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祖冲之设计制造的几种机械及其复原问题, E1 ^' R5 b* I- M, L5 k0 Q
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中国科学院自然科学史研究所! `6 {4 _% r* A& u
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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?* ]# u" M) o" S, _
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5 q: p; k& K7 U& N6 O; A一、祖冲之的机械及其历史地位
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0 O2 n: P h+ y5 G- x/ W1、文献记载的祖冲之机械8 T4 o+ c+ d: g8 ]( e
" a2 ^; |5 r6 `0 T4 [: r记载祖冲之设计制造机械的文献有《南齐书》和《南史》。1 {+ f) L- S9 k3 H
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南朝(梁)萧子显的《南齐书•祖冲之传》记载:
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' L& \ l# s. {# 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。$ M2 h* F* A; o( m9 H4 I
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……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]% ~+ D# c) G7 ~( i5 y2 A
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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:+ r d( Z- g' w% i
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“……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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% q& q0 h5 J; ?7 z& i& }) J( E3 Q……于乐游苑内造水碓磨,武帝(公元483-493年在位)亲自临视。”[2] X) K3 b7 j' ]+ m$ L5 E% B2 P
, W. a B* }, Z/ d4 N; f0 p9 c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。5 w7 h! g. x7 X$ H' f
/ ?* r7 @9 }9 a7 i: U) Q1 E* Q7 G“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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; o6 C w9 E/ b0 O+ U1 g“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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2、祖冲之机械的历史地位
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' G4 F( S5 A+ v+ e" x7 m1 Q+ U祖冲之的技术成就在历史上占有什么样的地位呢?& w8 p/ P a: P/ j
# x% V# ^* A, R2 ~) `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。+ Q; o4 R! T* A2 j3 h: l5 K
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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。' }, h3 V, v3 z; r" ]3 E
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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。) L% n* r: `2 u2 _
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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。
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$ O; P) ]: q% W$ f" D: e二、复原问题
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" A3 r1 f) P) a$ F4 h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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. F. w8 w5 s& h& T; K20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。" E* q( t6 g) A; }" f& H
- H* Z1 M4 X1 ]9 e/ V: L; ]6 J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。8 X0 C& ~, o1 L; K" K% x6 u
) {9 v ]: V" X8 |《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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* U. l f( p8 H9 Z' b: L; d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。% R) A/ L- e) ?8 z. m
3 {( J" ~2 ~* y+ n* ]* f, f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。5 q# F( u) n2 ]
, I8 O2 E% [4 }, b: H* x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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