从被中香炉到陀螺仪

王洪鹏

现代的飞机、导弹和轮船不论怎样在空中或者海上急速运动，都不会迷失方向，这是由于安装了陀螺仪的缘故。陀螺仪在航天、航空、航海事业中，扮演了不可或缺的角色。陀螺仪由陀螺和万向支架两部分组成。万向支架是中国古人的杰出创造，说起万向支架就不得不提到设计精巧的被中香炉了。

古代中国人经常焚香除臭、熏烟驱虫，这一习惯源自西周时期。他们把香草放在一个特制的容器中燃烧，这种容器通常被称为“被中香炉”，也称为“卧褥炉”、“木火通”、“香球”、“灯球”等。被中香炉是古代能工巧匠运用重心及平衡等物理学知识创制的，其设计精巧，即使把它放到被子里也不会倾覆熄灭，因此它同时具有熏衣物和取暖两种用途。

历史中的被中香炉

被中香炉的记载最早见于《西京杂记》。根据《西京杂记》记载：“长安巧工丁缓者……又作卧褥香炉，一名被中香炉，本出房风，其法后绝，至缓始更为之。为机环转运四周，而炉体常平，可置之被褥，故以为名。”这段话是说，汉武帝时，京城长安有位叫丁缓(公元前140～前80)的能工巧匠，他制成了当时已经失传的被中香炉。在香炉中贮存着香料，点燃以后，放在被褥之中，随意滚动，香炉可以始终保持水平状态，不会倾翻，因此称为被中香炉。

《西京杂记》中提到的丁缓，史籍记载不详，可能他就是汉代宫廷中的一个巧匠。按照中国传统，对于这种具有所谓的“奇技淫巧”之人是不予立传的。究其原因或许是和“万般皆下贫、唯有读书高”等传统思想有关，对具有“奇技淫巧”的工匠不予重视。

丁缓所造的“被中香炉”，其力学特性是“为机环转运四周，而炉体常平”，只有万向支架才能达到此种效果。其“机环”，就是该支架的轴心线互相垂直的各层金属环，内环轴上悬挂盂形容器，以方便放置引燃生烟的香草。根据《西京杂记》的记载，丁缓还不是被中香炉最早的发明人，只是将失传的事物再行创造出来。换句话说，被中香炉的发明还要早于丁缓生活的年代。

汉代司马相如的《美人赋》一诗可以作为西汉时代已经发明被中香炉的证明。《美人赋》中有“金姬熏香，黼帐低垂”的句子。据宋代学者章樵注解，“姬音匝，香球，衽席间可旋转者”，可见，古字“姬”为被中香炉的专用字。

这种巧妙的被中香炉到底有没有呢?是不是《西京杂记》和《美人赋》的作者故弄玄虚、夸大其词呢?这一谜团直到1963年才解开。考古工作者在西安的唐代遗址中出土了四件镂空银香炉。考古专家研究了它的构造，确实像《西京杂记》中说的一样。

“常平”的巧思构造

从古代的文字记载以及考古得到的实物，我们知道被中香炉就是中国古代用于点燃香料的球形小炉。外壳由两个半球合成，壳上镂刻着精美的花纹，花纹间有空隙，借以散发香气。被中香炉的构造关键在于它的外层无论怎样旋转，内层的炉子“常平”。于是，在外壳沿上下、左右、前后三个方向旋转时，内层炉子由于自重能够保持在空间的上下方向上不变，所以一般来说，内层与外层之间有三个自由度。其实在熏被褥时，外层在被褥之间随便怎样转动，只要求内层炉子保持水平，而炉身绕垂线转动并不影响使用，这就是有的炉子只有两层环的原因。也就是说，作为被中香炉来说，内层与外层之间有两个自由度也是可以的。所以，被中香炉的实物有两层的也有三层的。

把一个物体固定在基座上，无论基座怎样旋转，要求物体的方向不会变动，这就是被中香炉的本质所在。这种基座结构随着科学技术的发展有很多重要的应用，称为万向支架，也称常平支架。

在欧洲，1500年意大利科学家达·芬奇提出类似设计。意大利学者卡丹(1501-1576)最早给出了万向支架的设计。所以西方人把万向支架叫做“卡丹吊环”、“卡丹环”，但是卡丹本人并没有宣称自己发明了它。

正当被中香炉袅袅的氤氲为中国达官贵人营造着仙境般氛围的时候，在遥远的西方，人们已经开始研究万向支架的其他应用了。1629年，焦瓦尼·布兰卡在罗马以拉丁文出版了《机械》一书，最早提到了万向支架的应用。在这本书里，焦瓦尼·布兰卡提出利用常平支架来减轻车辆在颠簸不平的道路上的震动，以便运送病人。特别值得提出的是，宋代的沈括在《梦溪笔谈》中记述了唐高宗时制造的一种旅行用车，称为“大驾玉辂”。这车经久耐用，到沈括时代还基本完好。科技史学家李约瑟在叙述到这种车时，不仅将它与卡丹吊环相比较，而且认为，沈括所记述的这种车可能就是焦瓦尼·布兰卡所设计的一种具有卡丹环装置的旅行车。当人躺在这种旅行车上时，在崎岖不平的道路上也不会感到颠簸。当然，这种车到底采用了什么样的装置?是否在车驾上装有常平装置，并把车座放在该支架的内环轴上?因为沈括语焉不详，我们也不好妄加推测。

万向支架的科学应用

由于历史久远，万向支架在中国古代的应用已经很难考证。真正把万向支架用在现代科学研究并做出重要发现的是法国人傅科(1819-1868)。现在，我们知道，在一定的初始条件和一定的外力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进。傅科在1851年提出利用高速旋转的陀螺来验证地球的自转。因为旋转的陀螺有保持旋转轴不变的性质，如果把陀螺放置在万向支架上，基座在地球上，地球旋转而陀螺的轴不旋转，经过不太长的时间，陀螺相对于支架的变动就明显地说明地球的自转。傅科利用他发明的傅科摆和这种陀螺仪有力地证明了地球的自转，所以傅科又称它为“转动指示器”。从此万向支架又有了一个新的名字：陀螺支架。

2000多年以前中国就发明了被中香炉，不过在这段漫长的岁月中，我们并没有将陀螺放在万向支架上，从而形成近代力学中极为重要的陀螺仪。西方人虽然直到16世纪才发明万向支架，比我们落后了1000多年，但是后来的许多应用却是他们首先开发出来的。

中国古代之所以技术水平商超却缺乏科学应用，是因为中国古代学者更多地注意经验的陈述，缺乏对相关因素的分析，忽视了对演绎和因果关系的探求，很少进行枯燥的纯理论研究，所以大多停留在具体现象层面，影响了中国古代科学的发展。

【责任编辑】张小萌