中國科學技術館之水運儀象臺

◎文圖 中國科學技術館 常 雪

在中國科技館一層“華夏之光”展廳，有一件木制展項造型古樸、氣勢宏大，端坐在展廳，迎接著來往的觀眾。它頂端像小房子，中間像地球儀，下層還裝有100多個木制人偶。它究竟是什么儀器？又有什么作用？讓“華夏之光”告訴你答案。

這臺儀器，叫做水運儀象臺。它建于北宋元祐年間，由北宋著名天文學家、機械制造家蘇頌總管，由通曉天文和機械技術的官員韓公廉等人負責設計，并帶領能工巧匠于公元1092年建成，距今已有900余年。它集計時、報時、天文觀測和星象顯示多種功能于一體。據(jù)記載，它的總高度將近12米，臺底7米見方，堪稱當時世界上最先進、技術綜合程度最高的大型機械裝置。由于它內(nèi)部采用的“天衡”系統(tǒng)，起到了類似錨狀擒縱器的作用，因此，著名科技史專家李約瑟認為，水運儀象臺“可能是歐洲中世紀天文鐘的直接祖先”。

水運儀象臺的結(jié)構(gòu)分為三層：頂層為渾儀，用于觀測星空，上方的屋形面板既可以在平日遮風擋雨，又可在觀測時揭開，作用與現(xiàn)代天文臺的活動穹頂類似；中層為渾象，與星空保持同步運轉(zhuǎn)，用來顯示星空；底層為動力裝置及計時、報時機構(gòu)，通過齒輪傳動系統(tǒng)與渾儀、渾象相連，使每層結(jié)構(gòu)環(huán)環(huán)相扣，并與天體同步運行。

水運儀象臺正面的底層為塔形報時裝置，最上一層有3個木人，中間著綠衣者每到一刻擊鼓一聲，右側(cè)穿紅衣者每到時初搖鈴一次，左側(cè)紫衣木人每到時正叩鐘一下；第二層有24個司辰木人，手拿時辰牌，每逢時初、時正，按時在木閣門前出現(xiàn)；第三層共有96個司辰木人，用以報時刻；最下兩層為夜間值更者，舉牌顯示更點，并敲擊金鉦告訴人們某個更點已至。整個報時裝置巧妙地安裝了160多個小木人和鐘、鼓、鈴、鉦四種樂器，不僅可以顯示時、刻，還能報昏、旦時刻和夜晚的更點。

水運儀象臺并非簡單地使用溪流等外界水源，而是通過精巧的機械設計，使水依次流進天池與平水壺中，對水流量進行限制，這樣可以使平水壺中水面保持恒定，從而克服了自然水源水流不穩(wěn)定的弊端。最終，由平水壺中流出的水進入機械傳動裝置，驅(qū)動水排進行高精度的回轉(zhuǎn)運動，藉以計時。

蘇頌留下了“水運儀象臺設計說明書”—《新儀象法要》，它記述了水運儀象臺的工作原理，總體及各部分的構(gòu)造與尺寸，還收錄了大量的星圖。值得一提的是，書中的結(jié)構(gòu)圖采用了透視與示意的畫法，并標注名稱來描繪機件，是我國現(xiàn)存最古老的機械圖紙。而書中對其機械結(jié)構(gòu)的詳細記錄，也為現(xiàn)代人復原水運儀象臺提供了最可靠的信息。

水運儀象臺集多項古代中國的“專利技術”于一身：可活動的屋頂是現(xiàn)代天文臺活動圓頂?shù)那吧?；?qū)動渾儀渾象使其與星空同步運轉(zhuǎn)的裝置也與現(xiàn)代天文臺的跟蹤器械—轉(zhuǎn)儀鐘有著類似的作用；“天衡”系統(tǒng)則可能是現(xiàn)代鐘表中的“錨狀擒縱器”的直接祖先；《新儀象法要》是近代機械制圖的鼻祖。

如此之多的技術創(chuàng)新體現(xiàn)了中國古代勞動人民的勤勞智慧和創(chuàng)造精神；同時，今天的科技工作者經(jīng)過對歷代文獻的不斷研究、考證，才使水運儀象臺重見天日。因此，水運儀象臺不僅反映了中國古代與現(xiàn)代人民的聰明才智，還對后世的天文觀測、計時技術、制圖技術都有很大程度的促進，也將激勵、鼓舞我們將華夏文明發(fā)揚光大。