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北宋哲宗元祐年间，苏颂和韩公廉主持制造了水运仪象台。水运仪像台是一个大型天文仪器和计时装置的集成设备，于元祐七年（公元1092年）最终完工。  北宋水运仪象台 李约瑟认为，北宋发明的水运仪象台已经有了成熟的计时擒纵器，是世界上最早有文献记载的计时擒纵器。计时擒纵器是后代欧洲机械钟表的核心装置之一，没有计时擒纵器，就没有现代机械钟表。 欧洲最早的机械钟，是一个重锤塔钟，由意大利人Giovanni de Dondi（丹蒂）于公元1364年左右在Pavie建造，只有时针，日差在15分钟以上。  重锤塔钟内部构造 丹蒂制造的重锤塔钟已经有了擒纵器，动力来自重锤的地心引力，不再是水力。 北宋水运仪象台的擒纵器，是欧洲中世纪重锤塔钟的直接祖先吗？ 答案：可能性不大。 重锤塔钟的擒纵器很可能是欧洲人独立发明的，受到了阿拉伯人加扎里（1136-1206）著作《精巧机械装置的知识》的影响。 1、苏颂苏颂，字子容，福建路泉州南安人。 苏颂是庆历二年进士，同榜进士也是大名鼎鼎。庆历二年状元是杨寘，榜眼是王珪，探花是韩绛，第四名是王安石。  苏颂 考中进士后，苏颂长期在馆阁工作，校订整理各种古籍，包括医书和天文类的著作。这段经历，给苏颂的科技知识打下了扎实的基础。 苏颂为人谨慎，做事细致。 熙宁三年（1070年），苏颂权同知贡举，拒绝草诏新党李定为监察御史里行，被神宗撤职。 后来，苏颂出知各地州府。他虽然没有直接表明对新法的态度，但在地方上是能够执行新法的。 元丰四年（1081年），宋神宗召回苏颂，让他参与了元丰官制改革。 针对提举常平司（负责青苗法）条块分割的问题，苏颂在《奏乞将常平仓等公事付逐路转运司其提举官改差充本司勾当公事》中，提出将提举常平司归各路转运使管辖，“以常平广惠仓、农田水利、差役利害等事一切付之诸路监司”。 对待青苗法的态度，一度成为宋神宗检验大臣是否支持变法的金标准。 苏颂不但不反对青苗法，还提出了一些自己的改进方案。这一切都说明，苏颂是一个比较谨慎的中间派。 元祐旧党在执政期间遇到了一系列的挫折，特别是元祐五年的大旱，超过了熙宁七年王安石执政时的大旱。 吕大防当上首相后，致力于调停旧党和新党，准备两派杂用之。 苏颂是个中间派，有资历、有能力、有政绩，最终在元祐七年六月当上了右仆射，成为次相。 元祐七年，宋哲宗在五月纳皇后孟氏。  宋哲宗 同年，苏颂主持的水运仪象台大功告成。宋哲宗一定对此印象深刻。 苏颂早在元祐五年三月就当上了尚书左丞，进入执政行列。当时宋哲宗只有十二三岁，大臣们上奏，都直接对着垂帘听政的高太后讲，不太理睬哲宗。 只有苏颂非常严谨，凡有事要上奏，在奏报太后之后，必定再按相同的方式奏报哲宗，以示尊重。哲宗偶尔说几句话，苏颂必定当圣旨一样禀告其他诸大臣。 等到宋哲宗亲政之后，哲宗恨恨地说那些不太尊重他的大臣：在宣仁太后垂帘听政时，朕只看到你们的臀背（只看到屁股和后背，没看到你们的脸）。 哲宗将元祐旧臣全部贬职，唯独留下了苏颂。 御史周秩想弹劾苏颂，宋哲宗说：“苏颂素明君臣之义，不要轻率议论他”。 绍圣四年（1097年），苏颂请求退休，宋哲宗批准他以太子少师致仕。 2、韩公廉如果说苏颂是水运仪象台的总主持人，那韩公廉就是总设计师。 元祐元年（1086年），韩公廉在吏部当一个小官，苏颂是吏部尚书，是韩公廉的顶头上司。苏颂奉命检验太史局的浑仪，朝廷最终决定制造新天文仪。 苏颂知道韩公廉精通《九章算术》和天文学，就把张衡、梁令瓒、张思训等人的天文仪法式资料给了韩公廉，让他研究。 韩公廉不负众望，写了《九章勾股测验浑天书》，并造成水运仪象台小木样一座。 苏颂看过之后，认为水运轮的设计独特。 元祐二年（1087年），韩公廉正式成为水运仪象台制度官，负责具体的设计制造。 元祐三年，韩公廉等人完成供验造用的大木样，与后来的铜质仪象尺寸一致。 水运仪象台大木样，成功得到验证。然后，开始制造铜质仪象 元祐七年（1092年）水运仪象台最终完成，被命名为元祐浑天仪象。 3、水运仪象台水运仪象台高约12米，宽约7米，外形是正方台形的木屋建筑。其中浑仪、浑象等为铜制。全台共分三层。下层是动力机构和报时装置。中层是间密室，放置浑象。上层是个顶板可以装卸的板屋，放置浑仪。 浑象一昼夜自转一圈，演示了天象的变化，是现代天文台转仪钟的祖先。 水运仪象台的动力系统是一个直径3米多的枢轮。枢轮上有72条木辐，有36个水斗和勾状铁拨子。枢轮顶部有一组杠杆装置，相当于钟表中的擒纵器。在枢轮东面装有一组两级漏壶。壶水注入水斗，斗满时，枢轮即往下转动。由于擒纵器的控制，枢轮一次只能转过一个斗。把匀速运动变为等间歇运动。枢轮下有退水壶，斗的水又陆续回到退水壶里。 另用一套打水装置，由打水人转动水车，把水返回到上面的一个受水槽中，再由槽中流入下面的漏壶中去。水可以循环使用。  水运仪象台枢轮和擒纵器 靖康之难（1127年）时，金兵将水运仪象台掠往燕京（北京），放置在金国司天台。因路途颠簸损坏，水运仪象台在金国运行不畅。 金朝贞佑二年（1214年），面临蒙古威胁，金国放弃大都，将水运仪象台毁坏丢弃。 南宋时，苏颂的后代苏携保存了手稿《新仪象法要》，但无人能够仿造出来。 元朝建立之后，也没有仿造出水运仪象台。 4、亚历山大科技学派亚历山大科技学派，分前期和后期。前期代表是古希腊的欧几里得、阿基米德等人，后期代表是古罗马的托勒密、特西比乌斯等人（大多居住在埃及的亚历山大港）。 1901年，在希腊安提凯希拉岛附近一艘古代沉船上，发现一个2000年前古希腊的仪器。考古学家将其命名为安提凯希拉仪，现保存在希腊国家考古博物馆。安提凯希拉仪由29个铜质齿轮和多个刻度盘构成。  安提凯希拉仪 研究人员发现这个仪器是一个天文日历仪，可以显示4年周期中的每一天，可用于奥林匹克竞赛的倒计时。 安提凯希拉仪只能精确到一天，没有自主动力系统，必须人工转动手柄来指示日期，所以不能算是一个机械钟。 特西比乌斯（Ctesibius）是著名的发明家。特西比乌斯受到阿基米德的影响，主要生活在埃及的亚历山大。 特西比乌斯改进了古埃及的漏壶，水滴以稳定速度滴入圆筒容器，使带指针的浮子升起，不断标出指针在圆筒上的位置，通过这种方式指示时间。 5、加扎里公元415年，亚历山大学派的女数学家希帕提娅被基督教徒杀害，标志着亚历山大学派衰亡。 欧洲逐渐进入晦暗的中世纪。 后来阿拉伯人继承了部分古希腊古罗马的文化。 阿拉伯最著名的发明家是艾尔·加扎里（约公元1136-1206年），他继承并发展了特西比乌斯的许多发明。 当时正是萨拉丁和十字军大战时期。加扎里服务于一个名叫阿尔图克的塞尔柱突厥人小朝廷。 加扎里最有名的发明是大象水钟。  大象水钟 加扎里设计的水钟按水力驱动方式可以分两类，第一种以量筒内浮标的沉浮来牵动表盘的运动，第二种则用一个小斗来盛注入的水流，水满后小斗倾覆，推动棘轮转动。 现在阿拉伯国家复原了加扎里的大象水钟。大象身体里的一个水桶中。水桶里漂浮一只碗，碗底有一小洞，通过小洞进水碗慢慢下沉，半小时后碗刚好沉到水桶底部。在这一下沉过程中，碗下拉一根大象背上的弦，弦带动珠子从鹰嘴落至龙嘴中，龙向前倾，又通过弦把沉在水底的碗拉上来，循环往复。 加扎里喜欢在发明中用绳索和浮子。 6、重锤塔钟公元1364，意大利人丹蒂发明重锤塔钟。 阿拉伯的水钟有一些缺点，一个是水会导致腐蚀木制或金属器件，另外水钟的体积比较庞大。 随着十字军东征的结束，还有意大利城邦出现文艺复兴，大量阿拉伯文化传入欧洲。 意大利的工匠获得了加扎里的著作《精巧机械装置的知识》。 重锤塔钟的动力，是绳索悬挂的一个重锤，很明显有加扎里用绳索传递动力的影子。而苏颂的水运仪象台是通过杠杆和齿轮来传递动力的。 重锤塔钟已经有了擒纵器，也是从加扎里的棘轮改进得来的。 公元1500年，德国工匠的亨莱思首先用钢发条代替重锤。 公元1582年，意大利的伽利略发明了重力单摆。 公元1657年，荷兰的狄更斯用重力单摆发明了摆钟。 公元1660年，英国的胡克发明游丝，并用后退式擒纵机构代替了冕状轮擒纵机构。 7、十字军东征后，欧洲吸收了大量阿拉伯文化十字军东征前，欧洲的科技水平明显落后于阿拉伯世界。200年的战争，使欧洲吸收了大量阿拉伯的科技文化。  十字军 加扎里水钟，就是其中一个例子。 仅仅用了100多年的时间，欧洲人就消化吸收了阿拉伯的科技，并进行了创新。 欧洲和阿拉伯世界是直接相邻，可以通过拜占庭到阿拉伯，或者通过地中海到阿拉伯。西班牙仍然在阿拉伯人的统治之下。 双方战争和贸易往来频繁，欧洲人有大量精通阿拉伯语的翻译人员，可以很方便地把阿拉伯语著作翻译成拉丁语。 8、元朝东西方文化交流及弱点元朝的忽必烈，从伊尔汗国那里获得了大量回回天文学家，将他们安置在上都的司天台。 至元八年（1271年），上都设立回回司天监，波斯天文学家扎马鲁丁提举，负责颁布回历。  扎马鲁丁 元朝采用双司天监，大都设立汉儿司天监，由紫金山学派的张文谦和郭守敬等人负责。 元朝统治者对科技是采用实用主义原则，有用即可，并没有积极推进科技进步的想法。 南北两个司天监缺乏交流和沟通，甚至存在严重的竞争。 双方语言不通，北司天监回回天文学家都是家族传承，通用阿拉伯语或波斯语。 北司天监的汉人天文学家也心高气傲，没有人学阿拉伯语或波斯语。 波斯天文学家扎马鲁丁，已经带来了欧几里德的《几何原本》和托勒密的《天文学大全》。但没有人想翻译成汉语。 回回天文学家也没有把《九章算术》翻译成阿拉伯语。 回回天文学家采用球面三角函数进行计算。当时的三角函数表比较粗糙，一直到哥白尼的学生时代才计算出比较精细的三角函数表。 元朝汉人天文学家仍然采用原始的勾股定理和沈括的会圆术进行计算，没有人想去学球面三角。 另外，元朝与欧洲路途遥远，语言不通。意大利的马可·波罗（Marco Polo，1254年9月15日—1324年1月8日）算是极为少有的沟通东西方的人物。 1295年，马可·波罗才返回欧洲。 公元1364，意大利人丹蒂发明重锤塔钟。两者时间太近，意大利人丹蒂参考的水钟不会是苏颂或郭守敬发明的水钟。 所以，欧洲最早的机械钟重锤塔钟是从加扎里水钟改进发明出来的。 参考文献陈巍，加扎里：伊斯兰黄金时代的发明极客，科技日报，2018年05月11日 王娴，评加扎里《精巧机械装置的知识》，自然科学史研究，2007.4:563-569 苏颂，苏魏公文集 元史 宋史 |
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