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前言 2020年12月10日是北宋杰出的天文学家、天文机械制造家---苏颂诞辰1000周年纪念。我们大来时间博物馆公众号本期就为大家科普一下世界上最早的天文钟---“水运仪象台”的知识。 古时候中国有一句话叫“观象授时”，指的是通过观测天象来确定时间。要想有准确的历法，必须精准的测定星象的位置和运动规律，人们才能根据官府颁布的历法指导日常生活和农业生产。比如我国一直使用到现在的“二十四节气”就是通过观测天象来确定的。那么古人是如何仰望星空的呢？  北京古观象台“观象授时”匾额 在以前的推文中曾经介绍过，位于我国山西省襄汾县陶寺遗址的古观象台就是目前已知的世界最早的测日影天文观测系统。到了北宋宋哲宗元祐年间，由宰相苏颂等人领导制造了以漏刻水力驱动的，集天文观测、天文演示和报时系统为一体的大型自动化天文仪器——水运仪象台。  水运仪象台复原图 “水运仪象台”到底是个什么东东呢？下面我就来为大家简单介绍一下。 壹 苏颂 提起苏颂，相信很多人都会感到陌生。一般提起北宋大家想到的都是范仲淹、司马光、苏轼等我们比较熟知的名臣。其实苏颂和这些北宋名人生活在同一时代，苏颂出身泉州府同安县(今厦门市同安区)望族，宋仁宗庆历二年(1042年)中进士，和主持北宋著名的“熙宁变法”，位列“唐宋八大家”之一的王安石是同榜进士(王安石也是庆历二年登进士第)。  苏颂(1020.12.10—1101.6.8)  北宋名臣王安石(1021.12.18—1086.5.21) 苏颂历任地方长官，两次出使辽国。累官至刑部尚书、吏部尚书。宋哲宗时拜相。宋徽宗即位后进太子太保，封赵郡公。建中靖国元年（1101年）逝世，获赠司空。后追封魏国公。宋理宗时追谥“正简”。  宋哲宗--赵煦(1085年--1100年在位) 苏颂对科学技术，特别是对我国古代天文学方面做出了突出贡献。他领导制造了世界上最古老的天文钟“水运仪象台”，开启近代钟表擒纵器的先河。被称为“中国古代和中世纪最伟大的博物学家和科学家之一”。 贰 “水运仪象台” 英国剑桥大学李约瑟博士(Joseph Terence Montgomery Needham)在其所著的《中国科学技术史》一书中提出，水运仪象台可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先。 书中这样写道：“苏颂把钟表机械和天文观察仪器结合以来，在原理上已经完全成功。他比罗伯特.胡克(Robert Hooke,1635.7.18－1703.3.3)先行了6个世纪。”瑞士钟表权威刊物《百达翡丽》也明确无误地承认：“中国宋朝人苏颂在1092年制造的'水运仪象台’，装置了全世界第一个擒纵器，欧洲运用这个原理发展钟表，是在中国这个擒纵器问世3个世纪以后的事情。”  李约瑟博士(1900.12.9—1995.3.24) 为西方科技界和钟表界认可的“水运仪象台”到底是那么特别之处呢？别急，听小编慢慢道来。 北宋元祐七年(1092年)，集浑仪、浑象和报时器为一体的高台式建筑完工。高约12米、宽约7米。因为利用水力自动运行，苏颂将其命名为“水运仪象台”。苏颂在其所著的《新仪象法要》一书中详细的记述了建造水运仪象台的原因和经过，还以图解的形式记述了总体构造和各个部件。该书是我国现存最早的水力运转天文仪器专著，书中的结构图是现存最古老的机械图纸，真实地反映出当时的天文学和机械制造技术水平。  《新仪象法要》记载的水运仪象台  《新仪象法要》记载的结构图 叁 解构“水运仪象台” 我们先从字面上来解释。 “水运仪象台”的“仪”指的是最上层设置用来观测天体运动的仪器--浑仪。浑仪上配有9块可活动的屋板，可在在雨雪天关闭，防止雨雪对浑仪的侵蚀。在观测时可以打开，可以说是现代天文台可开合球形台顶的鼻祖。  上海科技馆广场上的浑仪 “水运仪象台”的“象”指的是中层密室内放置的铜质浑象，用来演示天体运动。天球在机轮的带动下旋转，一昼夜转动一圈，直观的再现了星辰的起落等天象的变化。 水运仪象台按功能划分大致可以分为四个部分，接下来小编就来逐一为大家介绍各部分的功能。  浑象 甲 动力机构 水运仪象台依靠水力驱动，理论上只要水流源源不断，就可以一直运行。在底层中央部分设有一个直径3米左右的枢轮，枢轮有72条木辐，安装有36个水斗和勾状铁拨子。在枢轮东面配有一组两级漏壶，通过漏壶把水注入水斗，水满时，枢轮往下转动。  水运仪象台的动力机构--枢轮 枢轮顶部和边上各有一组杠杆装置--天衡，这两组杠杆装置和枢轮一起构成了相当于现代钟表中的擒纵器。因为有两组杠杆控制，每次只转动一个斗这样就使枢轮运转的速度保持均匀。简单来说就是整个系统依靠水的恒定流量，推动枢轮做均匀的间歇运动，带动仪器运转，所以命名为“水运仪象台”。 《新仪象法要》记载的“天衡”示意图 “枢轮擒纵器”工作原理 枢轮和天衡共同组成了世界上第一个擒纵器——“枢轮擒纵器”。 乙丙 报时机构 水运仪象台下层为司辰，用来自动报时。设有向南打开的大门，门内有五层木阁。 宝塔形五层木阁--司辰 第一层名为“正衙钟鼓楼”，负责全台的标准报时。时初，左门红衣木人摇铃;时正，右门紫衣木人扣钟;每过一刻，中门绿衣木人击鼓。 正衙钟鼓楼 第二层木阁，负责报告时初、时正。各有12个红衣、紫衣木人，对应古代的12个时辰，1个时辰大约相当于现代2个小时，每个时辰有分为时初、时正。木人执时辰牌依次写着子初、子正、丑初、丑正等。时初，红衣木人拿着时辰牌出现;时正，紫衣木人拿着时辰牌出现。 负责显示时初、时正的红衣紫衣木人 第三层木阁，负责报告时刻。配有96个绿衣木人，对应古代的96刻制。木人执刻数牌依次写着初刻、二刻、三刻等。每到一刻，绿衣木人持刻数牌出现。 负责报告时刻的绿衣木人 第四层木阁，负责夜晚报时。逢日落、黄昏、各更、破晓、日出时，击钲木人击钲报时。 负责夜晚报时的击钲木人 第五层木阁，也是负责夜晚报时。配有11个红衣木人和30个绿衣木人。逢日落、黄昏、各更、破晓、日出时，红衣木人持牌出现。各筹（点），绿衣木人持牌出现。起更、日落、黄昏、一至五更、日出、破晓、收更(共11个红衣木人)。每更五筹(共30个绿衣木人)。 负责夜晚报时的红衣绿衣木人 由于一年四季昼夜长短不一，所以这一层夜晚报时是可以调节的。冬至夜六十刻、夏至四十刻，冬至-夏至，每九天增加一刻，即日出/日落木人每九天，从起更向一更移动半刻；黄昏/破晓为日出/日落下两刻半，即黄昏破晓间，冬至五十五刻、夏至三十五刻，黄昏/破晓木人随日出/日落木人每九天向下移动半刻。 丙 浑象 “浑象，象天之器，以水激之，以水银转之，置於密室，与天行相符。”出自《梦溪笔谈》。 浑象的设计源自古人的浑天学说。古人认为天空就像蛋壳，天空中的繁星都嵌在蛋壳上，而我们脚下的大地就是蛋黄，在这样的学说指引下，制造出观测和演示天体运动的仪器--浑象。“水运仪象台”的铜质浑象设置在中层一间没有窗户的“密室”内。球面上绘制有太阳、月亮、二十八星宿等天体以及赤道和黄道，铜球依靠机轮带动，真实地再现了星辰的起落等天象的变化。 日本时间科学馆仪象堂复原的水运仪象台 内设置的浑象 丁 浑仪 “水运仪象台”的顶层为露天的平台，浑仪就设置在顶层，浑仪上面覆盖有遮蔽日晒雨淋的木板屋顶，为了便于观测，屋顶可以随意开闭(前文介绍过)，浑仪上的四游仪窥管用于观测天体，类似于现代的天文望远镜，只是没有配备镜头。 “水运仪象台”顶层的活动屋板是现代天文台可开合球形台顶的鼻祖 现代天文台可开合球形台顶 肆 “水运仪象台”的意义 “水运仪象台”可以说是集我国古代天文学和天文仪器技术之大成，把“浑仪、浑象、时钟”结合在一起，可以说是世界上最早的天文钟。在我国和世界科技史上占有重要的地位。其中顶部的活动屋板、四游仪窥管和擒纵控制枢轮的“天衡”系统，都是世界首创。反映出中国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。 水运仪象台全貌 伍 现代对“水运仪象台”的研究和复制工作 水运仪象台原件在靖康之祸(1127年)时，被金兵掠往燕京(今北京)置于司天台，由于路途遥远颠簸，机枢齿轮多有损坏，难以使用。金朝贞佑二年(1214年)为躲避蒙古南侵金朝举国南迁途中，因不便运输被丢弃。南宋朝廷曾多次想复原“水运仪象台”，无奈因无人理解《新仪象法要》 中的方法而无人能仿造。 “水运仪象台”内部复杂的机械传动结构 新中国成立后考古学家王振铎于1958年复原制作了水运仪象台模型，并发表了《揭开了中国“天文钟”的秘密》论文，论文中包含有复原详图。该复原模型先存于中国历史博物馆。 目前国内有多家科普场馆和博物馆都复原了不同比例大小的”水运仪象台“。其中以开封博物馆和厦门苏颂公园复原的1:1原尺寸“水运仪象台”最为壮观，且都可运行，有兴趣的童鞋可以去实地参观。 位于厦门苏颂公园的1:1原尺寸“水运仪象台” 日本精工时钟有限公司的技术专家--土屋荣夫耗时4年研究《新仪象法要》，于1997年在日本长野县下諏訪也成功复原了一座真实比例“水运仪象台”,作为精工旗下諏訪湖时间科学馆仪象堂(時の科学館儀象堂)的镇馆之宝。中华文化对东亚地区的影响力可见一斑！ 时间科学馆仪象堂内展示的“水运仪象台” 在研究和复原水运仪象台的过程中，精工时钟有限公司根据水运仪象台的驱动原理，开发了DECOR SEIKO“悠久”水运钟。我们大来时间博物馆也收藏有一台。 大来时间博物馆馆藏“水运钟” 花絮 半个多世纪以来，国内外的专家学者对水运仪象台进行过很多复原工作。由于《新仪象法要》所记载的关键部件“天衡”图中没有绘制出枢轮和枢轮上受水壶的详细结构，而文字描述仅有聊聊数语。因此对受水壶的结构以及工作原理学界一直有不同的推测。目前复原成功的水运仪象台枢轮擒纵机构大多采用英国学者提出的可倾式受水壶(“翻斗”)方案。近年来，中科院国家天文台对《新仪象法要》重新研究后，认为可倾式受水壶与《新仪象法要》中的描述并不符合。通过对北宋时期的天文仪器和机械装置的研究，提出了“不翻斗”的固定式受水壶方案,并成功复原了可运行的1:3水运仪象台模型。并在第28届国际天文学联合会大会展出期间，得到了国际天文学界的高度关注。 中科院国家天文台科普馆复原的1:3水运仪象台模型 今年是苏颂诞辰1000周年，我们大来时间博物馆的两位老师傅，经过对苏颂所著的《新仪象法要》的研究，不断摸索，也成功的复制出水运仪象台和核心部件---枢轮机构和天衡机构，可以完美的展示世界上最早的“擒纵器”工作原理。在不久的将来，各位感兴趣的朋友可以来我们博物馆现场参观。 大来时间博物馆复原的“枢轮擒纵器” 枢轮受水壶 起到擒纵叉作用的“天衡”机构 完 |
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