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品读北宋文化:水运仪象台 世界时钟之祖

鏃ユ湡;2019-06-19  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  宋代在以水运仪象台为代表的天文科技研究方面处于当时世界领先水平。北宋时期,苏颂领导创制的水运仪象台,是一座集计时报时、天文观测和星象显示三项功能于一体的大型天文钟,堪称当时世界上最先进、技术综合程度最高的大型机械装置,是北宋科技发展高峰的重要标志,更是世界科技文明的划时代创举。其驱动系统中的天衡装置与欧洲17世纪出现的锚状擒纵器在设计原理上非常相似,但比欧洲人早了六七个世纪,水运仪象台因此被誉为“世界时钟之祖”。水运仪象台是中国古代科技史上的一项非凡创举,为人类做出了巨大贡献,有人称之为中国古代“第五大发明”。

  10月18日,在清明上河园大宋水运仪象台主题展馆内,偌大的大宋水运仪象台模型吸引了众多游客的目光。得知它是“世界时钟之祖”之后,游客纷纷驻足观看并与之合影留念。

  北宋水运仪象台建于元祐年间,由苏颂领导创制,有“世界时钟之祖”和中国古代“第五大发明”之称,是一座集计时报时、天文观测和星象显示三项功能于一体的大型天文钟,堪称当时世界上最先进、技术综合程度最高的大型机械装置,是北宋科技发展高峰的重要标志,不仅代表着中国古代天文和机械发展的最高水平,更是世界科技文明的划时代创举,在我国和世界科技史上都占有重要地位。

  北宋的水运仪象台完成后,在东京(今开封)使用了34年。金兵攻下东京城,北宋灭亡,水运仪象台等天文仪器被金兵缴获。金兵把该仪象台迁运至燕京想重新装配使用,但由于经过长途搬运,一些零件损坏或散失,又缺少有经验的能工巧匠,又因东京和燕京纬度不同,水运仪象台迁运后连一般观察也不能进行。水运仪象台虽被毁坏,其影响却依然存在。宋高宗想在临安(今杭州)重建水运仪象台,秦桧曾派人寻找苏颂后人并访求苏颂遗书,还请教过朱熹,想把水运仪象台恢复起来,但始终没有成功。从此,水运仪象台只能作为史书上的记载,见证着中国古代天文仪器和机械制造所曾达到的一个高峰。之后,不论是中国人还是外国人,都为复原水运仪象台而做出过努力。

  我国近代对水运仪象台的复原可追溯至1958年。当时著名的博物馆学学者、科技史专家王振铎按照1∶5的比例复原了仪器模型,并绘制了复原详图,发表《揭开了我国天文钟的秘密》一文,其后英国著名科技史学家李约瑟等人也成功复制了水运仪象台,美国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年终于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厦门市同安区苏颂公园落成,这个水运仪象台不是模型,而是一座真实的、可以运转的小型天文台,成为同安苏颂公园的“镇园之宝”。虽然复原品很多,但它们与史书中记载的运行方式总是有些区别。

  2014年4月29日,由中国科学院国家天文台、中国科学院自然科学史研究所、开封市政府、清华大学联合清明上河园共同打造的大宋水运仪象台在开封清明上河园正式亮相,神奇再现了千年前的“高科技”。此次亮相的水运仪象台是按1∶3的比例科学仿制复原,这也是世界上首个运用水动力的水运仪象台复原模型。该水运仪象台既能开动水泵供水使全部系统正常运转,又可电动控制进行自动运转演示,同时具有时间校准功能,供长期展示使用。清明上河园还专门设置了“水运仪象台全息影像展示”,以3D动画的形式向观众讲述水运仪象台的建造故事。为增强与游客的互动性,展馆还开发了“互动拼装水运仪象台体验游戏”,使用的是全触摸式屏幕,可以说是古代科技和现代科技的完美结合。

  清明上河园景区总经理周旭东曾表示,大宋水运仪象台科学复原1∶3模型能够落户清明上河园,可以说是开封之幸、河南之幸乃至中国古代科技之幸。北宋时期的国力非常强大,水运仪象台就是其中一个例子。清明上河园等部门花费数百万元率先打造了大宋水运仪象台主题展馆,通过展现古代经济社会科技的发展盛况,证明北宋时期科技的高度发达,让人们了解我们祖先的伟大。

  古今中外这么多学者、科学家热衷于研究、复制900多年前的水运仪象台,无疑证明了水运仪象台的魅力。900多年过去了,穿越历史的时空,水运仪象台缘何仍能吸引现代人长久的关注?它背后的科学意义又是什么?这一切还要从头说起。

  水运仪象台是北宋时苏颂领导创制的,整个机械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”。

  在北宋统治的168年间,政府前后颁行了7部历法。熙宁七年(公元1074年),沈括对旧浑仪进行改造,取消白道环,校正浑仪轴,虽取得很大进步,但熙宁八年(公元1075年)颁行的《寿元历》等均不尽人意。沈括上书解释,要求制作精密观测仪器。因为观测数据和推算方法是编制历法准确度的关键,而观测数据的准确度又取决于观测仪器的精度,这是促使苏颂研制水运仪象台的重要原因。

  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,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于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而发明创造的水运仪象台。

  在苏颂所著的《新仪象法要》中详细介绍了水运仪象台的设计和制作情况,并附有多幅绘图。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,高约12米、底宽约3米,共分为3大层。上层是一个露天平台,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7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”上面,靠机轮带动旋转,一昼夜转动一圈,真实再现了星辰的起落等天象变化。

  下层设有向南打开的大门,门里装置有5层木阁,木阁后面是机械传动系统。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3个小门,到了每个时辰(古代一天分为12个时辰,一个时辰又分为时初和时正)的时初,就有一个穿红衣服的木人在左门里摇铃;每逢时正,有一个穿紫色衣服的木人在右门里敲钟;每过一刻钟,有一个穿绿衣服的木人在中门击鼓。第二层木阁可以报告12个时辰的时初、时正名称,相当于现代时钟的时针表盘。这一层的机轮边有24个司辰木人,手拿时辰牌,牌面依次写着子初、子正、丑初、丑正等。每逢时初、时正,司辰木人按时在木阁门前出现。第三层木阁专刻报的时间,共有96个司辰木人,其中有24个木人报时初、时正,其余木人报刻。例如,子正:初刻、二刻、三刻;丑初:初刻、二刻、三刻等。第四层木阁报告晚上的时刻。木人可以根据四季的不同击钲报更数。第五层木阁装置有38个木人,木人位置可以随着节气的变更,报告昏、晓、日出以及几更几筹等详细情况。五层木阁里的木人能够表演出这些精彩、准确的报时动作,是靠一套复杂的机械装置“昼夜轮机”带动的。

  据市科技局组织编纂的《宋代科技成就》一书所述,水运仪象台运行是以枢轮(巨大的水轮)为全台动力,而枢轮是以水循环不息来驱动的。为保证枢轮能匀速运动,在枢轮上有一自动控制系统,它与日后西方钟表中广泛采用的擒纵机构相同,通过齿轮与齿轮啮合,枢轮一方面带动浑象演示天象,同时带动计时装置准确报时报刻;另一方面枢轮还带动浑仪以观测天体,这样就组成了兼有浑仪、浑象和计时装置的水运仪象台。水运仪象台运转过程中要保证枢轮匀速运转,枢轮的来水也要有保证。首先就是要不停地提水、供水,以保证枢轮运转。水运仪象台驱动的主要部件是设有一种俗称铜壶滴漏的仪器,即在一个高低不同的壶架上有两个方形水槽,又高又大的一个水槽叫天池,起着蓄水池的作用。水从天池中流入平水壶,平水壶一方面接受天池的水源,同时还设有泄水管和一定口径的壶嘴,既可以保持一定的水位高度,又可保持恒定流量,保证枢轮具有恒定的转速。当来水经过枢轮后泄入返水壶中,水位降低,再流入升水下壶中。为了使流水循环使用,还有打水的操作车水机械。车水机械由升水下轮、升水下壶、升水上轮、升水上壶、河车和天河组成。打水人搬动河车,将水从升水轮分两级提高,灌入天河中,从而使一定数量的水循环不息,带动枢轮不停运转。

  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,它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,成为一座自动化的天文台。

  苏颂领导创制的水运仪象台是11世纪末我国杰出的天文仪器,也是世界上最古老的天文钟。

  苏颂(公元1020年~1101年),字子容,福建泉州同安葫芦山(今属厦门市同安区)人,北宋天文学家、药物学家。其祖先在唐末随王潮入闽,世代为闽南望族。其父苏绅中过进士。苏颂出身于书香门第,从小聪敏好学,接受了严格的家庭教育,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。公元1053年,他奉调到京城东京任馆阁校勘、集贤校理等职,使他有机会博览皇家的各种藏书。在任职的9年里,苏颂每天背诵一段书,回家后默写下来,从不间断,聚沙成塔,积累了渊博的知识。《宋史·苏颂传》称他精通“经史、九流百家之说,至于图纬、律吕、兴修、算法、山经、本草,无所不通,尤明典故”。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。

  苏颂为官50多年,政绩斐然。在任地方官时,他尽其所能,为民造福。任江苏江宁知县时,他清查了富户漏税行为,核实丁产,编成户籍,按册课税,既增加了国库收入,又减轻了穷人负担。任颍州知州时,正值朝廷为宋仁宗修筑皇陵,许多州、县官趁机从工程中中饱私囊,苏颂却一直保持清廉的作风。担任南京留守时,深得长官欧阳修器重,欧阳修赞许他“处事精审”。特别是在处理民族关系方面,他先后五次与辽国深入接触。其间,他搜集整理了关于辽国的政治制度、经济实力、军事设施、山川地理、风土民情、外交礼仪等信息,并根据宋辽两国实际,提出了与辽国和睦修好的政策,由此坚定了宋朝对辽推行友好政策的信心,换来了数十年的宋辽和平。

  苏颂是位不畏强权、敢“斗”皇帝的臣子。宋神宗熙宁年间,神宗任用王安石推行变法。为了聚集力量推动变法,王安石请求神宗破格提拔一名地方官李定.神宗答应了,然后指令时任中书舍人的苏颂起草破格提拔任命书。苏颂一看,这种提拔不符合破格条件,就把神宗的指令封好,说明原因,退了回去。神宗见状,就把指令再次发到中书部门,叫轮流值班的宋敏求起草。结果,宋敏求也觉得不符合破格规定,也将皇帝的指令封退了。经王安石的强烈要求,神宗第三次将指令发往中书部门,结果又被轮流值班的第三位中书舍人李大临封退。三名中书舍人一致表示:宁可被撤职,也不做这种违反“组织程序的事”!聪明的神宗感到这种办法可能行不通,就干脆直接召见苏颂,说“破格”任用李定,“不为越法”,指令苏颂“速为草制”。但苏颂还是不动笔。宋神宗见软的不行,就来硬的,说:“这一份任命诏书,这么长时间都没有制作出来,这恐怕也是有罪的吧!”苏颂说:“坚持上祖的规制,这是为臣的操守!”指令被第四次封退,宋神宗并没有气馁——他要宰相曾公亮去劝说,照旧被苏颂退了回来。最后,宋神宗可能是忍无可忍了,就将苏颂、李大临、宋敏求“中书舍人”的职务撤销,苏颂重新回到工部任郎中。这就是北宋历史上著名的“三舍人事件”。

  苏颂既是一位出色的政治家,又是闪耀在北宋时期的一颗科技巨星,他在医药学、天文科学技术方面取得了开拓性成就,为我国和世界科技发展做出了卓越贡献。他所撰医药学、天文科学著作,均图文并茂,为后人留下了珍贵的文献遗产。尤其值得称道的是,苏颂一人独夺7项世界第一。李约瑟称其为“中国古代和中世纪最伟大的博物学家和科学家之一”。

  苏颂领导创制的水运仪象台的顶部是活动性屋板,观看时可以拆开,雨雪时可以合闭。学者认为,它是世界上天文台圆顶自由启闭室的鼻祖。水运仪象台的浑仪窥管(望筒),通过“天运环”等机件与水力推动的枢轮相连,使窥管与被观测的天体能够同步运行,利用这一原理,科学家发明了现代天文台跟踪机械转仪钟。李约瑟说:“苏颂把时钟机械和观察用浑仪结合起来,在原理上已经完全成功。因此,可以说他比罗伯特·胡克先行了6个世纪,比方和斐先行了7个半世纪。”水运仪象台的总动轮枢轮是由一组叫“天衡” “人权” “左右天锁”的杠杆系统控制的,由于“天衡”系统对枢轮的擒纵控制作用,使以水力推动的枢轮能等速均匀地向前运转。它的作用与现代钟表的关键部件锚状擒纵器(俗称卡子)的作用完全相同。李约瑟研究了水运仪象台后说,它比14世纪欧洲使用轴叶擒纵器重力传动机械时钟早了许多年。

  苏颂在他的《新仪象法要》一书中,为后人留下了5幅星图,这是保存在国内最早的纸绘全天星图。苏颂在他的星图中,首创圆横结合画法,解决了长期以来赤道与北天极周围绘制失真的问题。苏颂在《新仪象法要》中还留下了世界上最早、最完整、最系统的机械图纸,共有整体图、部件图、零件图60多幅,绘制机械零件150多种。

  苏颂还发明了世界上第一架假天仪。为了能更直观地理解星宿的昏晓出没和中天,苏颂又提出设计一种人能进入浑天象内部来观察的仪器,即假天仪,具体设计仍由韩公廉推算完成。它用竹木制成,形如球状竹笼,外面糊纸,按天上星宿的位置,在纸上开孔。人进入球内观看,外面的光从孔中射入,呈现出大小不同的亮点,好像夜空中的星星一般。人悬坐球内扳动枢轴,使球体转动,就可以更形象地看到星宿的出没运行。这架仪器是近代天文馆中星空演示的先驱。

  苏颂的《本草图经》是世界上第一部保存至今的有图、完整的本草著作。中草药是我国传统文化的瑰宝,是中医预防、治疗疾病所使用的独特药物,也是中医区别于其他医学的重要标志。古代先贤对中草药的探索历经数千年历史,形成了一门独特的学科——本草学。嘉祐二年(公元1057年),苏颂任校正医书官,参与编撰《嘉祐本草》工作时,他发现其中药图多有讹错,且唐代《新修本草》中的药图、《天宝单方药图》等医药书和药图早已散失,于是他就向朝廷建议,别撰图经,“使后人用药知所依据”。宋仁宗采纳他的建议,并令其主持编撰《本草图经》。苏颂发动广大医师和药家呈送药物标本和药图,带领下属一起核对,重加撰述,做到匡误正谬、考证鲜明。历时4年,完成了我国第一部有图的本草书21卷,为纠正药物混乱与错讹做出了贡献。《本草图经》内容广博,收药图933幅,图文相合,利于辨认,全面继承了宋以前的医药成就,引用社会科学和自然科学著作200多种,载常用单方1000余个,为辨认和应用药物提供了有益资料。李时珍在他闻名中外的《本草纲目》里也引用了《本草图经》的不少内容。《本草图经》的成书,是世界药物史上的壮举,领先于欧洲400多年。

  在江诗·丹顿的一次古董钟表收藏家演讲会上,我国著名的制表大师、古董钟表收藏家、钟表历史学家矫大羽先生语出惊人:“世界上第一座具有擒纵系统的水运仪象台,出自中国人之手,他就是北宋宰相苏颂。”矫大羽十分自豪地宣称:“中国人开创了钟表史。”李约瑟在他撰写的《中国科学技术史》中,讲出一段被湮没了数世纪的历史。他说,17世纪,当西方钟表传入中国时,它们所装配的用于准确指示时间的核心——擒纵机构,其实早已出现在600年前的中国。李约瑟所指的就是水运仪象台。

  钟表是现代人类生活中常用的计时工具。但在钟表发明以前,我们的先辈就已经开始利用各种方法来度量时间。翻开古代计时史页,人们清楚地看到,古人没有时钟,都是根据太阳的高度来确定时间,发明了依据太阳光线位置判断时间的日晷和使用沙子的流动记录时间的漏斗,也有人把它们叫作“太阳钟”和“沙钟”。但是这些不属于“钟表”概念的范畴,因为钟表计时的原理是通过能够产生振荡周期的装置来计算时间。直至发明了水运仪象台,才开启了世界钟表史的纪元。水运仪象台以水力为原动力,为了使计时更加准确,在滴漏技术的基础上创制了更符合高精度要求、能发出“滴答”之声的擒纵机构,可以说完成了由计时向钟表的第一次转化。

  国际上对水运仪象台的设计给予了高度评价,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,不仅形象演示了天象变化,也是现代天文台跟踪器械——转仪钟的祖先;水运仪象台中首创的擒纵机构是后世钟表的关键部件,因此它又是钟表的祖先。据史料记载,水运仪象台的时间精准率为99%,昼夜误差仅有 1秒。

  水运仪象台凝聚了中国古代的机械设计与制造、天文观测、冶金铸造、建筑工艺等多学科、多方面的科学技术成果,是中国古代高科技的结晶之作,在中国乃至世界科技史上都具有举足轻重的地位。这个中国古代的伟大发明在世界钟表史上具有极其重要的意义。由此,矫大羽先生首次提出了“中国人开创钟表史——钟表是中国古代五大发明之一”的观点。如果你仔细观察,会发现罗西尼手表机芯旋动的齿轮商标上刻有一位扎有典型中国古代发髻的长发贤者,在机芯旋转的齿轮上,这位老者双手及背,悠闲漫步,他就是苏颂。这款手表的设计理念就源自于北宋水运仪象台。

  如何把计时部分从天文仪器中独立出来?元朝科学家郭守敬于1276年制造的 “大明殿灯漏”给出了答案。《丹邱生集》中描述道:“漏中有12个小木偶,捧着12个生肖。每辰初刻,偶人…………开小门出灯外板上,捧辰报时。”不过,在钟表技术方面,自苏颂、郭守敬之后,中国再无更大发展,把机会让给了后来居上的欧洲。直到公元14世纪,欧洲才出现了第一座机械钟,其核心部分的设计也是依据了擒纵器的原理。如今,这座仍在运行的古老机械钟正静静地伫立在英国威尔特郡索尔兹伯里大教堂里,从发明到现在,它的钟摆摆动次数已超过5亿次。

  水运仪象台是我国古代天文仪器制作的一个缩影。我国历朝历代非常重视天文观测和仪器制作,给世界留下了宝贵的科学遗产。水运仪象台集报时器、浑象、浑仪于一身,其组成部件之一的浑仪曾是世界上最先进的天文观测仪器,是我国古代天文学家用来观测星象最重要的工具。通过浑仪上代表赤道、黄道的圆圈以及协助观察用的窥管,可以测定天体的赤道经度和纬度。自从战国时期被发明以来,它便不断地被更新和重制,在宋代与浑象、水力机械装置联系在一起,组成了功能多样的天文台。圭表、日晷、浑仪、浑象是我国古代几类基本的天文仪器,前两者利用日影来确定节气和时间,后两者则是用来观测和显示天象。早在1953年,浑仪便与司南、地动仪、记里鼓车一起作为中国古代科技成就的代表被印在邮票上。如今,它跟随无数宣传画、杂志传播到全世界。在发明望远镜之前,我国古代科学家利用浑仪、浑象等仪器实现了对天体位置的准确观测,留下了丰富、可靠的星象记录,使我国在世界天文发展史中占据了无法替代的位置。

  今年3月,英国BBC摄制组一行专程来到厦门市苏颂公园,拍摄苏颂的伟大科技创举——水运仪象台,通过4个小时的拍摄,介绍水运仪象台的运转以及工作原则,描述当时的科学技术发展水平,以此来展现水运仪象台在世界科学技术史上不可忽视的地位。


 
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