水運儀象台

水運儀象台是中國古代天文學家發明的一種大型天文儀器，由北宋天文學家蘇頌等人創建。它是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置於一體的綜合性觀測儀器，實際上是一座小型的天文台。這台儀器的製造水平堪稱一絕，充分體現了中國古代漢族勞動人民的聰明才智和富於創造的精神。

基本介紹

• 中文名：水運儀象台
• 外文名：Water Transport Observatory
• 創建：北宋天文學家蘇頌
• 高：大約有十二米
• 底寬：大約有七米

歷史簡介

宋元祐元年(公元1086年)開始設計，到元祐七年全部完成。它是中國古代的卓越創造。其中的擒縱器是鐘錶的關鍵部件。因此，英國科學家李約瑟等人認為水運儀象台“可能是歐洲中世紀天文鐘的直接祖先”。

水運儀象台

結構構造

整座儀器高約12米，寬約7米，是一座上狹下廣、呈正方台形的木結構建築。其中渾儀等為銅製。全台共分三隔。下隔包括報時裝置和全台的動力機構等。中隔是間密室，放置渾象。上隔是個板屋，中放渾儀。這台儀器的製造水平堪稱一絕，充分體現了中國古代漢族勞動人民的聰明才智和富於創造的精神。

國際上對水運儀象台的設計給予了高度的評價，認為渾象一晝夜自轉一圈，不僅形象地演示了天象的變化，也是現代天文台的跟蹤器械 — 轉儀鐘的祖先；水運儀象台中首創的擒縱器機構是後世鐘錶的關鍵部件，因此它又是鐘錶的祖先。水運儀象台為了觀測上的方便，設計了活動的屋頂，是今天天文台活動圓頂的祖先。

水運儀象台

水運儀象台是十一世紀末我國傑出的天文儀器，也是世界上最古老的天文鐘。國際上對水運儀象台的設計給予了高度的評價，認為水運儀象台為了觀測上的方便，設計了活動的屋頂，這是今天天文台活動圓頂的祖先；渾象一晝夜自轉一圈。從水運儀象台可以反映出中國古代力學知識的套用已經達到了相當高的水平。

儀器組成

根據《新儀象法要》記載，水運儀象台是一座底為正方形、下寬上窄略有收分的木結構建築，高大約有十二米，底寬大約有七米，共分為三大層。

上層是一個露天的平台，設有渾儀一座，用龍柱支持，下面有水槽以定水平。渾儀上面覆蓋有遮蔽日曬雨淋的木板屋頂，為了便於觀測，屋頂可以隨意開閉，構思比較巧妙。露台到儀象台的台基有七米多高。

中層是一間沒有窗戶的“密室”，裡面放置渾象。天球的一半隱沒在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠機輪帶動旋轉，一晝夜轉動一圈，真實地再現了星辰的起落等天象的變化。

下層包括報時裝置和全台的動力機構等。設有向南打開的大門，門裡裝置有五層木閣，木閣後面是機械傳動系統。

報時裝置

第一層木閣又名“正衙鐘鼓樓”，負責全台的標準報時。木閣設有三個小門。到了每個時辰（古代一天分做十二個時辰，一個時辰又分為時初和時正）的開始時，就有一個穿紅衣服的木人在左門裡搖鈴；到了每個時辰的正中，有一個穿紫色衣服的木人在右門裡扣鐘；每過一刻鐘，一個穿綠衣的木人在中門擊鼓。這層木人動作由晝時鐘鼓輪控制。

第二層木閣負責報告時初、時正。該層木閣正中有一個小門，每逢各個時辰的開始時，一個穿紅衣的木人持時辰牌出現在小門前；每逢各個時辰的正中，一個穿紫衣的木人拿著時辰牌出現在小門前。此層共有紅衣木人和紫衣木人各12個，時辰牌牌面上依次寫著子初、子正、醜初、醜正等。這層木人的動作由晝夜時初正輪控制。

第三層木閣負責報告時刻。該層木閣正中有一個小門，每到一刻，一個穿綠衣的木人持刻數牌出現在小門前。此層共有96個綠衣木人，刻數牌牌面上依次寫著初刻、二刻、三刻、四刻等。這層木人的動作由報刻司辰輪控制。註：正子時、正卯時、正午時、正酉時，時兼刻，紫衣小人出場。因此只有96個綠衣小木人。

第四層木閣負責晚上的報時。該層木閣中間有一個小門，木門內置一小木人，逢日落、黃昏、各更、破曉、日出之時，木人擊鉦報時。這層木人的動作由夜漏金鉦輪控制。

第五層木閣負責報告晚上的時間。這層木閣中間有一個小門，日出、日落、昏、曉、各更，一個穿紅衣的木人持牌出現在小門前；各籌（點），一個穿綠衣的木人持牌出現在小門前。這層木人的動作由夜漏司辰輪控制。起更(16:48)、日落、昏、一至五更、日出、曉、收更(7:12)共11個紅衣小木人。每更五籌，共30個綠衣小木人。註：冬至夜六十刻、夏至四十刻，冬至-夏至，每九天增加一刻，即日出/日落小木人每九天，從起更向一更移動半刻；昏/曉為日出/日落下兩刻半，即昏曉間，冬至五十五刻、夏至三十五刻，昏/曉小木人隨日出/日落小木人每九天向下移動半刻。

五層木閣共有12個紫衣小木人、23個紅衣小木人、126個綠衣小木人、1個擊鉦小木人，累計162個小木人。

每層木閣內都有相應的機輪或輪輞，上掛抱牌木人；或用撥牙撥動門口木人手臂敲打樂器。這些機輪都裝在一根機輪軸上。機輪軸有傳動機構和天柱相連。天柱是貫通全台上中下三隔的傳動軸。天柱下有個下輪，與樞輪軸伸出的地轂相結合。當作為原動輪的樞輪轉動時就經過地轂傳動，使天柱旋轉起來，由此帶動全儀。

動力機構

在下隔的中央部分設有一個直徑達 3米多的樞輪。樞輪上有72條木輻，挾持著36個水斗和勾狀鐵撥子。樞輪頂部和邊上附設一組槓桿裝置，它們相當於鐘錶中的擒縱器。在樞輪東面裝有一組兩級漏壺。壺水注入水斗，斗滿時，樞輪即往下轉動。但因擒縱器的控制，使它只能轉過一個斗。這樣就把變速運動變為等間歇運動，使整個儀器運轉均勻。樞輪下有退水壺。在樞輪轉動中各斗的水又陸續回到退水壺裡。另用一套打水裝置，由打水人搬轉水車，把水打回到上面的一個受水槽中，再由槽中流入下面的漏壺中去。因此，水可以循環使用。打水裝置和打水人則安置在下隔的北部。整個機械輪系的運轉依靠水的恆定流量，推動水輪做間歇運動，帶動儀器轉動，因而命名為“水運儀象台”。

渾象密室

渾象一半裝在地櫃裡面，一半露出櫃面。渾象中間的赤道帶上裝有齒牙。機輪軸的天輪和它相接，以帶動渾象和天穹一起旋轉。

渾儀板屋

渾儀結構和唐、宋渾儀類似，只是在中間一重三辰儀里加一個在赤道方向的天運環，環有齒牙，和天柱的上輪相接，由天柱通過天運環帶動三辰儀一起轉動。這是後世轉儀鐘的一個雛形。渾儀置於板屋內，屋頂板可自由摘除，是近代望遠鏡室活動屋頂的先驅。

工作原理

水運儀象台的構思廣泛吸收了以前各家儀器的優點，尤其是吸取了北宋初年天文學家張思訓所改進的自動報時裝置的長處；在機械結構方面，採用了民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機械原理，把觀測、演示和報時設備集中起來，組成了一個整體，成為一部自動化的天文台。

新儀象法要

蘇頌為水運儀象台所作的設計說明書。成書於宋神宗紹聖初年，約當公元1094～1096年間。據《宋史·藝文志》等記載，本書又曾名《紹聖儀象法要》、《儀象法纂》等。今通行各本都源出南宋乾道壬辰(公元1172年)施元之刻本，共三卷。施元之曾據當時所見的各本進行過校補。書中所謂“一本”、“別本”就是施元之補入的。通行本中以《守山閣叢書》刊本為善。書首有蘇頌《進儀象狀》一篇，報告造水運儀象台的緣起、經過和它與前代類似儀器相比的特點等。正文以圖為主，介紹水運儀象台總體和各部結構。各圖附有文字說明。卷上介紹渾儀，有圖十七種。卷中介紹渾象。除五種結構圖外，另有星圖二種五幅，四時昏曉中星圖九種。卷下則為水運儀象台總體、台內各原動及傳動機械、報時機構等，共圖二十三種，附別本作法圖四種。

蘇頌巨作 《新儀象法要》

其中還有唯一的一段不帶圖的文字：“儀象運水法”，講述利用水力帶動整個儀象台運轉的過程。總計全書共有圖六十種。這些結構圖是中國現存最古的機械圖紙。它採用透視和示意的畫法，並標註名稱來描繪機件。通過復原研究，證明這些圖的一點一線都有根據，與書中所記尺寸數字準確相符。

本書是中國現存最早的水力運轉天文儀器專著。它反映了中國十一世紀的天文學和機械製造技術水平。通過研究，人們得以了解中國古代的水運儀象傳統，從此還得知近代機械鐘錶的關鍵性部件──錨狀擒縱器是中國發明的。

原件復原

水運儀象台原件在靖康之禍（1127年）時，金兵將水運儀象台掠往燕京（北京）置於司天台，在金朝貞佑二年（1214年）因不便運輸被丟棄，而南宋時蘇攜保存的手稿因無人理解其中方法而無人能仿造。中華人民共和國成立後，清華大學劉仙洲於1953年─1954年發表《中國在原動力方面的發明》、《中國在傳動機件方面的發明》兩篇關於對此儀動力研究的論文，另外英國科技史學者李約瑟對此儀的動力也有研究，在1956年於《自然》雜誌發表論文。

水運儀象台

中國考古學家王振鐸於1958年最先復原水運儀象台模型，除發表《揭開了中國“天文鐘”的秘密》論文並繪製復原詳圖存世。該復原原件存放於中國歷史博物館；主要由蘇州市古代天文計時儀器研究所復原並送至各地科技館或天文館收藏。

歷史意義

蘇頌是中國宋代天文學家、藥物學家，公元1020年誕生於泉州同安縣（今福建省廈門市同安區），後遷居丹陽（今江蘇省鎮江）。22歲時與王安石是同榜進士，從此進入仕途。初任宿州（今安徽省宿縣）觀察推官、江寧知縣、南京留守推官等地方官。1053年，蘇頌奉調到京城開封任館閣校勘、集賢校理等職，這雖不是什麼重要官職，只是負責編定書籍，但對蘇頌來說卻是如魚得水，在這裡他有機會博覽皇家的各種藏書，在任職的九年里，蘇頌每天背誦一段書，回家後默寫下來，從不間斷，積沙成塔，積累了淵博的知識。宋哲宗登位後，他先任刑部尚書，後任吏部尚書，晚年官至宰相，雖然官居顯位，但政績平平，作為政治家的蘇頌遠不如作為天文學家的蘇頌，特別是他研製的水運儀象台使他的名字載入了世界科技的史冊。

發明者 蘇頌

公元1086年，蘇頌奉命檢驗當時太史局使用的各種渾儀，想到應有表演天象的儀器和渾儀配合使用，於是他羅致人才進行這項研究工作，並向皇帝推薦精通數學和天文學的韓公廉共同研製。在他的策劃下，韓公廉寫出《九章鉤股測驗渾天書》，製成大、小木樣。後由蘇頌和韓公廉請了一批能工巧匠精心打造。這是一座把渾儀、渾象和報時裝置三組器件組合在一起的高台建築，高約13米，底寬約7米，共分三層，儀器由水力推動運轉。這座集天文觀測、天象表演和報時三種功能為一體的天文台就是蘇頌繼承和發展了漢唐以來天文學成果，發明創造的水運儀象台，在這一工作中韓公廉的貢獻也是不可低估的。

水運儀象台代表了中國11世紀末天文儀器的最高水平。它具有三項令世界矚目的發明，首先它的屋頂被設計成可開閉的，是現代天文台活動圓頂的雛型，其次，它的渾象能一晝夜自動旋轉一周是現代天文跟蹤機械轉移鐘的先驅；此外，它的報時裝置能在一組複雜的齒輪系統的帶動下自動報時，報時系統里的錨狀擒縱器是後世鐘錶的關鍵部件。英國著名科技史專家李約瑟曾說水運儀象台“可能是歐洲中世紀天文鐘的直接祖先。”大約在1094年，蘇頌編撰了《新儀象法要》一書，詳細介紹了水運儀象台的設計和建造情況，並把水運儀象台的總體和各部件繪圖加以說明。

蘇頌為了讓人們更直觀地理解星宿在太空中的出沒，又提出設計一種人能進入到渾天象內部來觀察的儀器——假天儀，蘇頌仍請韓公廉和自己一起設計。用竹木製成的假天儀從外面看就像一盞紙糊的特大號燈籠。“燈籠”面上按照天上星座的位置開孔，人進到裡面可以看到點點光亮，仿佛看到夜空中繁星點點。扳動樞軸，“燈籠”便可轉動起來，體現天體的東升西落。這和今天天文館里演示人造星空的天象儀的原理是一樣的。世界上第一架天象儀和第一座天文館是1923年誕生的，在此800多年前我們的古人就研製出天象儀的雛型，這說明中國人確實具有超人的聰明才智。然而，正像我國當代著名天文學史專家席澤宗先生所說的，“我們今天談論我國古代天文儀器方面的輝煌成就，並不是用祖先的成績來安慰我們現實的落後，而是要把往昔的光榮，作為今日的激勵，鼓舞我們去攀登新的高峰。”

宋哲宗元祐三年（1088年），蘇頌的水運儀象台研製成功。但關於水運儀象台的命名卻出現了一場意想不到的風波，差點還要了蘇頌的命。

“水運儀象台”這個名字原是蘇頌自己命名的，在《新儀象法要》中有記載：“右‘水運儀象台’，其制為台……”。但依照封建王朝的慣例，還得請皇帝親自命名，於是蘇頌上了《進儀象狀》：“若但以一名命之，則不能盡其妙用也，恭俟聖鑒，以正其名也。”但即便如此，蘇頌的政敵還是找到政治藉口來攻擊蘇頌，欲置蘇頌於死地！當時有個太史局直長趙齊良，他上書哲宗皇帝說：“宋以火德王，名‘水運’，非吉兆。”也就是說我們大宋王朝是以“火德”而興，而蘇頌稱這天文儀象為“水運”，與大宋“火德”是水火不容，很不吉祥啊。而且水能滅火，此更是大忌！若這項“罪名”成立，蘇頌的腦袋就得搬家。（此前不久，蘇頌的好友蘇東坡也曾因“烏台詩案”的文字獄差點陪上老命！）幸得哲宗皇帝還是信任蘇頌的，沒有深加追究，而且最後皇帝還賜名為“元祐渾天儀象”。元祐七年（1092年）銅製儀象台製成，特置於京城西南部的合台。為什麼置於西南呢？因為西屬金、南屬火，將水運儀象台置於西南是為了取“鎮水”之意，以避“水運”之忌。可見朝廷對此“水運”還是相當忌諱的。

那么水運儀象台最終的命運又是如何呢？金兵攻入汴京後，掠走了水運儀象台，運至燕京。由於一路顛簸，機樞齒輪多有損壞，難以使用。再加上汴京與燕京的地理緯度不同，即便是使用也已不再精準；後又遭雷擊，渾儀跌落。最後在金被蒙元吞滅的戰爭中，水運儀象台終告毀亡。

宋室南遷後，曾多次想要再造儀象台，先後找了幾人來主導此事：首先找到了蘇頌的助手袁惟幾，因為他參與了元祐年間儀象台的研製工作，但沒有成功；再找來蘇頌之子蘇攜，“考質舊法，而蘇攜亦不能通也”；後來又讓秦檜、朱熹等進行研製，也都沒能成功製成。從這方面也可以看出水運儀象台影響之深遠，構造之精妙。

新中國成立後，著名的博物館學學者、中國科學技術史學家王振鐸先生於1958年複製了水運儀台的模型（按1：5的比例），並發表《揭開了我國天文鐘的秘密》一文；其後英國科技史專家李約瑟和陳曉也成功複製了水運儀象台，還有美國、台灣等地也都出現了復原模型。1997年，日本精工表的故鄉長野縣，用了8年時間，終於也成功仿製了“水運儀象台”，引起國際計時儀器史學界的極大關注。2011年，國內首台按1:1比例仿製的蘇頌水運儀象台在同安蘇頌公園落成，這個水運儀象台不是模型，而是真實的、可以運轉的一座小型天文台。理所當然地成為同安蘇頌公園的“鎮園之寶”。

從古今中外這么多學者、科學家，熱衷於研究、複製九百多年前宋朝的蘇頌及其領導的團隊所造的水運儀象台，也再次證明水運儀象台在“時間”上真的具有永恆的魅力！