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作者: 張柏春 來源: 發布時間:2020-12-17 20:31:10
回望北宋科學重器 紀念蘇頌誕辰千年

   2020年12月10日是北宋科學家蘇頌誕辰1000年。江蘇省鎮江市政府與中國科學院自然科學史研究所主辦了“紀念蘇頌千年誕辰,弘揚科技創新精神”活動,江蘇省副省長馬秋林、鎮江市委書記馬明龍、鎮江市長徐曙海等領導以及來自中科院自然科學史研究所、中科院紫金山天文臺、清華大學、中國科技館、長春師范大學、長春中醫藥大學、上海遠東國際橋梁建設公司等單位的領導和專家出席紀念會議。同日,廈門市社會科學界聯合會主辦了“紀念蘇頌誕辰1000周年暨第九屆廈門(同安)蘇頌國際文化節”。

   中國是一個發明創造的國度。中國古代科學技術在宋代及其后的一個時期里達到高峰,這也是中世紀世界科學技術發展的高峰。宋代科技人才輩出,涌現出沈括、燕肅、蘇頌、畢升、韓公廉、李誡、秦九韶等杰出的科學家、工程師和巧匠。

   蘇頌(1020~1101年)生于同安縣(今福建廈門同安區),宋仁宗慶歷二年(1042年)和王安石同榜中進士,擔任過地方和中央政府的官員,做過吏部尚書和右宰相,在本草學、儀器制造和天文學等領域取得了非凡成就,晚年定居潤州(今江蘇鎮江)。他是載入史冊的名臣和科學家。元代脫脫等撰的《宋史》中有《蘇頌傳》,清代學者阮元將蘇頌及其科學活動列入《疇人傳》。

   在公元995年至1074年間,北宋先后制造了四架渾儀,分別安裝在汴京(今河南開封)的不同地方。1086年,朝廷指派蘇頌檢驗已有的渾儀。蘇頌做出鑒定之后,向朝廷建議添造一套水力驅動的演示儀器和渾儀。1087年,朝廷批準了這個建議,并指派蘇頌負責此事。其實,這項工作是有一定風險的:如果新儀器不優于原有儀器,那么蘇頌就不好向朝廷交代。

   蘇頌是水運儀象臺制造工程的領導者。作為吏部尚書,他慧眼識才,發現了精于數學和天文學的韓公廉,選派這位中下級官員負責設計制造天文儀器,并介紹了張衡、一行、梁令瓚、張思訓等人所造水運儀器的法式要點。就這樣,蘇頌提出了儀器的功能要求和工程的實施目標。

   韓公廉主持具體的設計制造工作。他首先進行測算,設計制作了關鍵裝置“機輪”的模型。從1088年開始,制作團隊先后制成小木樣和大木樣。1092年7月,這個團隊成功制造出水運儀象臺,即古代的大型科學裝置。

   蘇頌和韓公廉率領的團隊將漏刻、水輪、筒車、秤漏、桿系、齒輪傳動、凸輪傳動等多種技術整合在一起,實現了集成創新。整座裝置以一個非常精致的水輪同時驅動計時裝置、渾象和渾儀,這是一項重要的技術突破。最值得稱道的是,制作者們發明了“天衡”機構——“水輪—秤漏—桿系擒縱機構”,這是世界上有明確結構記載的最早的時鐘擒縱機構。

   蘇頌的另一項突出成就是編撰《新儀象法要》,其以幾十幅機械圖,全面描繪水運儀象臺的整體構造和零部件結構。這些圖是工業革命之前描繪一座機械裝置的最復雜的成套技術圖,與水運儀象臺一樣,在世界科技史上占有重要地位!缎聝x象法要》的圖說成為今人復原水運儀象臺的主要依據,全尺寸的水運儀象臺的成功復原也證明《新儀象法要》的內容詳實可靠。

   《新儀象法要》中的總體構造圖和零部件圖等是怎樣形成的?這是一個不可忽視的問題。書中的“運動儀象制度”圖相當于水運儀象臺的總體構造圖,充分展現出設計思想。此圖應該是整個儀器制成之后繪制的,理由是儀象臺的設計制造經歷了計算、機輪模型試制、小木樣試制、大木樣試制、實際儀器制作等幾個階段,而不是一步到位完成的。當然,有些零部件圖很可能是制作過程中形成的,有的圖暗示制作者曾比較過不同的設計方案。

   《宋史》和《疇人傳》的作者對蘇頌在科技史上的地位尚難作出恰當的具體考量,因為那時中國人對古代科技傳統的認識還比較模糊。20世紀初期,科學技術史研究在中國興起,蘇頌和韓公廉的科學業績受到了科學界和史學界的關注。

   天文學家朱文鑫在1935年出版的《天文學小史》中對水運儀象臺做了簡要描述,并且強調:“機械之制作甚精,后世鐘表之法,不能出其范圍。”此后,經過劉仙洲、李約瑟(Joseph Needham)、王振鐸、康布里奇(John H. Combridge)、韓云岑、土屋榮夫、陸敬嚴、李志超、林聰益等專家學者的研究及復原制作者們的實踐,人們已經比較充分地認識了水運儀象臺,尤其是它的擒縱機構。

   技術史學家劉仙洲主張:“我們應當根據現有的科學技術知識,實事求是地,依據充分的證據,把我國歷代勞動人民的發明創造分別的整理出來。有就是有,沒有就是沒有。早就是早,晚就是晚。”他在1953至1956年間率先撰文探討水運儀象臺的原動力、傳動機構和控制機構,實事求是地做了學理分析。1958年,王振鐸首先嘗試復原水運儀象臺,并制作出五分之一的模型。2011年,廈門市同安區蘇頌紀念園也有了一座按照1:1復原的水運儀象臺。

   李約瑟認為,機械時鐘的發明是整個科學技術史上最為重大的成就之一。他對水運儀象臺做了大量研究工作,與合作者撰寫了《天鐘機構:中世紀中國的偉大天文時鐘機構》(HEAVENLY CLOCKWORK:THE GREAT ASTRONOMICAL CLOCKS OF MEDIEVAL CHINA),此書由劍橋大學出版社在1960年出版。他在1965年出版的《中國科學技術史》(Science and Civilisation in China)的機械工程分冊里,用100多頁闡釋中國的水運儀象技術及相關問題。

   1956年,李約瑟與兩位合作者在《自然》雜志發表文章,明確指出“天衡”機構就是時鐘的擒縱機構,并強調水運儀象臺的時鐘機構在歷史上被埋沒了幾百年。他甚至進一步追溯中國時鐘的歷史,相信僧一行(張遂)和梁令瓚早在公元8世紀就創造了世界上最早的擒縱機構,其主要依據是史書稱他們的儀器上“各施輪軸,鉤鍵交錯,關鎖相持”。無論如何,水運儀象臺的“天衡”機構都是韓公廉等人的獨創設計。

   李約瑟及其合作者大膽推測:“這樣一來,中國天文鐘的傳統和后來歐洲中世紀機械鐘的祖先就有了更為密切的直接聯系(it thus appears that the Chinese tradition of astronomical clockwork was more nearly in the direct line of ancestry of the late medieval European mechanical clocks)。”幾年之后,他推斷:在中國人發明擒縱機構之后的6個世紀,至少可能存在由東向西的“激發性傳播(diffusion stimulus)”。不過,他對此所做的論證并非令人信服,因為很難找到可靠的論據。

   其實,中國和歐洲有不同的時鐘技術傳統。歐洲機械鐘需要一個擒縱機構,以便使得垂重或發條緩慢地驅動齒輪系,帶動指針轉動。水運儀象臺則以漏壺中穩定流出的水注入“受水壺”,驅動水輪轉動,擒縱機構的作用是讓水輪做相等間歇的轉動。

   在蘇頌誕辰千年之際,我們紀念這位科學“大匠”,賞析他領導創制的科學重器,可以從創新事跡中獲得深刻的思想啟示,從而更好地弘揚中華民族敢為人先的創新精神和精益求精的工匠精神,增強創新自信,為建成世界科技強國和社會主義現代化強國作出新的非凡貢獻。

   筆者撰寫此文,同時紀念科技史學家李約瑟誕辰120周年及劉仙洲誕辰130周年。當代科技史學者應當秉持“究天人之際,通古今之變,成一家之言”的光榮傳統,開創學術研究的新局面!

(作者系中科院自然科學史研究所所長)

《科學新聞》 (科學新聞2020年12月刊 縱橫)
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