从水运仪象台到简仪：古代中国人用什么仰望星空

通过了解中国古代的科技成就，我们要做到什么？并不是洋洋自得，躺在祖先的功劳簿上，而是要学习我们祖先的创新思维和创新方法，以一种包容的态度，海纳百川，吸收国外先进的科学技术，为我们国家科学技术新的复兴做贡献。本文来自微信公众号：我是科学家iScientist（ID：IamaScientist），作者：赵洋（”中国科学技术馆古代科技展览部副研究员）。

以下为赵洋演讲实录：

说天上的事之前，咱们先从地上的事开始做铺垫。

前阵子“地动仪”这个话题又火了。网友发现最新版的教科书怎么没有地动仪了，当然，后来人民教育出版社辟谣：其实还有的，并不是说我们的专家否认了张衡发明的地动仪或者否认了地动仪的科学功效等等。

在我工作的中国科技馆，就有各种各样国内外专家复原的不同的地动仪方案，陈列出来供观众自己判断哪个方案最好，最有可能测定出地震的方位。

张衡作为东汉时期伟大的科学家，他不仅关注地震怎么测定，他也关注很多天上的事情，比如说他研制了水运仪象，用水流的冲击作为动力，使浑天仪转动，精确地模拟天球上的各种现象，叫水运仪象。而且，这种天文仪器历朝历代不断有发展，到北宋时期发展到巅峰，就是水运仪象台。

图片说明：左图是流传千年的《新仪象法要》，由研制水运仪象台的古代科学家编撰，书里有图像有文字，相当于一本工程蓝图技术说明书。右图就是当代学者、中国历史博物馆的王振铎先生在上世纪50年代根据《新仪象法要》和其他古籍综合研究，用现代机械制图的方式呈现的水运仪象台内部结构。可以看到，最上面是一个浑仪，中间是一个浑象，所谓“仪象台”是一个台体，“水运”是指下面有水轮来驱动。

可以看出，地动仪和水运仪象台至少有两大不同：首先，一个测地一个测天，此外，流传的载体非常不一样，地动仪只有后汉书《张衡传》里区区196个字，所以各国学者从196个字里边开发出多种不同的复原方案，但水运仪象台不同，尽管原物已经灭失了，但它流传下来有非常丰富的图文载体，我们能比较精准地把它复制出来。

在古代，天文有多重要？

为什么从张衡以后，中国古人就不再研究地动仪，转而研究天文仪器了？因为天文学太重要了。

中国古代有一句话叫做“观象授时”，只有把星象的位置和它的运动规律精确地测定之后，才能把历法做得很准，老百姓根据政权颁布的历法指导自己的日常生活和农业生产。按照中国传统的宇宙观“天人合一”或者叫“天人交感”，一个政权要上应天时，受命于天，所以，如果天象有一点点变化，比如说有超新星或客星出现了，就要研究这客星出现在哪个星宿、哪个星座，应该怎么办等等。

在这里举两个例子。

一个发生在公元六世纪，距现在有1400多年，南北朝时期，当时南朝梁武帝还在南京。梁武帝虽然偏安江左，但是觉得自己是正统，很注意天象的观测和积累。有一天，官员报告有一个天象叫做“荧惑入南斗”。

 

“荧惑”就是我们现在说的火星。上面这张图就是我前些年在古观象台拍的火星大冲的场面，可以看到游客很高兴，兴致盎然地看火星。但古人看火星绝对没有这么放松的心情，因为荧惑，荧荧似火，红色在古代认为是刀兵的象征，不祥。

所以梁武帝很重视。当时流传一个歌谣叫“荧惑入南斗，天子下殿走”，他认为应该应这个天象，要下殿走。于是赶紧把靴子脱掉，绕着宫殿走了一圈。走完了之后没有什么事情发生。怎么回事呢？过了不久，边关传来消息，说不得了了，北朝北魏的最后一个皇帝投降了北边的蛮夷了，北朝灭亡了。梁武帝恍然大悟，很惭愧，讪讪地说：想不到我们竟然没有应了天象。

第二个例子发生在公元13世纪初。成吉思汗率蒙古大军西征的时候，他身边有很多谋士，包括天文学家。有来自西域的天文学家跟他说，大汗，今年5月有一次月食，您注意观看，看看能给我们什么警示。但是，他身边还有另一位来自中原的天文学家耶律楚材，他是契丹贵族的后裔，精通中原的天文学。耶律楚材说，不对，大汗，经过我推算，今年5月不会发生月食，明年的10月会发生月食。大汗就很感兴趣，那我们就等等看。

果然，到了当年5月没有发生月食，到了来年，也就是1221年的阴历10月，果然发生了月食。成吉思汗就说，耶律楚材连天上的事情都无所不知，更何况人间事，于是让他参与了很多军国大事。耶律楚材也慢慢向成吉思汗传输中原礼法，终成一代名相。

这些故事告诉我们，在中国古代，不但天文学家关心天象变化，执政者也很关心。当然，他们认为的“天人合一、天人交感”，用我们今天科学的眼光来看是一种迷信，但在当时，确实是通行的、大家深信不疑的一种宇宙观。

你可能会问：刚才那些历史故事离我们太远，古代天象离我们那么远，古代的天文仪器也不比现在先进，我们为什么要了解他们？

其实，我们走到今天，都是古人一点一滴积累的结果。套用牛顿的话说，我们是站在前人的肩膀上。我们如果不好好了解前人，我们也没法去面向未来。

水运仪象台：举全国之力的大科学装置

古代的天文仪器诞生于简陋的条件，其中，蕴含着很多创新思维和方法，能够为我们今天的科学活动提供启迪和启发。

先来说水运仪象台。

水运仪象台于1092年（北宋年间）落成。它是一个国家工程，由当时的宰相苏颂主持建造，从全国各地邀请了很多精通天文、历算、机械的儒士画图设计，具体工程由各地的能工巧匠（包括木匠、铜匠等）一起完成。所以说，这是一个中国古代比较罕见的儒士和工匠合二为一的一个工程技术的典范。

水运仪象台是一个台体，通高12米，底部是一个正方形，宽7米，分3层。最上层是浑仪（左上图，也叫浑天仪），你可以把它想象成一个没有镜片和镜头的望远镜，用一个窥管能精确地看到某颗星，圆环上密密麻麻刻着刻度，可以读数。中间一层是一个大圆球，叫浑象，类似于现在天文馆的天象演示。

古代也需要天象演示，白天看不见星星，晚上天气不好时也会看不见星空，如何知道哪颗星上中天？通过浑象。北宋的这个浑象上面密密麻麻刻着1400多颗恒星的位置，而且通过下面的水轮机构来驱动它，能够在24小时（一昼夜）缓缓地转一周，模拟星辰的东升西落，非常精准。下层既是一个驱动系统，也是一个报时系统，一层一层的木人，木人手里拿着牌子，木人手里敲钟、敲锣或敲铃铛，就像现在的报时钟表。

这是水运仪象台今人复原的内部结构，通过往里面注水，水满了之后“咔哒”一下，然后下一个空的水斗落下来，再注满水“咔哒”一下，不要小看这一咔哒一咔哒，它把均匀稳定的水流切分成一个一个等时的时间间隔，通过齿轮的咬合，可以把时间间隔缩得任意小，15分钟也可以，1分钟也可以。所以，这是世界上最早的擒纵器。

除了这些，水运仪象台是一个技术集成的典范。里面有如此多精巧的机构，其实很多来自民间智慧。比如擒纵器，就来自中国传统民间的灌溉工具——筒车，里面的齿轮齿条也来自于很多灌溉工具。所以说，这个水运仪象台不但是一个大科学工程，也是一个高度集成的工程。

为什么说是大科学工程？造水运仪象台花了5万贯钱，相当于北宋政府年度财政收入的千分之一。千分之一是什么概念？中华人民共和国2017年政府年度财政收入是17万亿人民币，千分之一就是170亿人民币。咱们中国近些年来最大的天文工程，就是在贵州的FAST，我查了一下它的造价是12亿人民币，投资强度相当于千分之零点零七。可以说，水运仪象台当时真是举全国之力。

那么，为什么要造这么一台精密的天文仪器？

首先，它体现了历代皇家和天文学家对于“天人和一、精确测定天象”的孜孜不倦的追求。另一方面，缘于北宋当时特殊的地缘政治环境，北边有辽国和西夏，南边有大理，它不是一个大一统的国家，但又要主张、宣扬自己的正统地位，所以要造这么一个上应于天的顶尖天文仪器来彰显自己的正统地位。

水运仪象台后来的命运很凄惨，没有实物流传下来，不然我们早去博物馆看它了，现在看到的都是复制品。金人南下时，有一个“靖康之耻”，攻破了北宋的国都汴梁（开封），不但掠走了皇帝，还把水运仪象台也搬到了燕京（北京）。从开封到北京辗转千里，水运仪象台里边的精巧机械结构损坏了不少，搬到燕京后就不能运转了。而且，这些天文仪器的轴都要指向北极星，从南方到北方，北极星的地平高度有了变化，所以无法使用。但金人很爱惜它，没有把它扔掉。后来蒙古又南侵灭金，水运仪象台在这场战火中毁灭。好在，有厚厚一本《新仪象法要》流传下来，所以我们还能窥见它当年的辉煌。

简仪：国际科技文化交流集大成的产物

讲完水运仪象台我们再讲一讲元代的一个天文重器——简仪。简仪之简，对比自浑仪之繁。

简仪的发明者和设计者郭守敬是个奇人。他生于乱世，既是金国人，也是汉族人。小的时候，祖父带他到河北邢台紫金山寻师访友，学的不是四书五经，而是天文、历法、水利这些，将来可以经世致用。

当时，在民间私习天文是要杀头的重罪，那还为什么敢学？因为当时国家治理已经内忧外患，所以他要学这个——“学成文武艺，货与帝王家。”后来他果然学成，忽必烈大汗征集天下贤士要重新修订历法，就把他召集起来了，修了北京的通惠河、积水潭，而且作为皇家天文台的台长司天监监正，造了一系列天文仪器，也制定了当时世界上最先进的历法《授时历》，当然，这都是后话。

郭守敬很早就对浑仪产生了兴趣。浑仪就是水运仪象台顶部的那个仪器，圈环套圈环，有很多支撑结构，很复杂。问题是：在观测特定星体时，有些圈环会遮挡视线，不便观测和读数，而且这么多圈环在一起，机械结构强度不行，同轴度和同心度也不行，还有变形也会影响观测精度。

郭守敬做了一个大胆的改进。他撤掉了不必要的圈环，保留了两组最重要的圈环：一个是测定赤道坐标（中国古代独有的赤道坐标）；一套是测地平坐标（比如东偏北或东偏南），靠这两组坐标就可以精确地测定星体的位置，而且它们两个还能互相换算。至于其他的，比如以前的白道环和黄道环，通过这两组坐标用数学公式来演算就好了。这样一来，星体的测定精度大大提升。他制定的星表流传了好几百年，制定的《授时历》是365.2425天，跟现在的公历一样，而且《授时历》在中国沿用了360年，中国的藩属国越南、朝鲜也都用《授时历》，所以，郭守敬的贡献非常大。

说起来，简仪并非中国古人单独的发明，其实，它算得上是一个国际科技文明交流的产物。

为什么这么说？

现代的学者研究发现，简仪上的百刻环的那个刻度，其实不是中国传统的365°，而是一个圆周分成360°，这是古代阿拉伯天文学的一个特征。当时，郭守敬把他手下的汉儿司天监、回回司天监和中外天文学家合在一起研究，所以不难想象，他可能会吸收并借鉴了域外天文学的好思路。

另一个线索是“一仪一效”，就是一个仪器一个功效。不像浑仪，像瑞士军刀一样有N多功能但哪个功能都用不好。两个功能就好了，用得非常好，这也是阿拉伯天文学的一个特征。

另外，简仪上还有个彩蛋。简仪上面铸造着四个一模一样的瑞兽，有羚羊的头，有鱼的身体和尾巴，这是什么？——可能在座的有1/12属于这个星座，十二宫中的摩羯座。为什么会有摩羯呢？因为这个简仪的铸造总工程师是来自尼泊尔的阿尼哥，是个佛教徒，而“摩羯”就是佛教中和天象有关的瑞兽，所以他把自己的宗教信仰融合在里面并造出来了。

所以说，简仪是一个国际科技文化交流集大成的产物。

简仪上面还有很多科技创新。比如，现在润滑的滚柱轴承，在简仪上面就已经出现了，领先西方好几百年。

后世科学史家总结简仪和水运仪象台的创新，认为它影响了后来欧洲的赤道天文学，它的机械结构也能够为现代望远镜的赤道装置所使用，至于水运仪象台，它简直就是现在一切机械钟表的鼻祖。可以说，这两个天文仪器的的确确做到了当时工艺水平和科学的极致。

从这张图中我们可以看到，有两个尖峰，分别出现在宋代和元代，也就是水运仪象台和简仪对应的年代，都是中古以来中国科学技术巅峰状态。

但是，很遗憾，从这个表里看，1500年以后，也就是明代以后，中国对世界科学的贡献率从57%降到了4%，而欧洲从40%多一下上升到了96%。中国人并不比其他民族的人愚蠢，但是我们祖先传给我们这么好的科学传统到最后没有被发扬光大。

所以，今人是否有义务来思考这个问题：我们通过了解中国古代的科技成就，要做到什么？

并不是洋洋自得，躺在祖先的功劳簿上，而是要不忘本来，吸收外来，面向未来，在大家所在的各行各业包括同学们，在自己的各个领域，能够学习古人，学习我们祖先的创新思维和创新方法，以一种包容的态度，海纳百川，吸收国外先进的科学技术，为我们国家科学技术新的复兴做贡献。

本文来自微信公众号：我是科学家iScientist（ID：IamaScientist），作者：赵洋（中国科学技术馆古代科技展览部副研究员）。