第一座水力天文鐘——北宋的水運儀象台│《電腦簡史》 齒輪時代(八)

水力機械鐘與安堤基瑟拉儀早在紀元前就出現了,但奇怪的是,西方在之後千年的時間裡,竟然一直沒有結合這兩種齒輪技術,發明自動隨著天體運轉的水力天文鐘。結果最早的水力天文鐘,既不是出現在拜占庭帝國,也不是在阿拉伯帝國,而是萬里之外的中國!

本文為系列文章,上一篇請見:什麼?阿拉伯帝國學風開放,還搞出第一台可編程機器?│《電腦簡史》 齒輪時代(七)

只要轉動安提基瑟拉儀與拜占庭日晷儀,就可以計算過去到未來,任何一天的天體位置。但是只要沒人轉動,它們就不會動作,所以沒辦法呈現當下的天象,不像時鐘隨時告訴你目前時刻。

既然西元前三世紀,克特西比烏斯已經發明出機械水鐘,那麼以此為基礎,再多加一些齒輪與指針進去,讓它們與天體運行同步,不就是一台會自己運轉的天文鐘?看一眼就能知道目前的天體位置。

說也奇怪,雖然自動機器與計算天體位置,這兩種齒輪技術早就有了,但是「水力天文鐘」卻隔很久之後才出現。不知道是因為兩種技術沒有交匯在一起,或者早期確有發明,只是毀損失傳了。總之根據史料,水力天文鐘最早的記載竟然不是在古希臘,也不在拜占庭帝國或阿拉伯世界,而是在中國。

渾天儀、水運渾天、渾儀——中國早就有水力天文鐘?

《後漢書》中提到東漢的太史令張衡,於西元 126 年發明了渾天儀。許多人相信這就是最早的水力天文鐘,但其實除了渾天儀這名詞,完全沒有解釋其功能與構造,甚至也沒說由水力推動。是因為後來的《晉書.天文志》中,進一步描述渾天儀用空心銅球代表圓天,上面蝕刻各個星宿,以演示星象的運行;而原文中有「以漏水轉之」這幾個字,才引發後人設想渾天儀是以水力推動。

《後漢書》提及張衡發明渾天儀,但並未詳確記載渾天儀的功能與構造。圖\wikipedia

無論渾天儀是否真的靠水力轉動,它就這麼曇花一現。直到六百年後,唐朝的一行和尚(俗名張遂)與梁令瓚,才於 723 年又打造出名為「水運渾天」的水力天文鐘。《舊唐書.天文志》對它有這樣的描述:「注水激輪,令其自轉,一日一夜,天轉一周。又別置二輪絡在天外,綴以日月,令得運行。」表示除了星象,日月各自也有獨立的齒輪帶動運轉。更特別的是,後面還提到有兩個報時的木人,「每一刻自然擊鼓,每辰則自然撞鐘」。如果書中所言屬實,水運渾天既能模擬日月星辰的運行,又能夠時時刻刻主動報時,那的確稱得上水力天文鐘無誤。只可惜《舊唐書.天文志》沒有進一步描述它的內部構造,無從驗證這部水力天文鐘是否真的可以正常運轉。

北宋時,來自四川的張思訓於 979 年也設計了「渾儀」。據《宋史‧天文志》所載,張思訓特地改用水銀取代水,如此便不怕冬天水結冰,使得天文鐘無法運轉。此外,他還設計了更花俏的報時方式:除了有七個木偶在每一刻鐘會分別搖鈴、扣鐘、擊鼓,還有十二個木人輪流在不同時辰跑出來舉牌報時。但同樣地,書中仍然沒有解說其構造。

張衡的渾天儀、一行和尚的水運渾天、張思訓的渾儀,都僅見於文獻之中,卻又缺乏實際構造的描述,因此難以斷定其真偽。目前公認中國最早的水力天文鐘,是北宋時期的福建閩南人蘇頌,所發明的「水運儀象台」。

中國水力天文鐘公認始祖——水運儀象台

蘇頌出生於 1020 年,二十三歲與王安石同榜中了進士後,先到江蘇當縣令,三十四歲時調任到專門收藏典籍的集賢院。他在集賢院九年期間,研讀各種領域的書籍,學識因而大幅擴展,從藥學、算學、工程到天文地理,無所不通。 1086 年蘇頌轉任吏部尚書,在檢驗各項天文儀器後,決定建造一部功能完整、自動運行的天文鐘。他與下屬韓公廉一起著手設計,最後歷時六年終於成功打造出水運儀象台。

雖然水運儀象台已不復存,但所幸蘇頌留下一本親手寫的《新儀象法要》,裡面詳盡記載內部構造與零件尺寸,而且還附有圖示。經按圖索驥,復原重建水運儀象台後,確實可以正常運作(台中的自然科學博物館便有個一比一的模型)。

展示於北京古觀像館的蘇頌水力儀象台複製品結合了水力鐘,渾儀和天球的功能。。圖\wikipedia

水運儀象台高達十二公尺,共有三層。觀測用的「渾儀」置放於最上層,有許多環圈層層相套,包括地平圈、赤道圈、黃道圈、……等等,配合可以活動的「窺管」來觀測特定天體的位置。中間那一層是「渾象」,主體是一顆由齒輪帶動的圓球,上面繪製了各個星座,轉完一圈剛好一天,配合繞著圓球的經緯圈,演示天象的實際變化。最下層則是報時裝置,分為五小層,每層各有數目不一的小木人,會定時現身舉著牌子顯示目前的時刻,若在晚上還會敲更。

水運儀象台的動力機制與克特西比烏斯的機械水鐘非常類似,也是利用虹吸原理,讓固定的水量傾瀉而下推動水車,水車再帶動齒輪前進一格,推動渾象的圓球緩緩轉動,同時轉動報時裝置。所以只要定期加水,就能不斷運轉,如實模擬天象。

很難想像蘇頌可以憑空發明如此複雜的齒輪裝置。也許蘇頌在集賢院時,從藏書中發現渾天儀、水運渾天、渾儀等裝置的圖解;甚至張思訓的渾儀過了一百年可能還完好無缺,蘇頌便可直接研究(水運儀象台的木人報時方式,與渾儀也太相似了)。若是如此,中國的水力天文鐘,似乎是自漢、唐、宋一路傳承下來,完全是中國自己的發明。不過實際上,蘇頌還是得藉助於阿拉伯帝國的天文知識。


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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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