“通過了解中國(guó)古代的科技成就,，我們要做到什么,？并不是洋洋自得,，躺在祖先的功勞簿上,，而是要學(xué)習(xí)我們祖先的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新方法,，以一種包容的態(tài)度,，海納百川,，吸收國(guó)外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù),，為我們國(guó)家科學(xué)技術(shù)新的復(fù)興做貢獻(xiàn)?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)館古代科技展覽部副研究員趙洋將和我們分享：《從水運(yùn)儀象臺(tái)到簡(jiǎn)儀：古代中國(guó)人用什么仰望星空》

以下為趙洋演講實(shí)錄：

說(shuō)天上的事之前,，咱們先從地上的事開始做鋪墊。

前陣子“地動(dòng)儀”這個(gè)話題又火了,。網(wǎng)友發(fā)現(xiàn)最新版的教科書怎么沒有地動(dòng)儀了,，當(dāng)然，后來(lái)人民教育出版社辟謠：其實(shí)還有的,，并不是說(shuō)我們的專家否認(rèn)了張衡發(fā)明的地動(dòng)儀或者否認(rèn)了地動(dòng)儀的科學(xué)功效等等,。

在我工作的中國(guó)科技館，就有各種各樣國(guó)內(nèi)外專家復(fù)原的不同的地動(dòng)儀方案,，陳列出來(lái)供觀眾自己判斷哪個(gè)方案最好,，最有可能測(cè)定出地震的方位。

張衡作為東漢時(shí)期偉大的科學(xué)家,，他不僅關(guān)注地震怎么測(cè)定,，他也關(guān)注很多天上的事情，比如說(shuō)他研制了水運(yùn)儀象,，用水流的沖擊作為動(dòng)力,，使渾天儀轉(zhuǎn)動(dòng)，精確地模擬天球上的各種現(xiàn)象,，叫水運(yùn)儀象,。而且,，這種天文儀器歷朝歷代不斷有發(fā)展，到北宋時(shí)期發(fā)展到巔峰,，就是水運(yùn)儀象臺(tái),。

圖片說(shuō)明：左圖是流傳千年的《新儀象法要》,，由研制水運(yùn)儀象臺(tái)的古代科學(xué)家編撰,，書里有圖像有文字，相當(dāng)于一本工程藍(lán)圖技術(shù)說(shuō)明書,。右圖就是當(dāng)代學(xué)者,、中國(guó)歷史博物館的王振鐸先生在上世紀(jì)50年代根據(jù)《新儀象法要》和其他古籍綜合研究，用現(xiàn)代機(jī)械制圖的方式呈現(xiàn)的水運(yùn)儀象臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu),?？梢钥吹剑钌厦媸且粋€(gè)渾儀,，中間是一個(gè)渾象,，所謂“儀象臺(tái)”是一個(gè)臺(tái)體，“水運(yùn)”是指下面有水輪來(lái)驅(qū)動(dòng),。

可以看出,，地動(dòng)儀和水運(yùn)儀象臺(tái)至少有兩大不同：首先，一個(gè)測(cè)地一個(gè)測(cè)天,，此外,，流傳的載體非常不一樣，地動(dòng)儀只有后漢書《張衡傳》里區(qū)區(qū)196個(gè)字,，所以各國(guó)學(xué)者從196個(gè)字里邊開發(fā)出多種不同的復(fù)原方案,，但水運(yùn)儀象臺(tái)不同，盡管原物已經(jīng)滅失了，但它流傳下來(lái)有非常豐富的圖文載體,，我們能比較精準(zhǔn)地把它復(fù)制出來(lái),。

在古代，天文有多重要,？

為什么從張衡以后,，中國(guó)古人就不再研究地動(dòng)儀，轉(zhuǎn)而研究天文儀器了,？因?yàn)樘煳膶W(xué)太重要了,。

中國(guó)古代有一句話叫做“觀象授時(shí)”，只有把星象的位置和它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律精確地測(cè)定之后,，才能把歷法做得很準(zhǔn),，老百姓根據(jù)政權(quán)頒布的歷法指導(dǎo)自己的日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。按照中國(guó)傳統(tǒng)的宇宙觀“天人合一”或者叫“天人交感”,，一個(gè)政權(quán)要上應(yīng)天時(shí),，受命于天，所以,，如果天象有一點(diǎn)點(diǎn)變化,，比如說(shuō)有超新星或客星出現(xiàn)了，就要研究這客星出現(xiàn)在哪個(gè)星宿,、哪個(gè)星座，應(yīng)該怎么辦等等,。

在這里舉兩個(gè)例子,。

一個(gè)發(fā)生在公元六世紀(jì)，距現(xiàn)在有1400多年,，南北朝時(shí)期,，當(dāng)時(shí)南朝梁武帝還在南京。梁武帝雖然偏安江左,，但是覺得自己是正統(tǒng),，很注意天象的觀測(cè)和積累。有一天,，官員報(bào)告有一個(gè)天象叫做“熒惑入南斗”,。

“熒惑”就是我們現(xiàn)在說(shuō)的火星。左邊這張圖就是我前些年在古觀象臺(tái)拍的火星大沖的場(chǎng)面,，可以看到游客很高興,，興致盎然地看火星。但古人看火星絕對(duì)沒有這么放松的心情,，因?yàn)闊苫?，熒熒似火，紅色在古代認(rèn)為是刀兵的象征,，不祥,。

所以梁武帝很重視,。當(dāng)時(shí)流傳一個(gè)歌謠叫“熒惑入南斗，天子下殿走”,，他認(rèn)為應(yīng)該應(yīng)這個(gè)天象,，要下殿走。于是趕緊把靴子脫掉,，繞著宮殿走了一圈,。走完了之后沒有什么事情發(fā)生。怎么回事呢,？過了不久,，邊關(guān)傳來(lái)消息，說(shuō)不得了了,，北朝北魏的最后一個(gè)皇帝投降了北邊的蠻夷了,，北朝滅亡了。梁武帝恍然大悟,，很慚愧,，訕訕地說(shuō)：想不到我們竟然沒有應(yīng)了天象。

第二個(gè)例子發(fā)生在公元13世紀(jì)初,。成吉思汗率蒙古大軍西征的時(shí)候,，他身邊有很多謀士，包括天文學(xué)家,。有來(lái)自西域的天文學(xué)家跟他說(shuō),，大汗，今年5月有一次月食,，您注意觀看,，看看能給我們什么警示。但是,，他身邊還有另一位來(lái)自中原的天文學(xué)家耶律楚材,，他是契丹貴族的后裔，精通中原的天文學(xué),。耶律楚材說(shuō),，不對(duì)，大汗,，經(jīng)過我推算,，今年5月不會(huì)發(fā)生月食，明年的10月會(huì)發(fā)生月食,。大汗就很感興趣,，那我們就等等看。

果然，到了當(dāng)年5月沒有發(fā)生月食,，到了來(lái)年,，也就是1221年的陰歷10月，果然發(fā)生了月食,。成吉思汗就說(shuō),，耶律楚材連天上的事情都無(wú)所不知，更何況人間事,，于是讓他參與了很多軍國(guó)大事,。耶律楚材也慢慢向成吉思汗傳輸中原禮法，終成一代名相,。

這些故事告訴我們,，在中國(guó)古代，不但天文學(xué)家關(guān)心天象變化,，執(zhí)政者也很關(guān)心,。當(dāng)然，他們認(rèn)為的“天人合一,、天人交感”,，用我們今天科學(xué)的眼光來(lái)看是一種迷信，但在當(dāng)時(shí),，確實(shí)是通行的,、大家深信不疑的一種宇宙觀。

你可能會(huì)問：剛才那些歷史故事離我們太遠(yuǎn),，古代天象離我們那么遠(yuǎn),，古代的天文儀器也不比現(xiàn)在先進(jìn)，我們?yōu)槭裁匆私馑麄儯?/p>

其實(shí),，我們走到今天，都是古人一點(diǎn)一滴積累的結(jié)果,。套用牛頓的話說(shuō),，我們是站在前人的肩膀上。我們?nèi)绻缓煤昧私馇叭?，我們也沒法去面向未來(lái),。

演講嘉賓趙洋：《從水運(yùn)儀象臺(tái)到簡(jiǎn)儀：古代中國(guó)人用什么仰望星空》

水運(yùn)儀象臺(tái)：舉全國(guó)之力的大科學(xué)裝置

古代的天文儀器誕生于簡(jiǎn)陋的條件，其中,，蘊(yùn)含著很多創(chuàng)新思維和方法,，能夠?yàn)槲覀兘裉斓目茖W(xué)活動(dòng)提供啟迪和啟發(fā)。

先來(lái)說(shuō)水運(yùn)儀象臺(tái),。

水運(yùn)儀象臺(tái)于1092年（北宋年間）落成,。它是一個(gè)國(guó)家工程，由當(dāng)時(shí)的宰相蘇頌主持建造，從全國(guó)各地邀請(qǐng)了很多精通天文,、歷算,、機(jī)械的儒士畫圖設(shè)計(jì)，具體工程由各地的能工巧匠（包括木匠,、銅匠等）一起完成,。所以說(shuō)，這是一個(gè)中國(guó)古代比較罕見的儒士和工匠合二為一的一個(gè)工程技術(shù)的典范,。

水運(yùn)儀象臺(tái)。

水運(yùn)儀象臺(tái)是一個(gè)臺(tái)體,，通高12米,，底部是一個(gè)正方形，寬7米,，分3層,。最上層是渾儀（左上圖，也叫渾天儀）,，你可以把它想象成一個(gè)沒有鏡片和鏡頭的望遠(yuǎn)鏡,，用一個(gè)窺管能精確地看到某顆星，圓環(huán)上密密麻麻刻著刻度,，可以讀數(shù),。中間一層是一個(gè)大圓球，叫渾象,，類似于現(xiàn)在天文館的天象演示,。

古代也需要天象演示，白天看不見星星,，晚上天氣不好時(shí)也會(huì)看不見星空,，如何知道哪顆星上中天？通過渾象,。北宋的這個(gè)渾象上面密密麻麻刻著1400多顆恒星的位置,，而且通過下面的水輪機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)它，能夠在24小時(shí)（一晝夜）緩緩地轉(zhuǎn)一周,，模擬星辰的東升西落,，非常精準(zhǔn)。下層既是一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),，也是一個(gè)報(bào)時(shí)系統(tǒng),，一層一層的木人，木人手里拿著牌子,，木人手里敲鐘,、敲鑼或敲鈴鐺,，就像現(xiàn)在的報(bào)時(shí)鐘表。

水運(yùn)儀象臺(tái)今人復(fù)原的內(nèi)部結(jié)構(gòu),。

這是水運(yùn)儀象臺(tái)今人復(fù)原的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過往里面注水,，水滿了之后“咔噠”一下,，然后下一個(gè)空的水斗落下來(lái)，再注滿水“咔噠”一下,，不要小看這一咔噠一咔噠,，它把均勻穩(wěn)定的水流切分成一個(gè)一個(gè)等時(shí)的時(shí)間間隔，通過齒輪的咬合,，可以把時(shí)間間隔縮得任意小,，15分鐘也可以，1分鐘也可以,。所以,，這是世界上最早的擒縱器。

除了這些,，水運(yùn)儀象臺(tái)是一個(gè)技術(shù)集成的典范,。里面有如此多精巧的機(jī)構(gòu)，其實(shí)很多來(lái)自民間智慧,。比如擒縱器,，就來(lái)自中國(guó)傳統(tǒng)民間的灌溉工具——筒車，里面的齒輪齒條也來(lái)自于很多灌溉工具,。所以說(shuō),，這個(gè)水運(yùn)儀象臺(tái)不但是一個(gè)大科學(xué)工程，也是一個(gè)高度集成的工程,。

為什么說(shuō)是大科學(xué)工程,？造水運(yùn)儀象臺(tái)花了5萬(wàn)貫錢，相當(dāng)于北宋政府年度財(cái)政收入的千分之一,。千分之一是什么概念,？中華人民共和國(guó)2017年政府年度財(cái)政收入是17萬(wàn)億人民幣，千分之一就是170億人民幣,。咱們中國(guó)近些年來(lái)最大的天文工程,，就是在貴州的FAST,，我查了一下它的造價(jià)是12億人民幣,，投資強(qiáng)度相當(dāng)于千分之零點(diǎn)零七?？梢哉f(shuō),，水運(yùn)儀象臺(tái)當(dāng)時(shí)真是舉全國(guó)之力,。

那么，為什么要造這么一臺(tái)精密的天文儀器,？

首先,，它體現(xiàn)了歷代皇家和天文學(xué)家對(duì)于“天人和一、精確測(cè)定天象”的孜孜不倦的追求,。另一方面,，緣于北宋當(dāng)時(shí)特殊的地緣政治環(huán)境，北邊有遼國(guó)和西夏,，南邊有大理,，它不是一個(gè)大一統(tǒng)的國(guó)家，但又要主張,、宣揚(yáng)自己的正統(tǒng)地位,，所以要造這么一個(gè)上應(yīng)于天的頂尖天文儀器來(lái)彰顯自己的正統(tǒng)地位。

水運(yùn)儀象臺(tái)后來(lái)的命運(yùn)很凄慘,，沒有實(shí)物流傳下來(lái),，不然我們?cè)缛ゲ┪镳^看它了，現(xiàn)在看到的都是復(fù)制品,。金人南下時(shí),，有一個(gè)“靖康之恥”，攻破了北宋的國(guó)都汴梁（開封）,，不但掠走了皇帝,，還把水運(yùn)儀象臺(tái)也搬到了燕京（北京）。從開封到北京輾轉(zhuǎn)千里,，水運(yùn)儀象臺(tái)里邊的精巧機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞了不少,，搬到燕京后就不能運(yùn)轉(zhuǎn)了。而且,，這些天文儀器的軸都要指向北極星,，從南方到北方，北極星的地平高度有了變化,，所以無(wú)法使用,。但金人很愛惜它，沒有把它扔掉,。后來(lái)蒙古又南侵滅金,，水運(yùn)儀象臺(tái)在這場(chǎng)戰(zhàn)火中毀滅。好在,，有厚厚一本《新儀象法要》流傳下來(lái),，所以我們還能窺見它當(dāng)年的輝煌。

簡(jiǎn)儀：國(guó)際科技文化交流集大成的產(chǎn)物

講完水運(yùn)儀象臺(tái)我們?cè)僦v一講元代的一個(gè)天文重器——簡(jiǎn)儀,。簡(jiǎn)儀之簡(jiǎn),，對(duì)比自渾儀之繁,。

簡(jiǎn)儀的發(fā)明者和設(shè)計(jì)者郭守敬是個(gè)奇人。他生于亂世,，既是金國(guó)人,，也是漢族人。小的時(shí)候,，祖父帶他到河北邢臺(tái)紫金山尋師訪友,，學(xué)的不是四書五經(jīng)，而是天文,、歷法,、水利這些，將來(lái)可以經(jīng)世致用,。當(dāng)時(shí),，在民間私習(xí)天文是要?dú)㈩^的重罪，那還為什么敢學(xué),？因?yàn)楫?dāng)時(shí)國(guó)家治理已經(jīng)內(nèi)憂外患,，所以他要學(xué)這個(gè)，“學(xué)成文武藝,，貨與帝王家”,。后來(lái)他果然學(xué)成，忽必烈大汗征集天下賢士要重新修訂歷法,，就把他召集起來(lái)了,，修了北京的通惠河、積水潭,，而且作為皇家天文臺(tái)的臺(tái)長(zhǎng)司天監(jiān)監(jiān)正,，造了一系列天文儀器，也制定了當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的歷法《授時(shí)歷》,，當(dāng)然,，這都是后話。

郭守敬很早就對(duì)渾儀產(chǎn)生了興趣,。渾儀就是水運(yùn)儀象臺(tái)頂部的那個(gè)儀器,，圈環(huán)套圈環(huán)，有很多支撐結(jié)構(gòu),，很復(fù)雜,。問題是：在觀測(cè)特定星體時(shí)，有些圈環(huán)會(huì)遮擋視線,，不便觀測(cè)和讀數(shù),，而且這么多圈環(huán)在一起，機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不行,，同軸度和同心度也不行,，還有變形也會(huì)影響觀測(cè)精度。

郭守敬做了一個(gè)大膽的改進(jìn),。他撤掉了不必要的圈環(huán),，保留了兩組最重要的圈環(huán)：一個(gè)是測(cè)定赤道坐標(biāo)（中國(guó)古代獨(dú)有的赤道坐標(biāo)）；一套是測(cè)地平坐標(biāo)（比如東偏北或東偏南）,，靠這兩組坐標(biāo)就可以精確地測(cè)定星體的位置,，而且它們兩個(gè)還能互相換算。至于其他的,，比如以前的白道環(huán)和黃道環(huán),，通過這兩組坐標(biāo)用數(shù)學(xué)公式來(lái)演算就好了。這樣一來(lái),，星體的測(cè)定精度提升,。他制定的星表流傳了好幾百年，制定的《授時(shí)歷》是365.2425天,，跟現(xiàn)在的公歷一樣,，而且《授時(shí)歷》在中國(guó)沿用了360年，中國(guó)的藩屬國(guó)越南也都用《授時(shí)歷》,，所以,，郭守敬的貢獻(xiàn)非常大。

說(shuō)起來(lái),，簡(jiǎn)儀并非中國(guó)古人單獨(dú)的發(fā)明,，其實(shí)，它算得上是一個(gè)國(guó)際科技文明交流的產(chǎn)物,。

為什么這么說(shuō),？

現(xiàn)代的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)儀上的百刻環(huán)的那個(gè)刻度,，其實(shí)不是中國(guó)傳統(tǒng)的365°,，而是一個(gè)圓周分成360°，這是古代阿拉伯天文學(xué)的一個(gè)特征,。當(dāng)時(shí),，郭守敬把他手下的漢兒司天監(jiān)、回回司天監(jiān)和中外天文學(xué)家合在一起研究,，所以不難想象,，他可能會(huì)吸收并借鑒了域外天文學(xué)的好思路。

另一個(gè)線索是“一儀一效”,，就是一個(gè)儀器一個(gè)功效,。不像渾儀，像瑞士軍刀一樣有N多功能但哪個(gè)功能都用不好,。兩個(gè)功能就好了,，用得非常好,，這也是阿拉伯天文學(xué)的一個(gè)特征。

另外,，簡(jiǎn)儀上還有個(gè)彩蛋,。簡(jiǎn)儀上面鑄造著四個(gè)一模一樣的瑞獸，有羚羊的頭,，有魚的身體和尾巴,，這是什么？——可能在座的有1/12屬于這個(gè)星座,，十二宮中的摩羯座,。為什么會(huì)有摩羯呢？因?yàn)檫@個(gè)簡(jiǎn)儀的鑄造總工程師是來(lái)自尼泊爾的阿尼哥,，是個(gè)佛教徒,，而“摩羯”就是佛教中和天象有關(guān)的瑞獸，所以他把自己的宗教信仰融合在里面并造出來(lái)了,。

所以說(shuō),，簡(jiǎn)儀是一個(gè)國(guó)際科技文化交流集大成的產(chǎn)物,。

簡(jiǎn)儀上面還有很多科技創(chuàng)新。比如,，現(xiàn)在潤(rùn)滑的滾柱軸承,，在簡(jiǎn)儀上面就已經(jīng)出現(xiàn)了，領(lǐng)先西方好幾百年,。

后世科學(xué)史家總結(jié)簡(jiǎn)儀和水運(yùn)儀象臺(tái)的創(chuàng)新,，認(rèn)為它影響了后來(lái)歐洲的赤道天文學(xué)，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)也能夠?yàn)楝F(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡的赤道裝置所使用,，至于水運(yùn)儀象臺(tái),，它簡(jiǎn)直就是現(xiàn)在一切機(jī)械鐘表的鼻祖?？梢哉f(shuō),，這兩個(gè)天文儀器的的確確做到了當(dāng)時(shí)工藝水平和科學(xué)的極致。

從這張圖中我們可以看到,，有兩個(gè)尖峰,，分別出現(xiàn)在宋代和元代，也就是水運(yùn)儀象臺(tái)和簡(jiǎn)儀對(duì)應(yīng)的年代,，都是中古以來(lái)中國(guó)科學(xué)技術(shù)巔峰狀態(tài),。

但是，很遺憾，從這個(gè)表里看,，1500年以后,，也就是明代以后，中國(guó)對(duì)世界科學(xué)的貢獻(xiàn)率從57%降到了4%,，而歐洲從40%多一下上升到了96%,。中國(guó)人并不比其他民族的人愚蠢，但是我們祖先傳給我們這么好的科學(xué)傳統(tǒng)到最后沒有被發(fā)揚(yáng)光大,。

所以，今人是否有義務(wù)來(lái)思考這個(gè)問題：我們通過了解中國(guó)古代的科技成就,，要做到什么,？

并不是洋洋自得，躺在祖先的功勞簿上,，而是要不忘本來(lái),，吸收外來(lái)，面向未來(lái),，在大家所在的各行各業(yè)包括同學(xué)們,，在自己的各個(gè)領(lǐng)域，能夠?qū)W習(xí)古人,，學(xué)習(xí)我們祖先的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新方法,，以一種包容的態(tài)度，海納百川,，吸收國(guó)外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù),，為我們國(guó)家科學(xué)技術(shù)新的復(fù)興做貢獻(xiàn)。

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