江晓原:三件奇物的复制问题——古代科学仪器真能复制吗?

选择字号:   本文共阅读 21899 次 更新时间:2024-03-22 10:42

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江晓原 (进入专栏)  

中国历史文献中记载的古代科学仪器,往往给人神秘莫测、令人敬畏的感觉。这种感觉很容易引发现代人研究这些仪器的热情,而研究热情高涨的极致,就是试图将所研究的仪器复制出来。但是复制古代仪器,费钱费工不说,还有许多理论上的难题。


现今特别知名的中国古代科学仪器,主要有这样三件:


1.宋朝的“水运仪象台”:它被认为是集天体观测、天象演示、计时钟表、自动报时功能于一体的精密天文仪器,记载中说它能够以水为动力自动运行。


2.汉代张衡的“候风地动仪”:历史记载中说它可以报告——经常被误解为预报——远方的地震。


3.历代的指南车:一种相传是黄帝发明的神奇机械车辆,无论向任何方向行驶,车上的木人永远指着南方(与利用磁性的指南针无关)。


这三件奇物有不少共同点,比如,它们迄今都没有发现任何古代实物遗存,关于它们的功效、形制、结构等,都只见于古代文献中的记载。又如,它们都有多种现代复制品问世,而它们的复制者往往坚信只有自己的方案才是得到古人真意的。


此三件奇物的复制,又可以分成两种情形:


第一种情形是水运仪象台。由于有苏颂的《新仪象法要》一书传世,其中记载了水运仪象台的各种部件,有尺寸,有图形,这当然会使许多现代研究者热血沸腾,有不少人一头扎进去,为这件我们基本上可以相信确实是存在过的仪器呕心沥血。研究的最高表现,当然是要复制。现在北京的中国历史博物馆里就有一台1958年的复制品,此后国内和国外的复制品次第出现。


按照文献的记载,水运仪象台是一个高达12米左右的庞然大物,但1958年的复制品缩小为只是原记载尺度的五分之一。按照机械方面的一般情形,一个可以正常运行的机械装置,放大尺度之后,就未必能正常运行了,但是缩小尺度则通常不会有问题。然而,尽管学者们对宋代水运仪象台真的能够运行这一点深信不疑,但就是这个缩小的水运仪象台复制品,也不能实际运行,以至于被称为“仅供外观观赏的模型”。此后的复制尝试,也未见有报道能长期正常运行的——那种在里面装一个电动机的当然不在此列。


第二种情形是候风地动仪和指南车。这两件奇物没有水运仪象台那么幸运,关于内部结构和原理,只留下了片言只语的、可以有多种解释的原始记载,更没有像《新仪象法要》那样的工程说明书留下来。文献中只是记载了它们有怎样的外形和功能,但这丝毫阻挡不住研究者的热情。特别是指南车的复制,国内学者如王振铎、刘仙洲,国外学者包括英国、荷兰等国的,纷纷投入。如果说在水运仪象台的研究中,许多学者还喜欢沉浸在某个部件是不是近代机械钟表中的擒纵器之类的理论性探讨的话,那么对于候风地动仪和指南车的研究来说,学者们似乎更愿意“直奔主题”进入复制。关于这两件奇物的复制,已经各有多种方案和实物问世。


然而上述两种情形的复制,其实都有很难解决的理论问题或原则问题。


在复制水运仪象台的努力中,研究者们似乎谁也没有怀疑,这个仪器在古代是不是真的成功运行过?这里提出这个怀疑并不是想捣乱,而是因为在中国古代,天文仪器除了作为研究时使用的工具之外,还有一个更为重要的身份——礼器。这是一个悠久的传统,数千年来一直如此。比如,清朝的各种天文仪器,包括西方人作为礼品送给皇帝的天文演示仪器,都记载在《皇朝礼器图式》中。


礼器是什么?礼器是用来和上天沟通、向世人夸示的,或者说就是在政治巫术中使用的法器。所以宋朝的水运仪象台,就是中国历史上最宏大、最奢侈、最壮丽的一件礼器。这样的礼器,平日藏在深宫禁苑,并不需要运行,只有当某些盛大仪式举行时,才会需要它运行一会儿。因此,如果它不能长期有效运行,也并不妨碍它作为礼器的功能——在那些庄严肃穆的盛大仪式中,它只需在仪式进行过程中保持运行即可,而且在这种场合,也不会有人去验证它的运行是否精密准确。


因此,复制水运仪象台的成功标准,实际上是很难确定的。


在候风地动仪和指南车的复制中,问题更为深刻——严格地说,这已经无法称为“复制”了,因为谁也无法明确知道当初的结构和原理。不如将这种努力称为“研制”更为准确。比如,对于候风地动仪,至少有两种方案,机械结构完全不同;对于指南车,目前较成熟的至少有定轴轮系、差动轮系两条技术路径,而仅定轴轮系就有至少三种不同方案。这些方案都能达成同样的效果,但我们无法知道古人到底用了什么方案。


更何况上面说的礼器问题,在这里也同样存在。历代指南车一直都是皇家礼器,它是皇帝出行时的仪仗之一,所以外形都硕大而华丽。关于指南车的实际运行,《南齐书》卷五十二中记载了一个生动例子:宋武帝北伐攻灭后秦姚兴政权,缴获了一具指南车,只是徒具外形,内部机械已经失去,但是这样一件重要礼器,又是北伐的战利品(中国历史上极少有南方政权北伐胜利的),当然要加入皇帝出行时的仪仗行列以便向臣民夸示,结果每次皇帝出行时,只好“使人于内转之”——就是让人躲在车中操纵指南车上的木人,以保持它始终指向南方。这个例子,对于想象礼器在古代的运行,应该不无启发。


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本文责编:陈冬冬
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文章来源:本文转自科学外史.Ⅰ/江晓原著.—上海:上海人民出版社,2019,转载请注明原始出处,并遵守该处的版权规定。

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