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一．计时学是科学发展的标志
F·培根最先提说:火药、指南针和造纸三大发明推进了欧洲历史的巨变,但他却不知道 这三大发明都属于中国人。后来不单弄清楚这三项是中国人的发明,又加上印刷术,号称“四 大发明”。 这四大发明对近现代中国人起了巨大的精神鼓舞作用。当然,现代世界文化是全 人类的共同创造, 尤其是近代科学并不出于中国。就算古代,外国也有不亚于四大发明的成 果,比如玻璃就是欧洲人的伟大发明,其重要性不言而喻。中国人讲本国古代的重大发明 , 意义首先在于鼓励国人改变落后,赶超先进,同时这当然也是科技史学的重要研究命题。
香港的著名钟表艺术大师矫大羽先生首倡五大发明之说,把钟表看作中国古代重大发 明之一。我对这一说法极为赞赏。事实是,中国古代曾占据世界计时技术冠军宝座千余年, 钟表实为我国最重大的发明。
科学技术并不是近代才有的,人类区别于其他动物,就在于拥有社会化的知识,古代的 科学技术虽比现在水平低得多,但却是现代科技的种子根苗。现代科技也在发展之中,后之 视今亦犹今之视昔。作为历史性的东西,古人的科技探索所需天才和勤奋以及其成果的价值, 与现代以至未来是平等的。若从开创之功而言,古人之作甚至是更重要的。
一切科学都把“时间”作为最重要的基本概念,以致到了不知不觉视而不见的地步。时 间计量的技术代表着总体科学技术的水平,所以, 钟表的发明要比另外那四大发明重要得 多。以往连中国一些著名学者都以为:中国古代没有精密的实验和计量, 说这是中国没产生 近代科学的先天原因。历史实际不是这样。
我本人于1979年在中国科技大学完成了一项实验—模拟沈括的刻漏, 结果惊人。原来 沈括的计时精度高达每日误差小于几秒的水平! 此后华同旭博士苦研六载, 终于从史学和 物理理论以及大量实验结果证明:从东汉的张衡到元代的郭守敬,至少一千年, 刻漏计时历 经几次重大改进,一直遥遥领先世界计时水平。1991年华同旭的书《中国漏刻》问世,被国 际学界视为科技史学重要进展。1997年7月,我的书《水运仪象志》[1]出版,对中国古代的 机械钟表发展史作了初步的综合研究。其核心内容是,对由已故英国学者李约瑟首次指出的 “唐宋发明擒纵器”问题作细致考证。对李约瑟的说法,国内外都曾有人持反对意见。古代 文献史料总是不够健全,加上李约瑟又有些误解, 未能作到人人信服。持赞同意见者亦尚未 能达成彻底认识。在这样的认识基础上,台湾和日本所作宋代水运仪象台的复原,就难说与 古相合了。弄不好,是降低或歪曲了古人成就。
二.唐宋擒纵器与自动计时器
三十年前,电子钟表还没普及,机械钟表是大众常用的计时器。机械钟表的核心部件是 摆和擒纵器,摆的特性是准确的周期性,要它精确,就要尽可能减轻它的负担—载荷及摩擦, 并不断地向它补充能量。钟表的指针以及带动指针的齿轮系统,由发条或重锤提供能量,而 其每步动作则由摆来控制,摆带着擒纵器, 每作一次往复,就让发条把齿轮推动一步,只放 一步,马上又卡住,等待摆的下一次往复。时间是连续进行的,要用数字表现时间,就得把时 间分割成等长的小段,这叫“时间单位”。从某一起点开始计时,就是计数时间单位之数。这 程序就是现代说的“模数变换”, 这是一切计量的通行程序,只不过原本是手动目测心计, 而在新技术中的模数变换是自动显示数字的。钟表的摆,以其精确的周期分割时间单位, 而 擒纵器则起发动计数系统的机键的作用。擒纵器有很多种,矫大羽的天仪飞轮就是最有名最 难做的一种。不管形式千变万化,只要是受物理周期控制去开启计数系统的机械,就可称之 为“擒纵器”,至少在机械钟表是这样。
大唐开元十三年(公元725年),在僧一行指导下,梁令瓒设计制造了历史上头一个用擒 纵器的时钟。他那时没有摆,他分割时间的办法是用北魏道士李兰发明的秤漏, 即令漏水注 入挂在秤上的水斗,用定位的秤砣把握时间。梁令瓒用了水车方案, 在转轮外周安一圈水斗, 用秤杆端头挑住水轮,漏水注入平正位置那个斗里,到水量够了,秤被压翻,转轮就走过一斗, 倒出一斗水,秤杆又截住下一个水斗从头注水。转轮又推动计数和声像显示系统,小木偶人 按刻打鼓,按时敲钟。这水轮—秤漏系统的秤就是“梁氏擒纵器”(图1)。
梁氏擒纵器的缺点是:秤杆头与斗轮接触点产生很严重的刮磨,不能耐久。于是乃有北 宋元祐三年(公元1089年)韩公廉的发明。韩公廉是受大臣苏颂指导,要他设计一个既能带 动青铜浑仪和天象球,又能打鼓敲钟示牌的巨型时钟, 这就是闻名世界的“水运仪象台”。 他做成的是一个十米多高的机器,核心驱动机构继承梁氏,是一架外径3.4米的大斗轮,有 36个水斗,各容水6公斤,每3分钟转过一斗,承载物成吨(图2)。秤杆头承重最大可达18 公斤,如无特别措置,刮擦力度就是此数,决无可能持久。韩公廉发明了“天衡关锁”系统, 加在梁氏秤的上面来解除刮擦。其设计是:只要秤杆微有动作,即启动一个扳机,开放一套冲 击装置砸落秤杆,使它提前脱离斗轮,便免了那要命的刮磨。同时开启天衡上的关锁,“纵” 放斗轮转过一斗,再把它“擒”住。这就是“韩氏擒纵器”。
水运仪象台运转了38年,最后被金兵掠往北京, 重新组装不成, 终致废毁。此后大约过 了三个世纪,欧洲人才造出有擒纵器的大机械钟,但尚无摆,其每日计时误差上千秒。而水运 仪象台自身日误差不超过一百秒,又因旁设多架精密刻漏校准, 正常报时误差小于20秒, 远远超过欧洲,直到惠根斯发明摆钟,而那已是六百年后的事。
苏颂后来当了一年宰相, 之后组织了水运仪象台的验收鉴定, 并为此撰写了一部书叫 《新仪象法要》,详细地描述了水运仪象台的构造。此书流传至今, 成为今人复原水运仪象 台的依据。令人困惑的是,书中偏偏对那最关键性的韩氏擒纵器的描述太过简略,这成了当 今复原工作的要害心病 ,不弄清楚它就莫想成功。若说苏颂的书没讲也不对,图3所示各部 件在书中的图里全有,只除了那个扳机是藏在兔头内没有画,但也从天条的别名“铁鹤膝” 暗示出来。今人对原图信息太不经心了! 我的史料考据工作就以此为契机展开,自信已在 理论上基本解决,只待有人出钱,动手实验并设计施工了。对这项中国古代最重大的发明, 精确的复原是迟早要作的事。志士仁人其有意乎?
三.韩氏擒纵器的动程分析
《水运仪象志》讨论了水运仪象台的擒纵机构,但只讲了结构方式,缺少对部件重量和力 作用的详密分析。因其涉及动程原理, 故为复原设计成败之关键。下文对此作进一步的补 充说明。结论涉及对李约瑟意见的评价,李约瑟的说法基本上是对的。
书中说:天关的作用是对枢轮启动施加阻尼延迟的作用,这是说反了。枢轮的转动惯量 很大,只怕它跟不上,不怕它过快。实际上,天关的作用应是分担枢衡的负荷。由于天条的扯 动不晚于格叉的下落,所以天关也早于它可能对枢轮起阻尼作用之前就提起来了。在格叉托 住枢轮接受注水的过程中,枢轮是紧靠住右天锁的,靠紧的力有两项,一是枢衡格叉,一是天 关。枢衡只承担相当小的重量, 而天关以其磬形长边内侧向右天锁方向施加压力,其大小略 可使一壶受水届满前的枢轮静止。这样,天关承重是枢衡的几倍,也就是说,在一壶注满时, 枢轮的全部转动力矩的大部份由天关抵着。
在受水届满格叉开始微降后,铁拨牙压动关舌,铁鹤膝被拉直,兔头落下冲击格叉。兔头 重量最佳值是能在冲击点上与枢权平衡的重量,这样就能在冲击完成的最初瞬刻把兔头的 动量全部转移给枢衡系统。如果冲击点力臂之长等于枢权力臂之长,则兔头重量即等于枢权 重量。
兔头的冲击瞬时速度不必很快, 慢了不过是格叉走得慢些, 还是会脱离枢轮水斗,况且 枢轮转动惯量很大,跟上慢走的格叉也难。故兔头应以小于重力加速度的过程下落。这意味 着天条的上截弹簧对兔头的作用是抵消部份重力,就是向上拉的力。只有此力是向上拉兔头 的,才能使兔头冲击格叉前后,通过上截弹簧拉动天衡。在枢轮静止受水时,天衡上悬挂天条 处所受向下拉的力是天条和兔头的总重量,故欲使天衡被扯动就必需使这点的向下拉力超 过这个重量。为此,兔头在冲击点的位置应该低于在它自由悬挂的平衡静止位置。弹簧的内 应力在这平衡静止位置上等于兔头重量,而在冲击点位置上大于兔头重量,那就有拉动天衡 的余力了。天关重量主要由天权来平衡,天条和兔头只占一小部份。天关的形状设计是考虑 它在下落时向枢轮接触点切入的方位,于是就成了磬的样子。若无格叉阻挡,兔头自由下冲 的最低位置与自由平衡静止位置的距离应比冲击点再向下一个大体相等的距离,而兔头上 冲的最高位则应等于或略高于兔头搁在铁鹤膝拐角上的位置。有这样的理解,弹簧的设计就 可以大致确定一个数值范围,再精细调节其它参量。
现在我们可以更细致一些描绘全动程了:
a.受水到6公斤就超过平衡,枢轮开始微动;b.受水壶下的壶的铁拨牙接触关舌, 再向 下移动约一毫米,天条即被拉直;c.兔头落下冲击格叉;d.格叉脱离受水壶, 同时天衡被拉 动,天关和左天锁提起来;e.枢轮从静止加速转动,越过一个大于一辐(10°)的转角,而兔头 则上冲越过铁鹤膝拐点,再回落到拐点上;f.左天锁和天关于是落回低位;g.枢轮被落回来 的左天锁截住;h.天关和枢衡合力把枢轮反压回转靠紧右天锁停下; 下一个动程从空壶受 水开始……。 左天锁截挡枢轮的位置由枢轮轴的齿轮与天柱齿轮的间隙空程决定,大约2 °?3°。左天锁之用只此一项,而这就是擒纵动作的“擒”。至于“纵”的动作,即枢轮启 动的条件,是天关的提起。枢衡只是定量权衡子系统,主控纵放时机。
由此我们可以说,天衡关锁系统确实是一套擒纵机构。李约瑟在这件事上所说的话没有 错,只是在结构细节和工作原理上缺少精确细致的理解。[2] 参 考 文 献 [1] 李志超 《水运仪象志》 中国科学技术大学出版社 1997年出版 [2] 李约瑟 《中国科学技术史·天文卷》 科学出版社, 1975年出版 347页 
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