“ 通過了解中國古代的科技成就，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，吸收國外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，為我們國家科學(xué)技術(shù)新的復(fù)興做貢獻(xiàn)。 ” 中國科學(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：古代中國人用什么仰望星空》
以下為趙洋演講實(shí)錄：
說天上的事之前，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，后來人民教育出版社辟謠：其實(shí)還有的，并不是說我們的專家否認(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。
在我工作的中國科技館，就有各種各樣國內(nèi)外專家復(fù)原的不同的地動(dòng)儀方案，陳列出來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)說明書。右圖就是當(dāng)代學(xué)者、中國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。
在古代，天文有多重要？
為什么從張衡以后，中國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)傳來消息，說不得了了，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：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。有來自西域的天文學(xué)家跟他說，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，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，耶律楚材連天上的事情都無所不知，更何況人間事，于是讓他參與了很多軍國大事。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，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。
（演講嘉賓趙洋 ：《從水運(yùn)儀象臺(tái)到簡(jiǎn)儀：古代中國人用什么仰望星空》）
水運(yùn)儀象臺(tái)：舉全國之力的大科學(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)。
先來說水運(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)國家工程，由當(dāng)時(shí)的宰相蘇頌主持建造，從全國各地邀請(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，這是一個(gè) 中國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，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)很多來自民間智慧。比如擒縱器，就來自中國傳統(tǒng)民間的灌溉工具——筒車，里面的齒輪齒條也來自于很多灌溉工具。所以說，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。
為什么說是大科學(xué)工程？造水運(yùn)儀象臺(tái)花了5萬貫錢，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2017年政府年度財(cái)政收入是17萬億人民幣，千分之一就是 170億人民幣 。咱們中國近些年來最大的天文工程，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。可以說，水運(yùn)儀象臺(tái)當(dāng)時(shí)真是舉全國之力。
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，北邊有遼國和西夏，南邊有大理，它不是一個(gè)大一統(tǒng)的國家，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彰顯自己的正統(tǒng)地位。
水運(yùn)儀象臺(tái)后來的命運(yùn)很凄慘，沒有實(shí)物流傳下來，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，所以無法使用。但金人很愛惜它，沒有把它扔掉。后來蒙古又南侵滅金，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，所以我們還能窺見它當(dāng)年的輝煌。
簡(jiǎn)儀：國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)公式來演算就好了。這樣一來，星體的測(cè)定精度大大提升。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》在中國沿用了360年，中國的藩屬國越南、朝鮮也都用《授時(shí)歷》，所以，郭守敬的貢獻(xiàn)非常大。
說起來，簡(jiǎn)儀并非中國古人單獨(dú)的發(fā)明，其實(shí)，它算得上是一個(gè)國際科技文明交流的產(chǎn)物。
為什么這么說？
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了。
所以說，簡(jiǎn)儀是一個(gè) 國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， 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，都是中古以來中國科學(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)來思考這個(gè)問題：我們通過了解中國古代的科技成就，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，吸收外來，面向未來，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，吸收國外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，為我們國家科學(xué)技術(shù)新的復(fù)興做貢獻(xiàn)。
（演講嘉賓趙洋：《從水運(yùn)儀象臺(tái)到簡(jiǎn)儀：古代中國人用什么仰望星空》）
小彩蛋
科學(xué)青年一定不陌生這首歌，"Our whole universe was in a hot dense state~" 在“我是科學(xué)家”嘉賓演講之前，果殼程序員阿潦帶來了精彩的吉他彈唱，《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）的主題曲。
《生活大爆炸》已經(jīng)陪伴了我們11年，除了Sheldon、Amy、Penny等主角，劇中還有一個(gè)不顯名的主角，就是科學(xué)本身?？茖W(xué)在本劇中無處不在，更是劇中人物們的摯愛。科學(xué)青年有意思，雖然有時(shí)會(huì)有點(diǎn)古怪， 但是——
“即使你是個(gè)怪胎，仍有我們?cè)谀闵磉??！?Our whole universe was in a hot dense state,
宇宙一度又燙又稠密
Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait...
140億年前終于爆了炸 等著瞧...
The Earth began to cool,
地球開始降溫
The autotrophs began to drool,
自養(yǎng)生物來起哄
Neanderthals developed tools,
穴居人發(fā)明工具
We built a wall (we built the pyramids),
我們建長城（我們建金字塔）
Math, science, history, unraveling the mysteries,
數(shù)學(xué) 自然科學(xué) 歷史 揭開神秘
That all started with the big bang!
一切由大爆炸開始
"Since the dawn of man" is really not that long,
其實(shí)人類歷史沒有多久
As every galaxy was formed in less time than it takes to sing this song.
星系形成時(shí)間比唱完這支歌還要短
A fraction of a second and the elements were made.
元素在微秒間便形成了
The bipeds stood up straight,
兩足動(dòng)物直立行走
The dinosaurs all met their fate,
恐龍都得認(rèn)命了
They tried to leap but they were late
想要突變 沒來得及
And they all died (they froze their asses off)
就死光光了（pp都凍成了化石）
The oceans and pangea
大洋和泛古陸
See ya, wouldn't wanna be ya
拜拜 才不想學(xué)你
Set in motion by the same big bang!
都是爆炸惹的禍
It all started with the big BANG!
一切從大爆炸開始
It's expanding ever outward but one day
宇宙向外膨脹 但有一天
It will cause the stars to go the other way,
星球會(huì)反方向運(yùn)動(dòng)
Collapsing ever inward, we won't be here, it wont be hurt
向內(nèi)坍塌 反正我們不在了 不會(huì)覺得疼
Our best and brightest figure that it'll make an even bigger bang!
我們美好光輝的形象將引發(fā)一場(chǎng)更大的爆炸
Australopithecus would really have been sick of us
南方古猿肯定不爽我們
Debating out while here they're catching deer (we're catching viruses)
在他們捉鹿時(shí)唧唧歪歪 （我們現(xiàn)在捉電腦病毒了）
Religion or astronomy, Encarta, Deuteronomy
宗教 天文 e百科 舊約申命記
It all started with the big bang!
一切從大爆炸開始
Music and mythology, Einstein and astrology
音樂 神化 愛因斯坦 占星術(shù)
It all started with the big bang!
一切從大爆炸開始
It all started with the big BANG!
一切從大爆炸開始
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