水运仪象台的前世今生

演讲者：刘东宇

推荐单位：北京天文学会

大家好！我叫刘东宇，来自国家天文台沙河科普基地，目前的工作内容就是天文科普。今天，我要给大家带来的演讲题目是关于中国古代天文史的《水运仪象台的前世今生》。

今天我要向大家隆重介绍——中国古代天文史上结构最复杂、功能最齐全、自动化程度最高的巅峰之作——水运仪象台。

水运仪象台，建成于公元1092年，即北宋哲宗元祐七年。据史料记载，它由三部分构成，分别是用以天文观测的浑仪，演示天体运行的浑象，用天体运行校准的机械钟表。三种功能有机地结合在一起，并共同用水力驱动。

这样的一台复杂的大科学装置，并不是横空出世的。请首先允许我用插叙的方式，带领大家先来到北宋初年。

太宗皇帝赵光义有一天直接向当天值班的天文官员询问道：“按照现行的《乾元历》预测，火星应当逆行至轸宿再开始顺行。而现在的实际情况却是逆行到角宿，就开始了顺行。是不是国家颁布的《乾元历》出了问题？”

好在当班官员也深谙世事，于是奏对道：“皇上您说的这个误差确实存在。但这是上天对陛下施行德政的庇佑，不是历法可以预测得到的。”

就这样，一场看似严重的科学危机就被“政治正确”无形化解掉了。然而，真正的科学问题却没有解决。

在那将近一百年后，北宋著名的政治家、科学家沈括在他的著作《梦溪笔谈》中感慨道：“熙宁年间，我担任太史令，也就是国家天文台台长。此前连续观测五年，受天气阴晴的影响，实际只能获得三年的有效数据。而且有的天文官员观测精度很差。”

那么，能不能制造一种自动化的天文仪器，在减少人的影响的同时，还能模拟天象运转来化解阴雨天无法观测的尴尬呢？

现在，让我们从头说起。

要模拟天体运行的情况，首先要建立宇宙模型。在公元前1世纪成书的《周髀算经》里，提出了这样一种宇宙模型。它认为：大地与天为相距80 000里的平行圆形平面，日月星辰在天上环绕北极作平面圆周运动。這就是盖天说。

到了汉代，天文学家们发现日影的变化随时间流逝并不均匀。最终，张衡总结出了 “浑天说”概念，认为：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄。”随后浑天说逐渐成为中国古代天文观测的基本宇宙模型，成为我们制造浑仪和浑象的理论基础。

我们再来说技术储备。

时间，无法直接观测，必须依靠介质。中国上古时代就有用水流计时的传统。到宋代，更是出现了“漫流分水漏刻”——其精度可以达到每天误差仅几秒钟的水平。这个精度纪录一直保持到惠更斯发现钟摆原理。

水还可以作为计时器动力。东汉有一种叫做“翻车渴乌”的东西。如今国内已不见踪迹，但在日本园林艺术中，得到了传承，这种小品装置叫做“鹿威”（ししおどし）。

水力机械的制造经验也有不少。在我国1983年摄制的电影《张衡》中，就对“漏水转浑天仪”的使用和调试过程进行了精彩的再现。此后，唐代的一行，北宋初年的张思训也做了不同程度的改进。

至此，可以说，水运仪象台的理论基础和技术储备已经基本成熟。那么天文学家们还在等什么呢？各位评委老师应该有这样的经验，那就是手里明明有很好的项目，但就是迟迟没有立项。这时候，缺的就是政策的东风。在公元1086年，恰好就有这样一个机会。

在这一年，新皇帝赵煦刚刚继位，新君新气象，他下令对全国的天文观测仪器进行普查。恰好时任宰相苏颂的天文学造诣极深，他瞅准时机上奏申请制造新仪器。于是，“水运仪象台”项目顺势上马。六年之后，也就是1092年，水运仪象台建成。

然而不幸的是，这样一台精密的天文仪器，仅仅以完整状态存在了35年。公元1127年，北宋靖康二年。靖康耻，犹未雪。臣子恨，何时灭？很快，水运仪象台就湮灭在了宋金元混战的乱世。因此，三代史书中都有关于它的零散记载。

那么，我们今天的复原工作就靠这些只言片语吗？当然不是。

宰相苏颂在督造工程的同时，还编纂了一本人类历史上最早最完整的机械图纸《新仪象法要》这套工程资料，并幸运地留传至今。这成为了我们今天进行复原研究的最可靠的资料。

水运仪象台，原品高度12米，底边7米。一层机械钟部分的天衡与枢轮部分，被英国科技史专家李约瑟称为“人类机械最早的擒纵器结构，现代钟表的鼻祖”。

它二层的浑象系统，是中国历史上第一台有图纸传世的天象仪。它可以进行人造模拟星空的演示。

在水力的驱动下，三层浑天仪中间的窥管可以跟踪天体的运行。这是当代自动化天文望远镜跟踪系统——赤道仪的雏形。此外，还有它的活动屋顶，设计上颇有现代天文台的意味。

我们来看看当代的复原工作历程。

1956年，刘仙洲先生在水力计时器原理上进行了探索。

1958年，王振铎先生制成了1：8的静态模型，至今仍旧在国家博物馆里展出。

最早以论文形式向西方介绍水运仪象台的李约瑟，1970年在其家乡制造并展出了1∶4的静态模型。

1988年，在水运仪象台之父——苏颂的家乡，福建省厦门市同安区，制成了1∶8的电动模型。

在海峡对岸的宝岛台湾，1993年台中市“自然科学博物馆”开馆同时落成了1∶1的木构静态模型。

1997年，在日本现代钟表工业的发祥地，长野县诹访市，由精工钟表出资600万美元，耗时8年（北宋当年只用了六年），制成了1∶1的金属动态模型。

在新世纪，厦门同安科技馆，又落成了1∶1比例的木制动态模型。

最近，国家天文台还在与清华大学合作，进行了水运仪象台的精密测绘和制图，并且已经制成了1∶3整体模型和1∶5局部模型。这套复原方案的特点是，尽可能在结构和材料上复原宋代设计，并且除供水系统外不使用电动辅助装置。以突出宋代设计者的智慧。

通过对水运仪象台的复原工作，回顾并了解这段历史，让我们在感叹中国古人的创新精神之余，更是体会到科技进步与国家命运的紧密联系。我们常常说“国家不幸诗家幸”。但在天文学家看来，只有国家的安宁与富强，才是天文学发展的最大保障。

创新引领未来，创业成就梦想。回首，有几千年中国传统天文学积淀;展望，有日新月异的天文学新发现。当代中国天文人绝不会甘于守业守成。新世纪以来，随着我国国力的增强，郭守敬望远镜、五百米口径球面射电望远镜、慧眼空间望远镜等大型天文装置的相继落成，标志着我国天文学事业重新站在了世界前列。因此，我们要在新世纪里，开创中国天文学的新事业，让中国天文学成就重新站在人类认识宇宙的最前沿。