章極儀的發現

 

章極儀的發現---由西方考古重大發現看到中國上古天文曆法的道

朱壁修 20100121

先將今日看到的新聞內容全文刊出﹕

巨匠神工——古希臘天文儀

‧科學人 2010/01/20

2000多年前古希臘人發明的安提基瑟拉儀，竟然能以數十個齒輪，精巧地模擬出月亮的運行，並預測日、月食的發生時間。我們以現代造影技術解析這具儀器，並讚歎古希臘人的智慧。

【撰文／佛利斯（Tony Freeth）；翻譯／王怡文】

(照片提供/科學人)

重點提要

■安提基瑟拉儀是唯一一件遺留下來的公元前二世紀希臘製機械式計算機。1901年它被發現的時候，其精巧奧妙就震懾了考古學家，但是當時沒有人料想得到它真正的能力。

■先進的造影工具，終於讓研究人員重新破解了這部機器如何預測日、月食，以及月亮在空中的運行。

■由機器上銘刻的文字推斷，它可能產自希臘一個名叫敘拉古的城市（位於今日的西西里島），製作理念可能源自阿基米德。

如果不是地中海發生過那兩場相隔了2000年的暴風雨，歷史上最重要的科技傑作可能永遠無法重見天日。

公元前一世紀中葉的一場暴風雨，使得一艘滿載希臘珍寶的羅馬商船沉沒。公元1900年的另一場暴風雨，迫使幾位採集海棉的潛水夫避難到克里特島和希臘半島之間的一座小島──安提基瑟拉島。風雨平靜後，潛水夫們在當地水域尋找海棉試試運氣，卻意外發現了沉船。過了數個月，他們在希臘政府的支持下回到這裡，執行史上最早的大型水底考古發掘行動之一，在九個月當中，他們找到一批美麗的古希臘文物──稀有的青銅器、令人目眩的玻璃器具、雙耳瓶、陶器與珠寶。

其中有件文物一開始並未受到注意，它是個不起眼、嚴重鈣化的塊狀物，大小跟電話簿差不多。幾個月後它裂成數塊，顯露出腐蝕的青銅齒輪，像三明治般疊在一起，輪齒長度只有1.5公釐，面板上還銘刻著科學刻度和希臘文。這項發現令人震驚，因為在此之前，人們認為古代人只會將齒輪用在粗重的機械工作中。

這件文物的殘骸後來被人們稱為安提基瑟拉儀，其中三塊主要殘骸目前在希臘雅典的國家考古博物館展出，在醒目的青銅雕塑和其他古希臘藝術傑作環繞下，它們顯得既小又脆弱，卻蘊含著任何人一開始都無法想像的驚人威力。

我是在2000年首次聽聞安提基瑟拉儀，當時身為製片的我，接到英國卡地夫大學天文學家艾德門茲（Mike Edmunds）的消息，他認為這部機器是很棒的電視紀錄片題材。我得知研究人員在數十年來的努力下，對它的認識已經有長足進步，他們推測它的用途是計算天文資料，但還沒能完全了解運作方式。這讓數學家出身的我很有興趣，決定加入解開謎團的行列。

艾德門茲和我召集了一項國際合作行動，最後成員包括歷史學家、天文學家和兩個專業的造影團隊。經過這幾年，我們已重新建構出幾乎所有現存零件的運作方式和功能。這部機器依據當時最先進的知識，計算日食與月食日期、模擬月亮微妙的視運動（人們所觀察到天體在空中的運行），還能查詢奧林匹克運動會等重大時事。在此後的1000年內，世界上找不到相媲美的精巧科技。如果這件獨一無二的文物沒有留傳下來，歷史學家一定不相信會那個時代竟有這樣的科技傑作。

追尋前人的研究

大約在1905年，德國語文學家雷姆（Albert Rehm）首先認出安提基瑟拉儀是一部天文計算機。半個世紀後，當時任職於美國普林斯頓高等研究院的科技史學家普賴斯（Derek J. de Solla Price）在Scientific American發表了一篇描述安提基瑟拉儀的文章，但揭開的秘密還是不多。

普賴斯認為，這具儀器的用法是轉動側邊的把手，前後刻度盤上的指針會跟著移動，顯示計算結果。使用者轉動把手來設定日期，日期會標示在正面的365天日曆刻度盤（在四年一次的閏年時，可以轉動刻度盤，調整成多一天），同時把手也會推動儀器裡的所有齒輪，產生該日期的相關資訊。

儀器正面還有個與日曆刻度同圓心的刻度盤，標示著360度和12個代表黃道12宮的記號（請見第78頁〈解構安提基瑟拉儀〉）。當太陽在空中「運行」（其實是地球繞太陽公轉所造成的視運動）時，會輪番經過「固定」的星座背景，而這條運行軌跡就叫做黃道。普賴斯推測，這部儀器的正面可能有一個指針，標示出在設定日期之時，太陽位於黃道的哪個位置。

普賴斯從殘骸當中，辨認出12個殘存的齒輪，並且在幾乎所有齒輪都破損殘缺的狀況下，盡可能估計出它們的齒數。後來在1974年一項具指標意義的研究中，普賴斯根據希臘放射學家卡拉卡洛斯（Charalambos Karakalos）為這部機器所做的首次X光攝影，描述了主殘骸裡的27個齒輪，並且更準確地估計了輪齒數。

有了輪齒數，就能判斷這部儀器計算的是什麼。例如，轉動把手帶動64齒的主齒輪轉一圈，日曆刻度盤上的指針就會顯示經過一年。與主齒輪囓合的兩個38齒副齒輪，各自會跟著每年轉64/38圈。儀器裡所有齒輪的運轉，就像這樣逐一傳遞下去，每個步驟傳動的齒數比值都不相同。齒輪傳動最後會帶動指針，指針轉速則對應到不同的天文週期。普賴斯發現其中一組齒輪系的比值，正好符合一種古巴比倫陰曆的週期。

普賴斯就像之前的雷姆一樣，推測這部機器裡包含周轉齒輪系，也就是說，有些齒輪的軸承是連接在別的齒輪上，就像遊樂園裡的旋轉咖啡杯一樣。周轉齒輪系使齒輪所能計算的公式更多，不只能加減，還能乘除。此後1500年內，西方科技史中看不到其他周轉齒輪系的例子。

另外還有幾位學者研究過這部機器，最著名的就是賴特（Michael Wright），他是英國倫敦科學博物館的館長，與他合作的是雪梨大學電腦科學家布隆萊（Allan Bromley）。他們幫這部機器做了首次的X光三維造影，顯示普賴斯所推測的安提基瑟拉儀模型勢必有誤。布隆萊於2002年逝世後，賴特仍然堅持不懈，並且取得重大進展。例如他找到的證據指出，背面原本看起來像同心圓的刻度盤，其實是螺旋狀，並且發現正面有個周轉輪系，負責計算月亮的盈虧。

賴特也採納了普賴斯的見解，認為背面上方的刻度盤可能是默冬週期（以19個回歸年、235個朔望月為一週期）的陰曆。這種以公元前五世紀雅典天文學家默冬為名的曆法，其實是更早之前巴比倫人所發現的，現今仍用來訂定猶太教的新年和基督教的復活節。後來我們發現指針是可以伸縮的，因此指針尖端的插銷可以順著螺旋狀的溝槽，一圈圈地往外繞。

【完整內容請見《科學人》2009年第95期元月號】

當我看完這篇介紹時，心中真是感觸良多。中國上古天文曆法所用文字傳述的內容，竟在距今二千一百年前希臘人所做成的精密機械中重現。真是了不起！我發現至今尚未有人正確且全面理解這個儀器，我特別將此儀器命名為章極儀，以表述其實際功能與意義。

周髀算經中提到﹕十九歲為一章，四章為一蔀（76歲），二十蔀為一遂（1,520歲），三遂為一首（4,560歲），七首為一極（31,920歲）。章極儀內已知齒輪齒數有﹕主齒輪64齒、兩個副齒輪各38齒、其餘齒輪不詳，由復原示意圖可看出﹕由起點向外旋轉至終點，共可和圓曲線接觸到五次（上圓），那就是﹕章、蔀、遂、首、極。在不同圈，儀器指針由更外圈齒輪帶動，這個儀器（圖片上方圓）不是用來微觀日夜小循環的﹔而是用來累計自某一初始年開始、計數一共經歷了多少年，而這些年會和19年有一個大致比例上的關係。倘若最後能復原所有齒輪齒數，應該會等同周髀算經上的76（十九歲為一章、四章為一蔀，二個38齒等同76歲）、20（二十蔀為一遂）、3（三遂為一首）、7（七首為一極）。為什麼主齒輪用64齒？我想，這應是理解周易64卦的另一捷徑吧！