《大宋水運儀象台——千年天文台的復活之旅》

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文/王麟

歲月流逝，光影流轉，春華秋實，四季更迭。時間之手冠碩古今，推動歷史的車輪滾滾向前。我國古人為了精確地掌控時間，編製曆法，發明了渾天儀、圭表、漏刻等儀器設備，準確觀測日月星辰，為天文學創立、發展作出了輝煌的貢獻。數千年時光匆匆而過，技術的勃興從過去走到了現在。隨著現代機械和電子技術的興起，讓精確計時成為可能，機械鐘錶如今隨處可見，電子時鐘也得到廣泛應用。而在前端的科研領域，科學家們甚至能將時間控制到飛秒級。科技的進步與先進觀測儀器的層出不窮，也讓天文學迅猛發展，人類的視野已經穿越億萬光年，來到了宇宙創世之初。

在我國古代，觀測星辰、洞察天象、精準計時、制定曆法等工作，是由皇帝欽定的司天監等高級官員承擔的，諸如東漢張衡、唐代僧一行、北宋沈括、元代郭守敬和明代徐光啟等許多人物，都為此做出了豐功偉績。

古人觀測天文用渾儀，演示天象用渾象，精準計時報時用圭表漏刻。在很長的時間裡，這三種儀器是獨立分開使用的。到了北宋元祐八年（1092年），時任右宰相的蘇頌帶領他的研發團隊，成功製造完成「水運儀象台」，將渾儀、渾象和計時報時裝置組合在一起，通過水力進行驅動，使三種儀器協同運轉。這是一座代表中國古代最高技術發展水平的天文觀測及計時儀器，也是一個古代天文台，在世界上創造了史無前例的奇蹟。「水運儀象台」運轉了34年，到了1127年，由於北宋滅亡，慘被劫往北國，最終毀壞殆盡。而這台精密儀器的英姿，僅在蘇頌所著的《新儀象法要》中流傳至今。

斗轉星移，千餘年轉瞬逝去，曾經代表著古代中國最高技術水平的水運儀象台還能重見天日嗎？這裡所說的「重見天日」，不僅僅是按照古籍所載文字圖表恢復其外形，更重要的是，要按照當年的技術手段，讓該儀器完全通過水力進行運轉，這才算真正獲得重生。

【復原水運儀技術的開拓者】

在科技史的研究領域，對「水運儀象台」的研究是一項頗具國際影響力的科研課題。因為這台水力天文機械被公認為是中國古代技術達到巔峰時代的標誌，在機械工程、天文歷算、冶金鑄造、建築工藝等領域均達到了很高的成就。而對水運儀的研究與復原工作，開始於1950年代初，兩位最早的開拓者，分別是清華大學劉仙洲教授和中國科學院外籍院士、英國劍橋大學李約瑟博士。

著名的機械學家、兩院院士劉仙洲教授從1953年開始連續發表兩篇論文，闡述了水運儀在原動力和機械傳動方面的工作原理，而李約瑟博士則與澳大利亞國立大學歷史教授王鈴、美國科學家普賴斯一起，開展了對水運儀的研究，並在《自然》雜誌發表系列研究成果，隨後嘗試對該儀器的關鍵部件進行復原。

1958年，中國科學院竺可楨副院長訪問英國，得知了李約瑟博士復原水運儀的消息，回國之後立刻與國家文物局科學史研究專家王振鐸先生聯繫，開始立項進行水運儀的復原工作。王振鐸教授經過獨立研發，終於在1950年代末將水運儀象台按照1:5比例復原完畢，並在歷史博物館展出。遺憾的是，這台儀器並不能像《新儀象法要》記載的那樣順利運轉。即使如此，該成果對於我國研究水運儀也是不小的貢獻。

接續李約瑟博士復原水運儀的是他的助手喬治·康布里奇，這位英國專家在1960年代中期，於王振鐸先生之後，完成了第二台水運儀象台模型的復原工作，並將成果陳列於英國南肯辛頓科學博物館。不過康布里奇的研究誤入了歧途，依舊未解決該儀器核心部件「擒縱機構」的運轉問題。

【水運儀象台研究後繼有人】

由於水運儀象台魅力無窮，對其復原者前赴後繼。到了1988年，管成學先生倡議舉辦「蘇頌研製水運儀象台900周年國際學術研討會」，由陳曉、陳延杭複製完成第三台水運儀象台，在蘇頌的故鄉福建省同安縣的蘇頌科技館進行陳列。1993年和1997年，台灣的台中科學博物院和日本長野鐘錶博物館分別完成了1:1比例的水運儀象台模型。但是由於沒有弄明白水運儀象台的運行原理，這兩台機械需要藉助電力等輔助手段才能正常運行。

從2000年開始，由清華大學、北京航空航天大學、同濟大學和西北農林科技大學聯合成立課題組，繼續對水運儀象台進行技術攻關，在此期間，中國科學院自然科學史研究所孫小淳教授和中國科學技術大學李志超教授都對復原做出了開創性貢獻。李志超教授在他的著作《水運儀象志——中國古代天文鐘的歷史》中，對水運儀象台的運行原理及關鍵構件進行了研究和闡述，提出了很多有價值的真知灼見，為後續的研究奠定了基礎。

2012年8月，世界天文學聯合會大會第28屆會議在北京召開，中國科學院國家天文台和清華大學負責研製的水運儀象台模型在展廳陳列。2015年，由蘇州某科教設備公司製造的1:1比例水運儀象台在江蘇太倉建成。

然而上述完成的水運儀象台模型，還沒有一台能夠完全靠水力自主運行。而讓水運儀通過水力，而不是電力和人力操縱自動運轉，才是成功的關鍵所在，而這也是困擾科學家們多年的技術難題。

【復原水運儀象台難在何處？】

那麼，水運儀象台到底難在何處，採用了何種技術，讓它如此迷人呢？實際上，如果我們了解了水運儀象台的工作原理，就會被其集機械、冶金、天文歷算、工藝製造為一體的天才設計所折服，我們就不得不嘆服蘇頌手下負責研製這台儀器的吏部令史韓公廉。

按照蘇頌的《新儀象法要》記載，水運儀象台高約12米，底邊長9米，功能區主要分為三大部分，最頂端是渾天儀，安裝在窗戶可開閉房間內，主要用來觀測天文現象；中間一層的平台安裝渾象儀，用於演示每天的星辰運行變化；最下層是該儀器的核心部分，結構最為複雜，包括水力驅動系統和負責計時報時的樞輪控制系統。而樞輪控制系統如何準確復原，則難倒了中外無數專家學者。

水運儀象台技術含量最高的部分就是其機械驅動構件，按照清華大學科技史暨古文獻研究所汪亞丁和高宣先生的研究成果，該機械構件可分為相互關聯的四大系統，分別是動力、傳動、執行和輔助控制系統。其中動力系統主要由樞輪、上水裝置和滴漏裝置組成，而樞輪是驅動整台儀器運轉的發動機。水運儀象台就是通過水力驅動樞輪，進而通過一套精巧的齒輪傳動系統，帶動渾儀、渾象和計時報時系統運轉，並與晝夜時間變化保持同步。

這套儀器極難復原的部分就是樞輪控制系統，包括控制樞輪轉動時間間隔的秤漏子系統，還有控制樞輪正向轉動的聯動開關子系統。這套複雜裝置既能讓樞輪轉動，也能讓樞輪停止，完全按照設計者本人的意志來劃定時間段運轉，因此該裝置還有一個形象的名字叫「擒縱系統」。

其中「秤漏子系統」包含受水壺和槓桿樞衡裝置。樞衡裝置一頭掛秤砣（樞權），一頭設置格叉，格叉用來托舉樞輪的水壺，秤砣用來保持平衡，一旦樞輪的水壺盛水的重量達到臨界點，水壺自重就會下壓格叉，樞輪旋轉，咔噠一聲，一個時間間隔完成。而聯動子系統是包括關舌、天衡、天條和左右天鎖等設備的一套槓桿系統，與秤漏子系統聯動，控制樞輪，協助完成精密的時間間隔劃分。

水運儀象台的擒縱系統與機械鐘錶採用的擒縱系統功能相似，但是結構原理則有很大差別，而李約瑟博士和康布里奇等人認為，水運儀象台的擒縱裝置是歐洲鐘錶的祖先，實際上這個結論是很不嚴謹的。針對這個結論，李志超先生給予了非常詳細的反駁和辨析，並且肯定了蘇頌和韓公廉發明的這套控制系統是獨一無二的創造。

由於蘇頌在《新儀象法要》中對水運儀象台的關鍵部件及運行原理的記載語焉不詳，這就為後人復原水運儀象台造成了巨大阻力，併產生了認識上的分歧，以至於多年無法復原成功。

令人興奮的是，天津古天文儀器修復專家羅寶琪先生總結了前人的經驗，另闢蹊徑，打破思維定式，依靠深厚的知識積累和高超的工業製造技能，耗時四年，終於窺破了水運儀象台隱藏千年的秘密，將水運儀按照古籍記載成功復原。

【羅寶琪先生對復原水運儀的貢獻】

羅寶琪先生祖籍天津，在鑄造、雕塑和工藝製造領域均取得了很高的成就，目前是國家天文台特聘副研究員、中國國家級技術能手、高級技師，同時還兼任天津市天文學會理事、中國文物修復委員會和中國文物保護委員會會員等職。

早在1990年代初，羅先生便開始著手研究復原中國的古天文儀器，他最著名的作品，當屬修復北京古觀象台陳列的八架清代天文儀器，這是國家一級文物孤品。同時為北京古觀象台複製明代天文儀器，這些成績均得到了國家天文台的高度認可。

2012年8月18日，北京召開世界天文學大會，當時國家天文台和清華大學聯合研製的水運儀象台模型陳列展出，但是核心問題尚未解決，運行不盡人意。羅寶琪先生主動請纓，在國家天文台郝晉新台長以及水運儀科學復原小組的領導下，啟動了水運儀第二階段的復原工作。

要想準確復原這台儀器，首先要閱讀大量的文獻資料，羅先生獨闢蹊徑，採用了「試驗考古」的方法，廣泛收集資料，將當代學者的大量著述和古代的相關工程技術文獻全部仔細研讀，尋找突破口。通過對《新儀象法要》逐字逐句地分析，最終推演出水運儀象台運行部件之間的邏輯關係，考量了每一個部件的功能，設計了運行邏輯圖和控制系統的各部件動作時程關係圖，感悟出了古人在當時的技術條件下「巧拙互補、以簡制繁、天法自然」的設計理念。

阿里巴巴寶藏的大門，由此徐徐開啟。

經過5個月的努力，到了2012年春節，羅先生的腦海中已經構架完成一台運行穩定的水運儀象台模型，他通過反覆的設想和不斷地反證，將構思不斷打磨，最終完成了一套完整的水運儀象台動態運行系統和製造圖紙。通過又一年的艱苦攻關，過了2013年春節，水運儀象台的核心動力和控制系統便進入了實物研製階段，經過四個月的辛苦付出，擒縱系統順利完成。

2014年8月4日，國家天文台和中國科學院自然史研究所組織6位天文領域的專家，對水運儀的擒縱系統研發成果進行了鑒定，結論是「該樞輪於2014年4月27日實驗基本成功，專家組此次考察對該樞輪給予了評價和肯定，同時提出了初步的建議以及今後1:1水運儀樞輪部分如何落實的討論稿。」至此，對該技術難題攻克終於取得了勝利。

漫長的四年跋涉終於抵達勝利的終點。到了2016年8月底，一台1:5比例的完全通過水力運轉的水運儀象台模型製造完成。2016年10月12日，由中國科學院國家天文台組織的水運儀象台的鑒定工作在北京召開，與會專家給予了這台儀器極高的評價。

當我們站在這台高約2.5米的水運儀象台面前之時，心中真的被震撼到了。這台按照1:5比例復原完成的模型，其精美和精巧程度會讓每一個初次相見的人都讚嘆不已。整台儀器的外殼完全是木製品，並做成通透形狀，可讓參觀者對整台機械的運行情況一目了然。儀器的核心部件就是水力驅動系統和負責計時報時的樞輪控制系統。

按照羅先生介紹，樞輪的外輪緣上面安裝了36個固定受水壺，通過擒縱系統控制樞輪的轉動，每隔25秒便向下轉動一格，那麼樞輪轉動一周便是15分鐘。也就是說，在一千多年前的北宋時代，那些能工巧匠已經將時間的最小間隔縮短到了25秒，這是一項了不起的成就。水運儀象台通過精密的齒輪和連桿系統，在樞輪每轉過15分鐘的時候，便自動敲鼓報時；每當轉過一個小時，就會自動敲鐘報時；每過兩個小時（古代的一個時辰），就會搖鈴報時。

樞輪和擒縱裝置是水運儀象台的動力及控制系統，重要性自是不言而喻，但是渾儀、渾象和自動計時報時系統設計之複雜也讓人嘆服。請看，整個計時報時系統與渾象、渾儀位於一條主軸上，這根軸稱之為「天軸」。從上到下，安裝了八重帶齒輪的機輪，都被五層木閣遮擋，每一層木閣都有門，方便報時的小木人出入。

第一重機輪叫「天輪」，位於渾象儀的下面，與並與渾象儀的赤道牙相嚙合，可以驅動渾象運轉；第二重機輪叫「晝時鐘鼓輪」；第三重機輪叫「時刻鐘鼓輪」；第四重機輪叫「時初正司辰輪」，圍繞這個機輪一周安裝有24個小木人，相當於一晝夜分為12個時辰，每個時辰分配兩個木人，分別在時辰開始和時辰正中出來報時；第五重機輪叫「報刻司辰輪」，在機輪四周除了24個司辰木人之外，還增加了72個司刻木人，每過一刻鐘，就有一個小木人出來報時一次；第六重機輪叫「夜漏金鉦輪」；第七重機輪叫「夜漏更籌司辰輪」；最下面也是第八重機輪叫「夜漏箭輪」。第六、七重機輪主要是為了夜間打更之用，第八重機輪是兩個夜漏打更機輪的驅動輪。以上計時報時的裝置統稱為「晝夜機輪」。

水運儀象台動力機構樞輪的旁邊，就是上水機輪，可以通過人工旋轉水車，將水送到儲水的天池之中，並根據水流的速度控制上水量。

這台精美的儀器除了考慮耐久性和長途運輸的顛簸，核心部件採用鋁合金材料之外，其餘均採用木質結構。所有的結構部件與蘇頌的《新儀象法要》所記載的內容完全吻合，零件一個不多，也一個不少。最關鍵一點，這是一台完全依靠水力自主運行的天文鐘，曾經無故障運行長達33天，每天24小時（12時辰）誤差也與文獻記載相同，報時系統中的鼓、鈴報時誤差為正負1分鐘，與古籍記載的絲毫不差。

水運儀象台，這座穿越千年的天文台，經過了中外無數專家半個世紀的嘔心瀝血，終於百分之百地完成復原任務，這是對中國古代天文學先驅的一次致敬，也是中國天文學史領域取得的重大進步。

當我們親眼目睹這座古老儀器出現在自己面前，聆聽著水流滴落漏壺的聲音，聆聽著樞輪運轉發出的咔噠聲，聆聽著水運儀發出的晨鐘暮鼓之聲，千年的歲月彷彿觸手可及，古老的科技重新煥發了勃勃生機。

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