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祖冲之设计制造的几种机械及其复原问题- k; K) c% v! h2 i
9 I m8 q2 p6 \; _! Q' z x张 柏 春" o5 N# E, L* R
& M( r# [! n" e$ r1 I中国科学院自然科学史研究所1 u9 b) M9 P0 N1 {% f( _
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! S9 e3 g, u/ P6 @) I5 B# f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?+ A- F! ~* J/ N 7 z8 b: K% d4 q* r2 i
4 ~( _3 M9 Y3 J3 g7 i% e. U7 o N/ L# p3 Y; l, V" T, M一、祖冲之的机械及其历史地位 . ?, P. z t8 n( Q" ~ 7 C0 B# ~% d0 }* i1、文献记载的祖冲之机械7 q& t# x$ h1 x4 C 2 v3 p J7 }$ V& w- O$ t, R6 C# V 记载祖冲之设计制造机械的文献有《南齐书》和《南史》。. I# k. g+ a% a0 V$ _- M* z
( |* j* n+ H7 i! _6 Q! Q南朝(梁)萧子显的《南齐书?祖冲之传》记载: / B+ I% _0 U/ ?% u D: _* M/ `+ k7 D& g6 `' S$ n( ^) i/ _ “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。6 x9 b# K" z x2 U" {
' S4 a. |; V/ u8 ~……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]$ V; q) K" B4 u0 V1 |( [( \" | ; ~2 n" c- W2 u, U$ ? 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:! E% w J$ F( Z9 C" E
" N. a/ N8 W/ p“……得姚兴指南车,有外形而无机抒,……高帝使与冲之各造,……" ?. g8 Q9 u8 g7 A% z1 X0 ?
$ _+ a+ _! c" u……于乐游苑内造水碓磨,武帝(公元483-493年在位)亲自临视。”[2] : D( i; t! O& }7 K6 c' D; j: V7 ~& U 8 I$ G- r& B, I& S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。9 ~4 n( q% d7 b3 M& Z' }$ C
/ s5 t, S5 |2 @9 L“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。) D+ r, ?8 q! K R5 U
& Q3 B* N$ |( V“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。 ' S7 _! `5 x6 N3 j! J + o& y1 { J6 M8 `0 T3 ] ( ~* `( C# ]/ N/ c2 g3 A$ p M3 h# O/ M# S, v 2、祖冲之机械的历史地位 . S, P0 g2 h4 f1 A 3 `2 s; l& n5 l/ {9 Q* B/ g祖冲之的技术成就在历史上占有什么样的地位呢?, |0 u% B- L; r , V% |! _1 H: i/ J 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。: @ ]3 e5 N$ J 4 B9 g& G( f& u" U- k2 O+ f* W 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。$ C+ a+ o% n4 m) z" ^: g
6 K6 }9 }: C1 `3 O6 b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。 9 y) L3 R, w& R2 }( y! ]: e3 @ 0 R0 }1 s- k: O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。2 {( {% x% {# U6 M
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+ Y, o; T; X5 |1 e/ X8 V二、复原问题# a* W0 _( R! }6 C+ P/ w+ r
/ U& Y7 W+ D+ d) [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。 / r+ L, A$ ]" F" ` 6 o$ A7 I# H% B" x- G20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。 , G+ G4 [$ f0 y8 M" h+ C8 ]( L7 y) _5 {6 [- q- T( m5 }) L2 G 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。* N/ o+ I8 Z3 M- @5 } & s+ O5 ]# M3 Z2 O 《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。* s# U3 X% p; r" t) i
6 [! O: D* k. Q$ }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。. ~9 G! H$ Z2 e) |! v
0 u5 y# d( u- }# l, J) u# ]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。. H0 k3 O' x0 f. c N2 ?, j+ a) J" v
1 q/ q, l# n' @- z7 W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。 V8 Q5 Y& L9 T% O' g7 h1 R5 @* |+ F O" Q, T7 K2 Z- Q& T) @# v 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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