西方第一座水力天文鐘——給你聲光饗宴的城堡天文鐘│《電腦簡史》 齒輪時代(九)

阿拉伯帝國興盛之際,也將天文知識傳入中國,北宋的蘇頌便用於設計水運儀象台。一百年後,一個土耳其王國的伊斯蘭發明家,才打造出西方的第一座水力天文鐘。這座「城堡天文鐘」運作起來猶如一場燈光饗宴,發明者加扎里為什麼要如此大費周章?他的設計又對齒輪技術產生怎樣的影響?

本文為系列文章,上一篇請見: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)

中國與西域的學術交流與碰撞

大唐盛世,也正是阿拉伯帝國興盛之際,此時雙方就已透過經貿、外交、戰爭等不同途徑,展開文化交流。中國輸出絲綢、瓷器這些器物,也將造紙術傳到阿拉伯。相對地,穆斯林商人與使節除了帶來香料、珠寶,也引進天文知識。

到了宋朝,來自西域的伊斯蘭天文學家馬依澤,還奉宋太祖趙匡胤之命,於建隆二年 (西元 961 年) 著手編製新的曆法。這個名為《應天曆》的新曆法採納阿拉伯的天文知識,包括黃道十二宮的方位、七天為一星期的劃分,都是在此時首度引介到中國。此外,馬依澤還譯介了許多阿拉伯的天文書籍,包括天文星表等。這些譯著收藏於集賢院,蘇頌因此習得阿拉伯的天文知識,並用於打造水運儀象台。

正當蘇頌埋首於打造水運儀象台之際,西班牙托雷多 (Toledo) 一帶的伊斯蘭王國,有位名叫穆拉迪 (Alī Ibn Khalaf al-Murādī) 的數學家兼天文學家,早已經設計出水力天文鐘。這台水力天文鐘記載於他所寫的《思想結晶的秘密之書》 (The Book of Secrets in the Results of Thoughts) ,特別的是,也用水銀作為動力來源。西班牙與中國距離如此遙遠,穆拉迪似乎不大可能得知張思訓的渾儀,若非純粹巧合,或許是兩人有著共同的靈感來源——阿拉伯帝國的某種裝置齒輪機器,或是智慧宮的某本書籍。

可惜穆拉迪這本書有很多頁面已毀損,無法得知他的水力天文鐘如何運作。目前公認西方最早的水力天文鐘,是十二世紀末的伊斯蘭學者加扎里 (Ismail al-Jazari) 所設計的「城堡天文鐘」。

穆拉迪所著的《思想結晶的秘密之書》部分片段 (現保存於意大利佛羅倫薩的 Medicea-Laurentiana 圖書館) ,多數頁面早已損毀。圖\wikipedia

全新動力機制,更多聲光效果

加扎里生於1136年,是新崛起的一個土耳其王朝的皇家總工程師。他於 1206 年出版《奇巧機械裝置的知識之書》 (The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices) ,書中記載了五十種機械裝置,有各式水鐘、天文鐘、自動玩偶,還有水車、抽水幫浦、噴泉等供水系統。城堡天文鐘便是其中一。

城堡天文鐘有一層樓高,外觀看起來就像城堡,因此得名。它的正面城牆上方,有三個分別代表黃道十二宮、太陽與月亮的環形轉盤,各自會按不同速度轉動,以模擬日月在天空的位置。月亮轉盤上有二十八個孔洞,鏤空成不同月相的形狀,在背後燭光的映照下,如實呈現當天月亮的圓缺。

在轉盤的下方,由左到右有十二個小門與字卡,代表十二個小時。字卡前方的指針從日出開始,緩緩經過每個字卡,指出目前時刻。指針走到底時恰是日落,再撥回最左邊,重新走過日落到日出的夜間十二小時。

加扎里運用穆薩兄弟發明的錐形閥作為城堡天文鐘的動力來源。圖\YouTube

城堡天文鐘的動力機制與以往的水力天文鐘大不相同,不是靠水車轉動齒輪,而是用一個大浮筒。這個銅製的浮筒放在水槽裡;水槽原本是滿水位,下方有控制閥門讓水涓滴流出。隨著水位越來越低,水面上的浮筒也緩緩下降,拉動繩索而轉動齒輪。

這個控制閥門正是當年穆薩三兄弟所發明的錐形閥,加扎里用它來調整水流出的速度。之所以需要調整,是因為加扎里面臨與克特西比烏斯一樣的問題:一年三百六十五天,日夜的小時長度都不一樣。克特西比烏斯解決的方法是讓每天的刻度間距都不一樣,加扎里則是改變每天的水流速度。而為了方便調整,加扎里預先在錐形閥週圍劃好刻度,操作人員就知道該將錐形閥轉到哪個位置。

從功能上來看,城堡天文鐘好像並未超越以往的水力天文鐘,不過它的特別之處在於增添了許多聲光效果。例如十二扇小門會輪流打開,現出裡面的人偶;同時城牆左右各有一尊銅製獵鷹,會從嘴中吐出一顆銅珠,掉入下方的花瓶裡。花瓶之中的銅鈸受到銅珠撞擊後,發出響亮的聲音,遠處也能聽見報時。到了夜間基於安寧考量,報時便改用燈光呈現。在拱形城門頂部有十二個圓形窗孔,每逢正時依序逐一開啟,露出背後的燭光,從亮光數目便能輕易看出目前時刻。此外,每逢正午、日落中途與日落之際,城牆前有五個人偶會開始吹奏樂器,提醒穆斯林進行禱告。

加札里所設計的城堡天文鐘上方有十二張字卡,代表一天中的 12 小時,日夜反覆使用。圖\wikipedia

加札里在齒輪技術上的突破與貢獻

這些錦上添花的設計,其實對於天文鐘而言並非必要。但如同許多創新者,加扎里純粹出自本身的興趣,才將天文鐘設計得如此複雜。加扎里本身顯然相當著迷於機械生物,除了城堡天文鐘,他設計的多款水鐘上面,也有大象、小鳥、蛇等等會動的機械玩偶。此外,他還設計了許多在宴會上娛樂賓客的機械人偶,包括會倒酒的女侍、演奏樂曲的四人樂團、……等等。

加扎里將自己的書名取得與穆薩三兄弟的《奇巧裝置之書》如此類似,或是出於致敬,也可能是一種自我期許,希望自己的貢獻能與他們並駕齊驅。事實上,加扎里的確對齒輪技術做出重大創新,例如凸輪軸曲軸便是他率先發明。凸輪軸和曲軸可以將輪軸與齒輪的圓形轉動,轉換為直線返復運動,這對齒輪系統是個重大突破;如果沒有這兩項發明,就不會有蒸汽機、現代引擎,以及各種動力機械。

從西元前兩百多年的古希臘開始,我們看到齒輪技術沿著兩條路線演進。一條是計時裝置與天文儀器這類的實用裝置,從水鐘、安提基瑟拉儀,到水力天文鐘。另一條則是娛樂性質的自動機器,像是自動門、機械玩偶。這兩條路線經過一千五百年,終於在加扎里的城堡天文鐘合而為一。

雖然蘇頌或張思訓所發明的水力天文鐘也有人偶報時,比加扎里更早結合這兩者,但就像中國其它許多發明,水運儀象台之後再也沒有類似的裝置,這項技藝就這麼曇花一現,未能影響後世。反觀西方,從希臘、羅馬、拜占庭到阿拉伯,總是不斷有人接棒,繼續將齒輪系統發揚光大。接下來這根棒子,將再次回到停滯近千年的歐洲。

加札里的大象時鐘。加札里不僅製造出許多仿真機器,也為齒輪工藝帶來重大突破。圖\wikipedia

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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