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祖冲之设计制造的几种机械及其复原问题
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5 p( k5 u# B }& m9 x' X8 u张 柏 春
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2 A1 y3 K; N6 F1 |6 I) M' D3 w中国科学院自然科学史研究所
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+ x Z: L" J; d5 G5 [. y祖冲之(公元429-500年)在数学、天文历法方面有杰出的创造,在机械工程方面也很有建树,设计制造过指南车、水碓磨、木牛流马、千里船等。他的技术成就占有什么样的历史地位?我们真的能复原他的机械吗?
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0 L n9 X6 u" h% y3 S% {一、祖冲之的机械及其历史地位( g4 }9 Y; S4 I6 {8 f' N
& t9 N) h8 I. w5 @4 z" C0 {3 o1、文献记载的祖冲之机械* _9 L, ?+ T |7 I, W
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记载祖冲之设计制造机械的文献有《南齐书》和《南史》。2 I3 H2 K, K7 P/ D/ C
) t# k( T/ Q1 \/ U/ I* z南朝(梁)萧子显的《南齐书•祖冲之传》记载: * f. s" ]# ?. X& w
2 W) M+ U8 J' ?9 x“初,宋武平关中,得姚兴指南车,有外形而无机巧,每行,使人于内转之。昇明中,太祖辅政,使冲之追修古法。冲之改造铜机,圆转不穷,而司方如一,马钧以来未有也。时有北人索驭驎者,亦云能造指南车,太祖使与冲之各造,使于乐游苑对共校试,而颇有差僻,乃毁焚之。" e6 ~/ o' ]8 a: _ m2 _0 p$ R. O
1 A; J/ J, ]' B7 T……以诸葛亮有木牛流马,乃造一器,不因风水,施机自运,不劳人力。又造千里船,于新亭江试之,日行百余里。于乐游苑造水碓磨,世祖亲自临视”。[1]
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唐朝李延寿的《南史•祖冲之传》几乎重复了上文,但文字上有个别差异: t& A; b5 \1 M$ r1 E0 g) q- p+ ~
. `; ?8 K6 {( ~/ D/ ?3 w“……得姚兴指南车,有外形而无机抒,……高帝使与冲之各造,…… t/ V4 Y! F( X
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……于乐游苑内造水碓磨,武帝(公元483-493年在位)亲自临视。”[2]: n) f3 p7 i: N- |' \2 A
' D) |& @5 z7 N! b, X# t% ~" |引文中的“造”字的第一层含义是“设计”,第二层含义则是“制造”。参与制造“水碓磨”、“千里船”的可能还有一些工匠。, Z& ?: @, t+ U
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“昇明中,太祖辅政”指南朝刘宋昇明年间(公元477-479年),肃道成辅政。这期间,祖冲之成功地制造了带着“铜机”的指南车,而索驭驎却未制成指南车。显然,祖冲之不能从前代指南车那里继承任何传动机构。
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- n1 t, r% q a+ {9 n3 H4 T" m“千里船”显然是一种快船。“木牛流马”应当是一种运输机械。说它“不因风水,施机自运,不劳人力”,这并是不可信,因为这显然违背基本的科学原理。可见,古人的描述并不都是可靠的。
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) l/ F; b m; h- b( {2、祖冲之机械的历史地位
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祖冲之的技术成就在历史上占有什么样的地位呢?
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: x8 J9 i+ r P3 @# V指南车技术到三国时也已经亡失。三国曹魏人马钧再次制成指南车[3]。到了东晋末年,姚兴的指南车已经不能靠机械传动装置来自动指南了。因此,祖冲之造指南车及其“铜机”,是指南车的再发明。
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三国时期,诸葛亮“作木牛流马”,《诸葛亮集》、《三国志》对木牛流马的结构做了部分文字描述 [4][5]。我们无法知道祖冲之是否参考过诸葛亮的“木牛流马法”。不过,由于《诸葛亮集》、《三国志》中的技术描述的欠缺和不确定性,笔者认为,祖冲之所造木牛流马可能是一种新发明。
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仅凭“日行百里”这句简单的性能描述,我们难以判断“千里船”是哪种类型的船,其中含有哪些技术创造。
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西汉桓谭《桓子新论》、东汉服虔《通俗文》都记载了水碓 [6]。三国时期,马钧造水力“舂磨”模型 [7]。 祖冲之可能改进了旧式的水碓、水磨,提出了自己的设计。他的“水碓磨”在基本原理方面可能类似于马钧的“舂磨”,即同时用一个水轮驱动的碓和磨,或者是两个独立的水碓和水磨。; g. @7 A+ \- @. q
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二、复原问题& `3 R: {- G- J% q
. w% o- q5 s; c, t2 B5 w汉以后,指南车多次被试制。三国以后,几乎历代都有人醉心于木牛流马的制造。
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20世纪,这类机械的复原成了技术史研究的课题。在文献记载不够详实且无考古依据的情况下,国内外科技史界、机械工程界的专家和爱好者在指南车、木牛流马等机械的复原方面做了许多尝试。
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( c4 \( V: i" O+ a( \3 {关于指南车的传动机构,后人提出了多种推测。到80年代初,国外和国内学者已经提出近20种指南车传动机构推想图,主要可分为定轴轮系和差动轮系两大类,定轴轮系方案中有自动离合装置[8]。其中,对宋以前的指南车的机构复原都没有具体的史料依据。
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5 o- l1 u: Z0 D+ k5 i1 T《宋史》、《愧郯录》记述了宋朝燕肃指南车和吴德仁指南车的结构,为复原提供了具体的文献依据。然而,由于《宋史》、《愧郯录》的文字记载不够充分,且没有插图,后人在做传动机构复原时未能取得一致意见。为了弥补文献记载的缺憾,复原者做出了不同的机构推测[9]。其中,差动轮系方案与《宋史》、《愧郯录》的记载距离较远,在其它中国古文献中也找不到有关差动轮系的记载。
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* H& ], @. a; \木牛流马的复原吸引了一些学者和工程师。《诸葛亮集》对木牛流马的描述引起了多种猜测,其中“独轮车说”受到较多学者的认同[10]。但始终有人认为独轮车式的木牛流马都太简单了。于是,有的机械工程师发挥自己的专业特长,试图另找一条复原木牛流马的途径,设计出了模仿牛马行走的步行器 [11][12]。设计师证明了机械式步行器能够模仿牛马等四腿动物的行走,但人们难以证明它们之中的哪一个是诸葛亮的木牛流马。实际上,他们的“木牛流马”至少在技术方面尚未解决好负重行走等难题。有的设计还含有很复杂的、缺乏史料依据的机构,人们有理由怀疑古代是否有这样的技术能力。
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在复原古代技术时,我们应遵守科技史研究的基本学术规范 [13][14]。 机械专家都知道,功能相同的装置往往有不同的机构设计。也就是说,不同的机构设计往往都能满足同样的功能要求。不同的设计者,可以设计出机构不同的指南车、木牛流马、水碓、水磨、快船。在缺乏基本技术记载的情况下,后人提出的不同设计都是难以证实的推测,只是接近当时技术条件的设计较为可信。
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关于祖冲之的指南车、木牛流马、水碓磨、千里船,没有留下任何具体的结构记载。在机构设计存在多样性的情况下,我们不可能做出可以被证实的复原。那些采用复杂的差动轮系、渐开线齿轮的所谓“祖冲之指南车”更像是利用现代技术去“发明”一种新机械,而不是真正的复原。+ k& R! [2 g9 ~, b
+ f l }0 H' w7 t尽管祖冲之的指南车、木牛流马、千里船等机械装置成了难解之谜,但这并不等于贬低他的智慧和成就,也无损他在科技史上的地位。 |
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