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第一座水力天文钟——北宋的水运仪象台

  水力机械钟与安堤基瑟拉仪早在纪元前就出现了,但奇怪的是,西方在之后千年的时间里,竟然一直没有结合这两种齿轮技术,发明自动随着天体运转的水力天文钟。结果最早的水力天文钟,既不是出现在拜占庭帝国,也不是在阿拉伯帝国,而是东方的中国!

  只要转动安提基瑟拉仪与拜占庭日晷仪,就可以计算过去到未来,任何一天的天体位置。但是只要没人转动,它们就不会动作,所以没办法呈现当下的天象,不像时钟随时告诉你目前时刻。

  既然西元前三世纪,克特西比乌斯已经发明出机械水钟,那么以此为基础,再多加一些齿轮与指针进去,让它们与天体运行同步,不就是一台会自己运转的天文钟?看一眼就能知道目前的天体位置。

  说也奇怪,虽然自动机器与计算天体位置,这两种齿轮技术早就有了,但是「水力天文钟」却隔很久之后才出现。不知道是因为两种技术没有交汇在一起,或者早期确有发明,只是毁损失传了。总之根据史料,水力天文钟最早的记载竟然不是在古希腊,也不在拜占庭帝国或阿拉伯世界,而是在中国。

  《后汉书》中提到东汉的太史令张衡,于西元126 年发明了浑天仪。许多人相信这就是最早的水力天文钟,但其实除了浑天仪这名词,完全没有解释其功能与构造,甚至也没说由水力推动。是因为后来的《晋书.天文志》中,进一步描述浑天仪用空心铜球代表圆天,上面蚀刻各个星宿,以演示星象的运行;而原文中有「以漏水转之」这几个字,才引发后人设想浑天仪是以水力推动。

  无论浑天仪是否真的靠水力转动,它就这么昙花一现。直到六百年后,唐朝的一行和尚(俗名张遂)与梁令瓒,才于723 年又打造出名为「水运浑天」的水力天文钟。《旧唐书.天文志》对它有这样的描述:「注水激轮,令其自转,一日一夜,天转一周。又别置二轮络在天外,缀以日月,令得运行。」表示除了星象,日月各自也有独立的齿轮带动运转。更特别的是,后面还提到有两个报时的木人,「每一刻自然击鼓,每辰则自然撞钟」。如果书中所言属实,水运浑天既能模拟日月星辰的运行,又能够时时刻刻主动报时,那的确称得上水力天文钟无误。只可惜《旧唐书.天文志》没有进一步描述它的内部构造,无从验证这部水力天文钟是否真的可以正常运转。

  北宋时,来自四川的张思训于979 年也设计了「浑仪」。据《宋史‧天文志》所载,张思训特地改用水银取代水,如此便不怕冬天水结冰,使得天文钟无法运转。此外,他还设计了更花俏的报时方式:除了有七个木偶在每一刻钟会分别摇铃、扣钟、击鼓,还有十二个木人轮流在不同时辰跑出来举牌报时。但同样地,书中仍然没有解说其构造。

  张衡的浑天仪、一行和尚的水运浑天、张思训的浑仪,都仅见于文献之中,却又缺乏实际构造的描述,因此难以断定其真伪。目前公认中国最早的水力天文钟,是北宋时期的福建闽南人苏颂,所发明的「水运仪象台」。

  苏颂出生于1020 年,二十三岁与王安石同榜中了进士后,先到江苏当县令,三十四岁时调任到专门收藏典籍的集贤院。他在集贤院九年期间,研读各种领域的书籍,学识因而大幅扩展,从药学、算学、工程到天文地理,无所不通。1086 年苏颂转任吏部尚书,在检验各项天文仪器后,决定建造一部功能完整、自动运行的天文钟。他与下属韩公廉一起着手设计,最后历时六年终于成功打造出水运仪象台。

  虽然水运仪象台已不复存,但所幸苏颂留下一本亲手写的《新仪象法要》,里面详尽记载内部构造与零件尺寸,而且还附有图示。经按图索骥,复原重建水运仪象台后,确实可以正常运作(台中的自然科学博物馆便有个一比一的模型)。

  水运仪象台高达十二公尺,共有三层。观测用的「浑仪」置放于最上层,有许多环圈层层相套,包括地平圈、赤道圈、黄道圈、……等等,配合可以活动的「窥管」来观测特定天体的位置。中间那一层是「浑象」,主体是一颗由齿轮带动的圆球,上面绘制了各个星座,转完一圈刚好一天,配合绕着圆球的经纬圈,演示天象的实际变化。最下层则是报时装置,分为五小层,每层各有数目不一的小木人,会定时现身举着牌子显示目前的时刻,若在晚上还会敲更。

  水运仪象台的动力机制与克特西比乌斯的机械水钟非常类似,也是利用虹吸原理,让固定的水量倾泻而下推动水车,水车再带动齿轮前进一格,推动浑象的圆球缓缓转动,同时转动报时装置。所以只要定期加水,就能不断运转,如实模拟天象。

  很难想像苏颂可以凭空发明如此复杂的齿轮装置。也许苏颂在集贤院时,从藏书中发现浑天仪、水运浑天、浑仪等装置的图解;甚至张思训的浑仪过了一百年可能还完好无缺,苏颂便可直接研究(水运仪象台的木人报时方式,与浑仪也太相似了)。若是如此,中国的水力天文钟,似乎是自汉、唐、宋一路传承下来,完全是中国自己的发明。不过实际上,苏颂还是得借助于阿拉伯帝国的天文知识。

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