祖冲之设计制造的几种机械及其复原问题

liyaman1986

祖冲之设计制造的几种机械及其复原问题
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9 x: d+ a4 A0 n$ I- ~4 `  b张 柏 春
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中国科学院自然科学史研究所

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! w) `- V& s2 a( s* f  T+ G* v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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一、祖冲之的机械及其历史地位

1、文献记载的祖冲之机械
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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》。
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南朝（梁）萧子显的《南齐书•祖冲之传》记载：
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“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。
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! V* }" E& }$ A" f! m……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：
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$ e" b1 f* c$ c' j. u“……得姚兴指南车，有外形而无机抒，……高帝使与冲之各造，……
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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]

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。
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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。

“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。



7 M, A9 A0 p+ Q2 _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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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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6 D- f7 Z/ V& E% J& @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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, u, m# |! ?3 V% Z/ L3 X# k  `! C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。
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4 R4 W/ B+ {8 s3 F' L6 W* ^二、复原问题

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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" |8 S( t0 R% c20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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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。

《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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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。

% G& S6 V' B! c$ C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。
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4 C& q, R! r  t. o$ W3 E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。