金元混戰的亂世。因此，三代史書中都有關于它的零散記載。

那么，我們今天的復原工作就靠這些只言片語嗎？當然不是。

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

水運儀象臺，原品高度12米，底邊7米。一層機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“人類機械最早的擒縱器結構，現代鐘表的鼻祖”。

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

在水力的驅動下，三層渾天儀中間的窺管可以跟蹤天體的運行。這是當代自動化天文望遠鏡跟蹤系統——赤道儀的雛形。此外，還有它的活動屋頂，設計上頗有現代天文臺的意味。

我們來看看當代的復原工作歷程。

1956年，劉仙洲先生在水力計時器原理上進行了探索。

1958年，王振鐸先生制成了1：8的靜態模型，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儀象臺的李約瑟，1970年在其家鄉制造并展出了1∶4的靜態模型。

1988年，在水運儀象臺之父——蘇頌的家鄉，福建省廈門市同安區，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“自然科學博物館”開館同時落成了1∶1的木構靜態模型。

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

在新世紀，廈門同安科技館，又落成了1∶1比例的木制動態模型。

最近，國家天文臺還在與清華大學合作，進行了水運儀象臺的精密測繪和制圖，并且已經制成了1∶3整體模型和1∶5局部模型。這套復原方案的特點是，盡可能在結構和材料上復原宋代設計，并且除供水系統外不使用電動輔助裝置。以突出宋代設計者的智慧。

通過對水運儀象臺的復原工作，回顧并了解這段歷史，讓我們在感嘆中國古人的創新精神之余，更是體會到科技進步與國家命運的緊密聯系。我們常常說“國家不幸詩家幸”。但在天文學家看來，只有國家的安寧與富強，才是天文學發展的最大保障。

創新引領未來，創業成就夢想?；厥祝袔浊曛袊鴤鹘y天文學積淀;展望，有日新月異的天文學新發現。當代中國天文人絕不會甘于守業守成。新世紀以來，隨著我國國力的增強，郭守敬望遠鏡、五百米口徑球面射電望遠鏡、慧眼空間望遠鏡等大型天文裝置的相繼落成，標志著我國天文學事業重新站在了世界前列。因此，我們要在新世紀里，開創中國天文學的新事業，讓中國天文學成就重新站在人類認識宇宙的最前沿。