說天上的事之前，咱們先從地上的事開始做鋪墊。
前陣子“地動儀”這個話題又火了。網友發現最新版的教科書怎麼沒有地動儀了，當然，後來人民教育出版社闢謠：其實還有的，並不是說我們的專家否認了張衡發明的地動儀或者否認了地動儀的科學功效等等。
在我工作的中國科技館，就有各種各樣國內外專家復原的不同的地動儀方案，陳列出來供觀眾自己判斷哪個方案最好，最有可能測定出地震的方位。
張衡作為東漢時期偉大的科學家，他不僅關注地震怎麼測定，他也關注很多天上的事情，比如說他研製了水運儀象，用水流的衝擊作為動力，使渾天儀轉動，精確地模擬天球上的各種現象，叫水運儀象。而且，這種天文儀器歷朝歷代不斷有發展，到北宋時期發展到巔峰，就是水運儀象臺。
圖片說明：左圖是流傳千年的《新儀象法要》，由研製水運儀象臺的古代科學家編撰，書裡有圖像有文字，相當於一本工程藍圖技術說明書。右圖就是當代學者、中國歷史博物館的王振鐸先生在上世紀50年代根據《新儀象法要》和其他古籍綜合研究，用現代機械製圖的方式呈現的水運儀象臺內部結構。可以看到，最上面是一個渾儀，中間是一個渾象，所謂“儀象臺”是一個臺體，“水運”是指下面有水輪來驅動。
可以看出，地動儀和水運儀象臺至少有兩大不同：首先，一個測地一個測天，此外，流傳的載體非常不一樣，地動儀只有後漢書《張衡傳》裡區區196個字，所以各國學者從196個字裡邊開發出多種不同的復原方案，但水運儀象臺不同，儘管原物已經滅失了，但它流傳下來有非常豐富的圖文載體，我們能比較精準地把它複製出來。
在古代，天文有多重要？
為什麼從張衡以後，中國古人就不再研究地動儀，轉而研究天文儀器了？因為天文學太重要了。
中國古代有一句話叫做“觀象授時”，只有把星象的位置和它的運動規律精確地測定之後，才能把曆法做得很準，老百姓根據政權頒佈的歷法指導自己的日常生活和農業生產。按照中國傳統的宇宙觀“天人合一”或者叫“天人交感”，一個政權要上應天時，受命於天，所以，如果天象有一點點變化，比如說有超新星或客星出現了，就要研究這客星出現在哪個星宿、哪個星座，應該怎麼辦等等。
在這裡舉兩個例子。
一個發生在公元六世紀，距現在有1400多年，南北朝時期，當時南朝梁武帝還在南京。梁武帝雖然偏安江左，但是覺得自己是正統，很注意天象的觀測和積累。有一天，官員報告有一個天象叫做“熒惑入南鬥”。
“熒惑”就是我們現在說的火星。左邊這張圖就是我前些年在古觀象臺拍的火星大沖的場面，可以看到遊客很高興，興致盎然地看火星。但古人看火星絕對沒有這麼放鬆的心情，因為熒惑，熒熒似火，紅色在古代認為是刀兵的象徵，不祥。
所以梁武帝很重視。當時流傳一個歌謠叫“熒惑入南鬥，天子下殿走”，他認為應該應這個天象，要下殿走。於是趕緊把靴子脫掉，繞著宮殿走了一圈。走完了之後沒有什麼事情發生。怎麼回事呢？過了不久，邊關傳來消息，說不得了了，北朝北魏的最後一個皇帝投降了北邊的蠻夷了，北朝滅亡了。梁武帝恍然大悟，很慚愧，訕訕地說：想不到我們竟然沒有應了天象。
第二個例子發生在公元13世紀初。成吉思汗率蒙古大軍西征的時候，他身邊有很多謀士，包括天文學家。有來自西域的天文學家跟他說，大汗，今年5月有一次月食，您注意觀看，看看能給我們什麼警示。但是，他身邊還有另一位來自中原的天文學家耶律楚材，他是契丹貴族的後裔，精通中原的天文學。耶律楚材說，不對，大汗，經過我推算，今年5月不會發生月食，明年的10月會發生月食。大汗就很感興趣，那我們就等等看。
果然，到了當年5月沒有發生月食，到了來年，也就是1221年的陰曆10月，果然發生了月食。成吉思汗就說，耶律楚材連天上的事情都無所不知，更何況人間事，於是讓他參與了很多軍國大事。耶律楚材也慢慢向成吉思汗傳輸中原禮法，終成一代名相。
這些故事告訴我們，在中國古代，不但天文學家關心天象變化，執政者也很關心。當然，他們認為的“天人合一、天人交感”，用我們今天科學的眼光來看是一種迷信，但在當時，確實是通行的、大家深信不疑的一種宇宙觀。
你可能會問：剛才那些歷史故事離我們太遠，古代天象離我們那麼遠，古代的天文儀器也不比現在先進，我們為什麼要了解他們？
其實，我們走到今天，都是古人一點一滴積累的結果。套用牛頓的話說，我們是站在前人的肩膀上。我們如果不好好了解前人，我們也沒法去面向未來。
演講嘉賓趙洋：《從水運儀象臺到簡儀：古代中國人用什麼仰望星空》
水運儀象臺：舉全國之力的大科學裝置
古代的天文儀器誕生於簡陋的條件，其中，蘊含著很多創新思維和方法，能夠為我們今天的科學活動提供啟迪和啟發。
先來說水運儀象臺。
水運儀象臺於1092年（北宋年間）落成。它是一個國家工程，由當時的宰相蘇頌主持建造，從全國各地邀請了很多精通天文、歷算、機械的儒士畫圖設計，具體工程由各地的能工巧匠（包括木匠、銅匠等）一起完成。所以說，這是一箇中國古代比較罕見的儒士和工匠合二為一的一個工程技術的典範。
水運儀象臺。
水運儀象臺是一個臺體，通高12米，底部是一個正方形，寬7米，分3層。最上層是渾儀（左上圖，也叫渾天儀），你可以把它想象成一個沒有鏡片和鏡頭的望遠鏡，用一個窺管能精確地看到某顆星，圓環上密密麻麻刻著刻度，可以讀數。中間一層是一個大圓球，叫渾象，類似於現在天文館的天象演示。
古代也需要天象演示，白天看不見星星，晚上天氣不好時也會看不見星空，如何知道哪顆星上中天？通過渾象。北宋的這個渾象上面密密麻麻刻著1400多顆恆星的位置，而且通過下面的水輪機構來驅動它，能夠在24小時（一晝夜）緩緩地轉一週，模擬星辰的東昇西落，非常精準。下層既是一個驅動系統，也是一個報時系統，一層一層的木人，木人手裡拿著牌子，木人手裡敲鐘、敲鑼或敲鈴鐺，就像現在的報時鐘表。
水運儀象臺今人復原的內部結構。
這是水運儀象臺今人復原的內部結構，通過往裡面注水，水滿了之後“咔噠”一下，然後下一個空的水斗落下來，再注滿水“咔噠”一下，不要小看這一咔噠一咔噠，它把均勻穩定的水流切分成一個一個等時的時間間隔，通過齒輪的咬合，可以把時間間隔縮得任意小，15分鐘也可以，1分鐘也可以。所以，這是世界上最早的擒縱器。
除了這些，水運儀象臺是一個技術集成的典範。裡面有如此多精巧的機構，其實很多來自民間智慧。比如擒縱器，就來自中國傳統民間的灌溉工具——筒車，裡面的齒輪齒條也來自於很多灌溉工具。所以說，這個水運儀象臺不但是一個大科學工程，也是一個高度集成的工程。
為什麼說是大科學工程？造水運儀象臺花了5萬貫錢，相當於北宋政府年度財政收入的千分之一。千分之一是什麼概念？中華人民共和國2017年政府年度財政收入是17萬億人民幣，千分之一就是170億人民幣。咱們中國近些年來最大的天文工程，就是在貴州的FAST，我查了一下它的造價是12億人民幣，投資強度相當於千分之零點零七。可以說，水運儀象臺當時真是舉全國之力。
那麼，為什麼要造這麼一臺精密的天文儀器？
首先，它體現了歷代皇家和天文學家對於“天人和一、精確測定天象”的孜孜不倦的追求。另一方面，緣於北宋當時特殊的地緣政治環境，北邊有遼國和西夏，南邊有大理，它不是一個大一統的國家，但又要主張、宣揚自己的正統地位，所以要造這麼一個上應於天的頂尖天文儀器來彰顯自己的正統地位。
水運儀象臺後來的命運很悽慘，沒有實物流傳下來，不然我們早去博物館看它了，現在看到的都是複製品。金人南下時，有一個“靖康之恥”，攻破了北宋的國都汴梁（開封），不但掠走了皇帝，還把水運儀象臺也搬到了燕京（北京）。從開封到北京輾轉千里，水運儀象臺裡邊的精巧機械結構損壞了不少，搬到燕京後就不能運轉了。而且，這些天文儀器的軸都要指向北極星，從南方到北方，北極星的地平高度有了變化，所以無法使用。但金人很愛惜它，沒有把它扔掉。後來蒙古又南侵滅金，水運儀象臺在這場戰火中毀滅。好在，有厚厚一本《新儀象法要》流傳下來，所以我們還能窺見它當年的輝煌。
簡儀：國際科技文化交流集大成的產物
講完水運儀象臺我們再講一講元代的一個天文重器——簡儀。簡儀之簡，對比自渾儀之繁。
簡儀的發明者和設計者郭守敬是個奇人。他生於亂世，既是金國人，也是漢族人。小的時候，祖父帶他到河北邢臺紫金山尋師訪友，學的不是四書五經，而是天文、曆法、水利這些，將來可以經世致用。當時，在民間私習天文是要殺頭的重罪，那還為什麼敢學？因為當時國家治理已經內憂外患，所以他要學這個，“學成文武藝，貨與帝王家”。後來他果然學成，忽必烈大汗徵集天下賢士要重新修訂曆法，就把他召集起來了，修了北京的通惠河、積水潭，而且作為皇家天文臺的臺長司天監監正，造了一系列天文儀器，也制定了當時世界上最先進的歷法《授時歷》，當然，這都是後話。
郭守敬很早就對渾儀產生了興趣。渾儀就是水運儀象臺頂部的那個儀器，圈環套圈環，有很多支撐結構，很複雜。問題是：在觀測特定星體時，有些圈環會遮擋視線，不便觀測和讀數，而且這麼多圈環在一起，機械結構強度不行，同軸度和同心度也不行，還有變形也會影響觀測精度。
郭守敬做了一個大膽的改進。他撤掉了不必要的圈環，保留了兩組最重要的圈環：一個是測定赤道座標（中國古代獨有的赤道座標）；一套是測地平座標（比如東偏北或東偏南），靠這兩組座標就可以精確地測定星體的位置，而且它們兩個還能互相換算。至於其他的，比如以前的白道環和黃道環，通過這兩組座標用數學公式來演算就好了。這樣一來，星體的測定精度提升。他制定的星表流傳了好幾百年，制定的《授時歷》是365.2425天，跟現在的公曆一樣，而且《授時歷》在中國沿用了360年，中國的藩屬國越南也都用《授時歷》，所以，郭守敬的貢獻非常大。
說起來，簡儀並非中國古人單獨的發明，其實，它算得上是一個國際科技文明交流的產物。
為什麼這麼說？
現代的學者研究發現，簡儀上的百刻環的那個刻度，其實不是中國傳統的365°，而是一個圓周分成360°，這是古代阿拉伯天文學的一個特徵。當時，郭守敬把他手下的漢兒司天監、回回司天監和中外天文學家合在一起研究，所以不難想象，他可能會吸收並借鑑了域外天文學的好思路。
另一個線索是“一儀一效”，就是一個儀器一個功效。不像渾儀，像瑞士軍刀一樣有N多功能但哪個功能都用不好。兩個功能就好了，用得非常好，這也是阿拉伯天文學的一個特徵。
另外，簡儀上還有個彩蛋。簡儀上面鑄造著四個一模一樣的瑞獸，有羚羊的頭，有魚的身體和尾巴，這是什麼？——可能在座的有1/12屬於這個星座，十二宮中的摩羯座。為什麼會有摩羯呢？因為這個簡儀的鑄造總工程師是來自尼泊爾的阿尼哥，是個佛教徒，而“摩羯”就是佛教中和天象有關的瑞獸，所以他把自己的宗教信仰融合在裡面並造出來了。
所以說，簡儀是一個國際科技文化交流集大成的產物。
簡儀上面還有很多科技創新。比如，現在潤滑的滾柱軸承，在簡儀上面就已經出現了，領先西方好幾百年。
後世科學史家總結簡儀和水運儀象臺的創新，認為它影響了後來歐洲的赤道天文學，它的機械結構也能夠為現代望遠鏡的赤道裝置所使用，至於水運儀象臺，它簡直就是現在一切機械鐘錶的鼻祖。可以說，這兩個天文儀器的的確確做到了當時工藝水平和科學的極致。
從這張圖中我們可以看到，有兩個尖峰，分別出現在宋代和元代，也就是水運儀象臺和簡儀對應的年代，都是中古以來中國科學技術巔峰狀態。
但是，很遺憾，從這個表裡看，1500年以後，也就是明代以後，中國對世界科學的貢獻率從57%降到了4%，而歐洲從40%多一下上升到了96%。中國人並不比其他民族的人愚蠢，但是我們祖先傳給我們這麼好的科學傳統到最後沒有被髮揚光大。
所以，今人是否有義務來思考這個問題：我們通過了解中國古代的科技成就，要做到什麼？
並不是洋洋自得，躺在祖先的功勞簿上，而是要不忘本來，吸收外來，面向未來，在大家所在的各行各業包括同學們，在自己的各個領域，能夠學習古人，學習我們祖先的創新思維和創新方法，以一種包容的態度，海納百川，吸收國外先進的科學技術，為我們國家科學技術新的復興做貢獻。
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