「安提基瑟拉儀」橫空出世,史上第一台計算機?(下)│《電腦簡史》 齒輪時代(二)

安提基瑟拉儀如此精巧繁複,與十六世紀的鐘錶相比毫不遜色,究竟是誰能在西元前就打造出這樣的作品?而且當時仍以為地球是宇宙中心,天體都繞著地球轉。使用錯誤的地心說模型,安提基瑟拉儀如何仍能準確模擬天體的運行?

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為什麼要發明安提基瑟拉儀?

自有歷史以來,人類便一直對天空的日月星辰感到好奇。每天日出東方、月亮西沉,滿天星斗也始終如一的橫過夜空,凝視這些在天空閃閃發亮的天體原本就會令人有無限遐想,更何況人們的生活似乎也被它們影響。天體的運行軌跡隨著季節變化而規律的改變,可以依據太陽的路徑劃分出一年四季,以利耕作;而潮水漲落更與月亮盈虧有明顯的對應關係,因此需要陰曆來掌握潮汐。另一方面,看似恆常規律的天象也偶有例外,例如日食、月食、流星,而幾個行星的運行軌跡顯然也與鑲嵌在夜空背景中的星座大不相同。這些異象又意味著什麼?是否暗示將有天災人禍?

因此無論是基於實用目的,想從天象找出蛛絲馬跡,以做好準備或趨吉避凶;或是純粹基於好奇心想知道天體運行背後的規律,世界各地的古文明很早就開始觀測天體並各自發展出天文曆法,例如四、五千年前的古埃及、印度、中國,乃至美索不達米亞平原的古巴比倫文明,與中美洲的馬雅文明。其實在默冬發現默冬週期之前,巴比倫人與中國周朝早就實施十九年七閏了。不過,是巴比倫人建立了有系統的方法,運用數學來分析天體運行的規律,率先發現日月食的規律,也就是沙羅週期。

在古人的宇宙觀中,當然地球是靜止不動的,所有天體都是繞著地球轉。這很合理,畢竟你感受不到地球在動,而仰望天空,看到的明明是日月星辰在移動。不過仔細觀察五大行星,卻會發現它們的移動速度時快時慢;更奇特的是,它們偶而還會改變方向,掉頭倒退一段距離——也就是所謂的「行星逆行」——再轉回原來方向繼續往前。巴比倫人雖然掌握了日月食的週期,卻對「行星逆行」這個神祕難解的天文的現象束手無策。這個問題得再過幾個世紀,才由古希臘的天文學家接力提出合理的解釋。

如何補救地心說的缺陷

或許是得力於歐幾里得在西元前三世紀左右出版的《幾何原本》,古希臘人更能有系統地將幾何學運用在天文學上。西元前二、三世紀交替之際,阿波羅尼奧斯 (Apollonius of Perga) 率先提出周轉圓理論。他認為五大行星並不是像太陽、月亮那樣直接繞著地球轉,而是各自繞著一個假想的圓心轉,這個周轉圓(也稱為「本輪」)再繞著地球轉,因此有時才會看到行星逆行的現象。不過這仍無法解釋行星為什麼會忽快忽慢,直到西元前一百三十年左右,希帕庫斯 (Hipparchus) 在周轉圓的模型加入了偏心圓,才解決這個問題。他設想五大行星的周轉圓雖然繞著地球轉,但是地球並不在圓心的位置,而是偏離圓心一段距離,因此行星離地球比較遠時看起來速度比較慢,離地球近時看起來就比較快。

時代對於宇宙觀的見解多元,藉由數學理論的推演使假說更具合理性。圖\pixabay

兩百多年後,約莫西元二世紀中期,希臘學者托勒密 (Claudius Ptolemaeus) 發表《天文學大成》鉅著。書中結合周轉圓與偏心圓的概念,建立後世稱為「托勒密體系」的行星模型,一舉掌握日月星辰的運行軌跡,包括太陽、月亮的運行與日月食的週期、五大行星的周轉圓半徑與它們沿著周轉圓繞行的速率、周轉圓本身繞著地球轉的速率,以及圓心相對於地球的位置。地心說原本與天體實際運行不符之處,如今在托勒密體系下都獲得解決,人類的宇宙觀因此在他手中一錘定音,地心說從此主宰天文學一千多年,直到十七世紀克卜勒提出行星運動三大定律,地心說才終於被日心說取代。

由於《天文學大成》的權威地位,後世提到地心說都會以托勒密做為代表人物,但其實這本書是奠基於前人的研究成果,特別是希帕庫斯的研究。事實上,希帕庫斯的原始著作都已失傳,正是托勒密在《天文學大成》中加以轉述,我們才知道托勒密體系其實脫胎於希帕庫斯的周轉圓模型。

誰發明了安提基瑟拉儀?

安提基瑟拉儀經科學家復原重建後,赫然發現內部有周轉圓齒輪組,所以才能令行星指針完美地模擬行星運行,甚至包括逆行現象。由此可見當初設計者就已經充分瞭解周轉圓的行星模型;既然安提基瑟拉儀與希帕庫斯幾乎是在同一時代,相差不超過二、三十年,不禁令人猜想:安提基瑟拉儀會不會正是希帕庫斯所設計的?

安提基瑟拉儀的發明者有可能為「方位天文學之父」-希帕庫斯。圖\wikipedia

也有人認為安提基瑟拉儀的設計可追溯至年代更早的阿基米德 (Archimedes) 。阿基米德被公認為發明齒輪裝置的先驅,除了螺旋抽水機,傳聞他還發明了計算里程的馬車,以及能將敵人的船隻吊起的巨型裝置。據史書記載,西元前 212 年羅馬軍隊攻陷位於西西里島的敘拉古 (Siracuse) 城時,阿基米德當場被羅馬士兵殺死,他所發明的一件天文儀器被羅馬將軍馬塞勒斯 (Marcellus) 據為己有。後來看過這件儀器的人描述道:

「這個銅製裝置上的月亮隨著太陽一起轉動,轉的圈數與天上的月亮一樣。而當(裝置上的)月亮轉到和太陽、地球成一直線時,月亮的影子投射在地球上,如實呈現了天上的日食現象。」

以往史學家並沒有太認真看待這段記述,因為除此之外都沒有關於這件儀器實際構造的描述;而且當時是否真有這樣的技術能力也令人懷疑,就像可以吊起敵人船隻的裝置,應該純粹只是阿基米德紙上談兵,並沒有真的建造出來。但如今安提基瑟拉儀的出土,為這段文字大大增添了可信度。加上安提基瑟拉儀的正面與這段文字所描述的如此類似,的確很有可能承襲自阿基米德真的設計。

羅馬人對於阿基米德發明的儀器描述與安提基瑟拉儀的正面相似,使學者們開始猜想或許安提基瑟拉儀的設計是出自阿基米德之手。

無論是否與阿基米德有直接關連,安提基瑟拉儀的齒輪如此精巧複雜,除了需具備齒輪運作的知識,也需要有純熟的製造工藝配合才能完成,而知識與技術都需要時間的積累才會成熟,不可能當下憑空出現。也就是說,在安提基瑟拉儀發明之前,齒輪的相關知識與技術必定已存在相當時日。因此,如果說安提基瑟拉儀是史上第一台計算機,那麼若要探討計算機的起源,我們勢必得將目光投往阿基米德那個時期的古希臘。

關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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