书城自然发明巨匠
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第16章 独占数项世界第一的苏颂

苏颂(1020年~1101年),字子容。福建泉州南安人。宋代天文学家、天文机械制造家。

其主要贡献是对科学技术方面,特别是他的水运仪象台和所著《新仪象法要》一书,有许多获得世界第一的发明创造,使他成为我国历史上的杰出人物,同时也受到了世界科技史专家的普遍赞誉。

苏颂出身于书香门第,世代为闽南望族。他幼承家教,勤于攻读,深通经史百家,学识渊博。1042年进士,先任地方官,后改任馆阁校勘、集贤校理等职9年,得以博览皇家藏书。

宋哲宗登位后,先任刑部尚书,后任吏部尚书,晚年入阁拜相。以制作水运仪象台和星图绘制闻名于世。

苏颂所研制的水运仪象台是一座高12米、宽7米,像三层楼房一样的巨型天文仪器。上层是观测天体的浑仪,中层是演示天象的浑象,下层是使浑仪、浑象随天体运动而报时的机械装置。

它兼有观测天体运行,演示天象变化,以及随天象推移而有木人自动敲钟、击鼓、摇铃,准确报时的功用。它不仅在国内取得了前无古人的成就,而且在许多方面为人类做出了贡献,使许多中外科技史专家为之叹服。

水运仪象台上层置有观测用的浑仪,通过“天运单环”与“枢轮”相连,使浑仪能随枢轮运转。这与现代天文台转仪钟控制天体望远镜随天体运动的原理是一样的。因此可以说,水运仪象台的这套装置是现代天文台跟踪机械转仪钟的远祖。

英国科技史家李约瑟对这一点给以高度评价:“苏颂把时钟机械和观察用浑仪结合起来,在原理上已经完全成功。”

水运仪象台顶部设有九块活动的屋板,雨雪时可以防止对仪器的侵蚀,观测时可以自由拆开。仪象台的活动屋顶是现代天文台圆顶的祖先。所以,苏颂又是世界上最早设计和使用天文台观测室自由启闭屋顶的人。

水运仪象台的原动轮叫枢轮,是一个直径11尺,由72根木辐,挟持着36个水斗和36个勾状铁拨子组成的水轮。枢轮顶部设有一组叫“天衡”、“天关”、“天权”、“左右天锁”的杠杆装置,枢轮靠铜壶滴漏的水推动。

当漏壶的水滴满一个枢轮水斗时,“枢权”失去平衡,“格叉”下倾,枢权扬起,轮边铁拨子拨开“关舌”,拉动“天衡”,“天关”上启,枢轮下转。由于“左右天锁”的擒纵抵拒作用,使枢轮只能转过一辐,依此循环往复,等时运转。天衡系统对枢轮杠杆的这种擒纵控制与现代钟表的关键机件锚状擒纵机构,具有基本上相同的作用。

李约瑟在深入研究了水运仪象台之后,曾改变了他过去的一些观点。他在《中国科学技术史》中说:“我们借此机会声明,我们以前关于‘钟表装置……完全是14世纪早期欧洲的发明’的说法是错误的。

使用轴叶擒纵器重力传动机械时钟是14世纪在欧洲发明的。可是,在中国许多世纪之前,就已有了装有另一种擒纵器的水力传动机械时钟。”

苏颂主持创制的水运仪象台是11世纪末我国杰出的天文仪器,也是世界上最古老的天文钟。

国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价,认为水运仪象台为了观测上的方便,设计了活动的屋顶,这是今天天文台活动圆顶的祖先;浑象一昼夜自转一圈,不仅形象地演示了天象的变化,也是现代天文台的跟踪器械—转仪钟的祖先;首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件,因此它又是钟表的祖先。

从水运仪象台可以反映出,我国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。

苏颂在水运仪象台完成后,又著成《新仪象法要》一书,将水运仪象台的总体和各部件绘图加以说明。

《新仪象法要》中绘制了有关天文仪器和机械传动的全图、分图、零件图50多幅,绘制机械零件150多种,其中多为透视图和示意图,这是我国也是世界上保存至今的最早最完整的机械图纸。

正是根据《新仪象法要》中的这些图纸,李约瑟等人才能较准确地复原出水运仪象台的全貌。例如从这些图纸和说明文字中可以知道,水运仪象台枢轮的运转规律是齿轮系从6个齿到600个齿的传动;每25秒落水一斗,每刻钟转一周,一昼夜转96周,而昼夜机轮、浑象、浑仪也转一周,这与地球运动是大致相应的。

通过这些图纸,我们知道水运仪象台第一层木阁内是昼夜钟鼓轮,有不等高的三层小立柱,可以拉动三个木人的拨子,以关拨作用拉动本人的手臂,到一刻钟时,木人出而击鼓,时初摇铃,时正敲钟。

而第二层木阁内是昼夜时初正轮,第三层木阁内是报刻司辰轮,第四层木阁内是夜漏金钲轮,第五层木阁内是夜漏司辰轮。要是没有这些珍贵的图纸,我们就难以弄清木阁内的机械木人是如何按时击鼓、摇铃和敲钟的。

苏颂在《新仪象法要》中还绘有14幅星图,它们是:浑象紫微垣星图、浑象东北方中外官星图、浑象西南方中外官星图、浑象北极星图、浑象南极星图、四时昏晓加临中星图、春分昏中星图、春分晓中星图、夏至昏中星图、夏至晓中星图、秋分昏中星图、秋分晓中星图、冬至昏中星图和冬至晓中星图。

在这14幅星图中,最有价值的是前五幅。其中“浑象东北方中外官星图”是从角宿到壁宿的星官,“浑象西南方中外官星图”是从奎宿到轸宿的星官,“浑象紫微垣星图”是以北斗七星为主的布列于浑象之北上规的183颗星,“浑象南极星图”和“浑象北极星图”则是以天球赤道为最外界大圆的南天星图和北天星图。

苏颂为了星图绘制精确,采取了圆横结合的画法。横图分成两段:东北方中外官星图是从秋分到春分,西南方中外官星图是从春分到秋分。

另外,在把球面上的星辰绘制到平面上时,苏颂发现了失真问题,于是他采用了把天球循赤道一分为二,再分别以北极和南极为中心画两个圆图的方法,从而减少了失真。

苏颂星图是历史上流传下来的全天星图中在国内保存最早的,就其所列星的数目而言,苏颂星图的贡献是星图绘制中的一项新成就。

苏颂在完成水运仪象台之后,又研制了一台单独的水力推动的浑天象。此仪象经数年制作而成,它的天球直径有一人高,结构可能为竹制,上糊绢纸。

球面上相应于天上星辰的位置处凿了一个个小孔,人在里面就能看到点点光亮,仿佛夜空中的星星一般。当悬坐球内扳动枢轴,使球体转动时,就可以形象地看到星宿的出没运行。

这是我国历史上第一架有明确记载的假天仪,它的创造性也是前无古人的。这种假天仪可说是近代天象仪的祖先。

继苏颂之后,元代天文学家郭守敬也制造过一台假天仪,他称之为玲珑仪,它在假天仪基础上又有新的发展。

在我国几千年文明史中,苏颂是能够在世界科学技术史上留下一笔的重要人物之一。他主持建造的水运仪象台,以及晚年间编写的《新仪象法要》,在人类科技史上具有里程碑的意义,代表了我国宋代高度发达的科学技术成就。

[旁注]

星图 也就是“星星的地图”。是将恒星或其他天体在天球上的视位置投影在平面上,以表示它们的方位、亮度和形态的图片或照片。星图是把夜空中持久的特征精确描述或绘制,例如恒星、恒星组成的星座、银河系、星云、星团和其他河外星系的绘图集。

转仪钟 能够补偿地球自转,使望远镜始终对准同一片天区的装置。20世纪以前的转仪钟,其动力靠链条式的重锤或发条提供,旋转速度靠离心调速器来控制。现在转仪钟的动力靠马达带动,速度由天文钟或无线电振荡器来控制。

擒纵机构 一种机械能量传递的开关装置。擒纵机构的功能可以从两方面理解:擒,将主传动的运动锁定,即擒住,此时,钟表的主传动链是锁定的;纵,就是以震荡系统的一部分势能,开启,即放开,主传动链运动,同时从主传动链中取回一定的能量以维持震荡系统的工作。

天文钟 一种特别设计的、能用多种形式来表达天体时空运行的仪器。天文钟既能表示天象,又能计时。它可以显示太阳、月亮、星座在该时刻的相对位置,有的更可显示主要行星的位置。

角宿 二十八宿之一,东方七宿第一宿。此星座是在春末夏初的日落后,出现在南方天空,是闪烁着银白色的光芒的星斗。因东方七宿包括十六个星座,三百余星宿组成似苍龙,角宿位于苍龙之首,主春生这权,为苍龙之角。

壁宿 指北方玄武七宿中的第七宿,属水,为獝。由两颗星组成,因其在室宿的东边,很像室宿的墙壁,又称东壁。唐代张说诗“东壁图书府,西园翰墨林”,形容壁宿是天上的图书库。

奎宿 为西方第一宿,有天之府库的意思,故奎宿多吉。二十八宿中西方白虎七宿之一,奎、娄、胃、昴、毕、参和觜中的奎。奎宿十六星,左右两半正如两髀的形状。《步天歌》中则把奎宿描述成:“腰细头尖似破鞋,一十六星绕鞋生。”

轸宿 古称“天车”。为南方第七宿,居朱雀之尾,鸟儿的尾巴是用来掌握方向的。古代称车箱底部后面的横木为“轸”,其部位与轸宿居朱雀之位相当,故此而得名。

全天星图 把全天所有的星及深空天体等,按照一定的规律绘制在纸上,称为全天星图。发现于敦煌藏经洞中的《全天星图》,又称《敦煌星图甲本》,是现存记载星数最多,有1359颗,也是最古老的一幅星图。

宋哲宗(1076年~1100年),名赵煦,原名佣,北宋第七位皇帝。在位15年。谥号“宪元继道显德定功钦文睿武齐圣昭孝皇帝”,庙号哲宗。葬于永泰陵。哲宗是北宋较有作为的皇帝,但由于没能很好地解决党争,反使矛盾激化激化,种下了北宋灭亡的远因。

铜壶滴漏 铜壶滴漏即漏壶,中国古代的自动化计时装置,又称刻漏或漏刻。这种计时装置最初只有两个壶,由上壶滴水到下面的受水壶,当受水壶水位升至满刻度时,浮子式阀门就会自动阻塞上级水壶的出水孔,切断水滴。

郭守敬(1231年~1316年),字若思。生于元朝顺德邢台,即今河北邢台。元朝的天文学家、数学家、水利专家和仪器制造专家。郭守敬修订的新历法《授时历》,是当时世界上最先进的一种精良的历法,通行360多年。

[阅读链接]

苏颂做中书舍人时,宋神宗批示李定任监察御史里行一职的词头送至中书省,苏颂等人一致认为李定资历不够,不宜擢拔。神宗态度坚决,数次批送中书省处理,苏颂不为所动,还在封还词头的奏书中,指出神宗是以言代法,甚为不当。

苏颂抗旨,神宗恼怒,终于免除了他的职务。但这一任命反反复复多达8次,双方僵持月余,最后以苏颂等三名舍人免职、神宗让步而告结束。苏颂因恪尽职守、不为身谋,被称为“三舍人之冠”。