关于水运仪象台和假天仪

北宋时代对天文仪器的制造非常重视。在苏颂造水运仪象台之前，宋政府至少已造了 4 架观测用的铜浑仪。除了大中祥符三年(1010)所造置于宫内龙图阁之外，其他至道元年(995)、皇■三年底(1052)和熙宁七年(1074) 所造的分别置于测验浑仪刻漏所、翰林天文院及太史局等天文机构内使用。既是不同机构所用，则以何者为准的问题就显得比较突出。早在宋神宗元丰四年(1081)就有人提出，应有人来详定(按，即鉴定)。当时还专门任命了一位天文学家欧阳发为详定浑仪官。欧阳发详定的结果是，这几架仪器都不行，应该重造。有记载说宋神宗也曾下诏命欧阳发再铸一套浑仪、刻漏和圭表。但嗣后未见下文，是否开铸和铸成，均无可考。几年之后神宗去世，哲宗登位，太皇太后高氏听政。元■元年(1086)又提出详定 3 架浑仪的事。这次的任务下给了苏颂。苏颂召集了许多政府内的天文学家，查阅了各种文书档案，再到各天文机构进行实地调查。这次鉴定的结果却是认为至道、皇■所造的 2 架“并堪行用”，否定了熙宁中所造的仪器，认为是“环、器怯簿，水跌低垫，难以行使”。

苏颂趁汇报鉴定结果之便，也提出了他的新建议。他指出，自汉代张衡以来直到本朝太平兴国年间的张思训都造过一种水运浑天仪。把这类演示用的仪器和观测用的铜浑仪配合起来，才能使天文仪器的妙用得到最大的发挥。因此，他提出了建造一架把铜浑仪和水运浑天仪合在一起的仪器

——水运仪象台。元■二年(1087)八月，此事得到朝廷的批准，就命苏颂组织一专门机构水运浑仪所，来从事仪器的制造。

先前，苏颂在他的吏部里访到一位守当官(部里的中下级吏员)韩公廉

善算，通天文学。苏颂将从张衡以来直到张思训的设计思想告诉了韩公廉。韩公廉认为运用数学知识是可以重新设计制造的。过了若干时日，韩公廉交出了《九章勾股测验浑天书》一卷，和一座木样机轮。自从朝廷批准了苏颂的报告后，苏颂即组织了一支包括行政和科研人员在内约 10 余人的队伍，其中韩公廉则是现代所谓的工程师。经过紧张的工作，在元■三年(1088) 五月造成全部仪器的小木样。经检验后，在这年的十二月又造成大木样。朝廷命将大木样置于宫内集英殿。同时又任命翰林学士许将鉴定。许将率领水运浑仪所中的天文工作者周日严、苗景等，昼夜测验了 3 个多月，认为与实际天象相合，朝廷遂命以铜来制造正式的仪器。并因宋朝自谓得五行中的火德，故将水运浑仪改名为元■浑天仪象。铜器在元■七年(1092) 六月完成，此仪就立在元■浑天仪象所。因这仪器是一座 3 丈多的高台，台上又合有浑仪与浑象两种仪器，故又名为合台。仪成之前两个月，曾有诏命苏颂撰写一篇《浑天仪象铭》；苏颂又把这台仪器画成图形，写成书献上，这就是著名的《新仪象法要》。仪成后两天即有诏命“三省、枢密院(三省是宋皇朝三个最高政务机构门下省、中书省、尚书省，枢密院则是最高军务机构)官阅之”。

关于这台仪器的结构，先有英国李约瑟作过一些研究和探讨，发现它的水运机构中有类似今日机械钟表中所谓锚状擒纵器的部件，因而提出以苏颂仪器为代表的中国水运仪象乃是世界机械钟表的祖先的论断。其后我国科技史家王振铎通过全面的研究，对此仪器进行了完整的复原(原大的 1

／5)，并恢复了苏颂原来给这台仪器所定的名称——水运仪象台。复原模型现陈列在北京中国历史博物馆。

根据王振铎的研究，这台仪器总高 35.65 尺(合 12 米弱)，宽 21 尺，全台是一座正方台锥形上狭下广的木构建筑，上下分成三个层面。顶上层放置观测用的浑仪，其结构和一般浑仪大体相同。在十字形底座上立起 4 根龙柱，上托一层固定不动的六合仪，包括地平环、赤道环和子午双环，它们是固结在一起的。里面套一层可以转动的三辰仪，包括赤经双环、赤道环和黄道双环，赤经双环用旋转轴套套在外面子午双环相当于南北极的地方。最里面是一对四■双环夹持着一根望筒。四■双环也用旋转轴套在南北极里，望筒则可以在四■双环内绕中心转动。转动四■双环，可以使双环

图 1 水运仪象台复原透视图

①浑仪②鳌云、圭表③天柱④浑象、地柜⑤昼夜机轮⑥柜轮⑦天衡、天锁⑧平水壶⑨天池⑩河车、天河、升水上轮(复原人王振铎)

中央大圆对向天空任意一条赤经圈，转动望筒，可使它对向这条赤经圈上的任何一点。从四■双环上可读出望筒所指向的天体的去极度，从三辰仪中的赤道环上可以读出四■双环所朝向的，亦即望筒所对天体的赤道度数，同样，从三辰仪的黄道环上可读出它们的黄道度数。这座浑仪所独创的是，在三辰仪的南端装了一个与赤道平行的、较小的圆环，叫做天运环。环上有齿有一条天柱把它与动力机构相连。通过这套系统使三辰仪可以自动运转，以便使黄道环等和天上的黄道位置相适应。因为实际的天球和黄道等都在作周日转动。在过去，没有这套系统的情况下，每次观测，都要随时移动三辰仪，以使仪器对准正确的位置。但越是匆忙移动，就越是难以对准精确，天运环的发明大大降低了这方面的误差。而且，当望筒对准

天体之后，只要把四■双环和三辰仪固结起来，就可以使望筒始终对准这个天体。这就好像近代望远镜中的转仪钟结构一样。在欧洲，转仪钟的设想提出于 1670 年，第一具实用装置建成于 1824 年。

中层南面有密室，置浑象。浑象设在一个扁的方木柜里，浑象的天球半露在柜外，柜面就相当于地平。浑象也有齿轮传动系统和动力机构相连，由此也可以自动旋转，表现出浑象上各个天体在一天中东升西落，作周日旋转的景象。

下层南面是报时机构，共分 5 层。自上起第一层为音响报时辰机构。按古代时辰制度，每到时初左门有木人摇铃；每到时正右门有木人扣钟；从夜半子正起，每过 1 刻，中门有木人敲鼓。第二层只正中一门，每到时

初和时正分别有木人执时辰牌在门口显示。第三层也只正中一门，每过 1 刻也有木人至门口执牌显示。

第四层、第五层是按照北宋皇宫中夜间的更筹时刻制度而设计的。第四层是以声响报时的。每天日入、昏(日入后 2 刻半)、五更(从昏到待旦共分 5 更)、待旦(晓前 10 刻，或日出前 12 刻半)、晓(日出前 2 刻半)、日出

这 9 个时刻就有木人在门口击钲；第五层是字牌显示，每到上述 9 个时刻

之一，或每更中的 1 筹(每更又分 5 筹)时均有木人抱牌到门口显示。

这 5 层报时装置的背后当然都有巧妙的机轮构造控制。但是这些构造都隐蔽在一层层木阁后面。外面的人只能看见木人打击音响器或抱牌站立，而 5 层本阁就好像木塔一样。

下层的北面是全仪的心脏部分。它由打水机构、铜壶滴漏、动力枢轮及其控制机构等部分组成。铜壶滴漏是一个二级漏壶。水从第一级天池滴往平水壶，再由平水壶滴入枢轮边缘的水斗里。水斗贮水到一定程度即能冲破控制机构的控制，使整个枢轮转动起来；但又由于控制机构的控制，使这个水斗转过去之后再来一个空水斗时又被控制住而不再运动，这样，枢轮的运动就变为间歇的。枢轮边缘一周共 36 个水斗，均匀分布。只要平水壶中流出的水速是均匀的，则枢轮就会作均匀间歇运动。

控制机构在苏颂书中称之为天衡，它是由左天锁、右天锁、天条、天权、枢衡、枢权、天关等一系列部件构成。枢轮边缘的水斗向外还附有铁拨牙，有一个拨牙就托在枢衡另一头伸出的格叉上。左、右天锁使枢轮锁住。格叉托着的水斗则受水。水到一定重量，格叉下沉，拉动天条，因杠杆作用使左天锁上升，枢轮即可通过。到下一个水斗又搁在格叉上时，左天锁又复下沉，挡住枢轮。天权则是起调整作用，免使左天锁升不起来或沉不下去。这样的机构的确和锚状擒纵器的功用一样，而左、右天锁的形制也颇有擒纵锚的意味。

苏颂等造完这件巨大的仪器之后，并未散伙。原来翰林学士许将又给朝廷上奏说，元■浑天仪象，实际是仪、象两件东西合在一台仪器中，莫不如造一台仪器，兼有仪和象的功用。这正是出了一道大难题，因仪和象，一是观测器，一是演示器，实在难以合一。而朝廷居然准奏，并交给苏颂建造。史籍记载道：“颂因其家藏小样而悟于心。令公廉布算。数年而器成。”这则史料中还记载了它的大体结构：“大如人体。人居其中，有如笼象。因星凿窍如星，以备激轮旋转之势，中星、昏、晚(王振铎指出，此应为“晓”字)，应时皆见于窍中。”并说：“星官历翁聚观骇叹，盖古未尝有也。”据推测苏颂造这件仪器是在元■四年到元■七年间(1089—

1092)。

根据这段今仅见于《玉海》的珍贵史料，王振铎在 1959 年作了复原模型，陈列在中国历史博物馆，1962 年他发表了研究报告。他指出，这是中国也是世界最早的一具假天仪。根据他的研究，苏颂、韩公廉所造的是一具大如人体的天球仪。天球用竹条为骨架，外糊纸。在纸面上按星星的位置凿了一个一个孔。人由球南端开的口中进入球内，就可以看到满天星斗。在球的转动轴上挂有座椅，供观者乘坐；转动轴上还装有手轮，可用以转动仪器作较快的旋转，以使观者立刻可以得到星星东升西落的印象。

苏颂、韩公廉等人造的水运仪象台和假天仪，其中许多技术比国外领先了 400—600 年。可是，政治上的变动也影响到这些仪器的命运。元■八年，太皇太后高氏去世，哲宗开始亲政。次年改年号为绍圣元年(1094)，起用新党章■为相，贬逐高氏所用旧党。新党中有人说，苏颁等人的仪器是元■年间所造，应当毁掉。幸有中书舍人林希找了章■疏通，章■看了这些仪器，认为的确精美卓越，就没有毁去。但其后这些仪器的维修保养等等肯定是很困难的了。又过 20 多年，金兵攻入开封，苏颂的这些仪器和北宋皇朝的图籍宝器都被搬到了燕京，据《金史·历志》记载，苏颂仪器中的许多部件“久皆弃毁，惟铜浑仪置之太史局候台”。这里所说的：“久皆弃毁”当然主要是指从开封拆下后运至燕京等候发落的漫长过程，但其实际损毁过程恐怕还是从绍圣年间开始的。■

图 3 假天仪复原图(复原人王振铎)

①基座，②枢轴，③球体，④天经双环，⑤地纬单环，⑥把手，⑦椅，

⑧吊环，⑨跳板。