在中國古代科技史上，天文儀器的發(fā)明與改進(jìn)一直是衡量時(shí)代科技水平的重要標(biāo)志，它們不僅展現(xiàn)著古人對(duì)宇宙的深刻理解，也體現(xiàn)著他們?cè)跈C(jī)械制造領(lǐng)域的卓越智慧。

在漫長的科技發(fā)展長河中，張思訓(xùn)（北宋天文學(xué)家，今四川省巴中市恩陽區(qū)人）以其創(chuàng)制的太平渾儀留下了精彩的一筆。這座儀器不僅解決了當(dāng)時(shí)天文儀器面臨的核心技術(shù)難題，更為后世的天文儀器發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

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擺脫人力的天文儀器

979年（太平興國四年，宋太宗趙光義統(tǒng)治時(shí)期），張思訓(xùn)向趙光義獻(xiàn)上一份天文儀器模型設(shè)計(jì)圖。見其構(gòu)思精巧，趙光義大為贊賞，立即下令“召工造于禁中”。一年后，這座名為“太平渾儀”的天文儀器被安置在都城汴京（今河南省開封市）文明殿的東鼓樓下。

太平渾儀的出現(xiàn)標(biāo)志著中國古代天文儀器技術(shù)的重要突破。自漏水轉(zhuǎn)渾天儀（東漢時(shí)期張衡制）至水運(yùn)渾天（唐朝僧一行、梁令瓚制），中國的水力驅(qū)動(dòng)天文儀器已有700余年的發(fā)展歷史。然而，這些裝置都面臨一個(gè)共同的問題——水在冬季會(huì)結(jié)冰，儀器運(yùn)轉(zhuǎn)因此變得遲緩，大大降低儀器的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

針對(duì)這一技術(shù)瓶頸，張思訓(xùn)獨(dú)辟蹊徑，使用水銀（凝固點(diǎn)為零下38.87攝氏度）代替水作為動(dòng)力源，以保障儀器全年運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。這一創(chuàng)舉被《宋史·天文志》記載為“今以水銀代之，則無差失”，成為機(jī)械制造史上的一次重要技術(shù)革新。

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巧奪天工的太平渾儀

據(jù)《宋史·天文志》記載，太平渾儀“起樓高丈余，機(jī)隱于內(nèi)，規(guī)天矩地”，即：整個(gè)裝置約4米多高，內(nèi)部機(jī)械復(fù)雜精妙，整個(gè)系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行——“按舊法，日月晝夜行度皆人所運(yùn)行。新制成于自然，尤為精妙”，展現(xiàn)了張思訓(xùn)在機(jī)械制造領(lǐng)域的卓越才能。太平渾儀結(jié)構(gòu)大致可分為3部分：

底部設(shè)有“地輪、地足”等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及“橫輪、側(cè)輪、斜輪、定身關(guān)、中關(guān)、小關(guān)、天柱”等傳動(dòng)部件。這些組件巧妙配合，將水銀的重力轉(zhuǎn)化為勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

中部為精巧的報(bào)時(shí)系統(tǒng)，并裝有許多木質(zhì)機(jī)械人，分為“十二神”和“七直神”。古代一日分為十二時(shí)辰，“十二神”可以“各直（即“值”）一時(shí)，至其時(shí)則自執(zhí)辰牌，循環(huán)而出”；“七直神”負(fù)責(zé)報(bào)時(shí)刻，“左搖鈴，右扣鐘，中擊鼓”（北宋時(shí)期實(shí)施百刻制，一日均分為100刻，而不是我們現(xiàn)在較為熟悉的96刻——1刻為15分鐘）。報(bào)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行十分精細(xì)，機(jī)械人還能夠根據(jù)季節(jié)變化，自動(dòng)調(diào)整晝夜時(shí)長的顯示。

頂部是天文演示系統(tǒng)，裝有“天頂、天牙、天關(guān)、天指、天托、天束、天條”等組件，布列“三百六十五度，為日、月、五星、紫微宮、列宿、斗建、黃赤道”。與傳統(tǒng)渾天儀的球面設(shè)計(jì)不同，太平渾儀采用平面蓋天式設(shè)計(jì)，使觀者能夠更直觀地了解天體位置及變化規(guī)律。

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承前啟后的技術(shù)傳承

從發(fā)展脈絡(luò)上來看，中國古代水力驅(qū)動(dòng)天文儀器的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：漏水轉(zhuǎn)渾天儀、水運(yùn)渾天和水運(yùn)儀象臺(tái)（北宋時(shí)期蘇頌、韓公廉制）。太平渾儀正是在水運(yùn)渾天與水運(yùn)儀象臺(tái)中起到承前啟后的關(guān)鍵作用。

《新儀象法要》中繪制的水運(yùn)儀象臺(tái)及其機(jī)械結(jié)構(gòu)

1092年（元祐七年，宋哲宗趙煦統(tǒng)治時(shí)期），水運(yùn)儀象臺(tái)于汴京建成，它高達(dá)12米，集渾儀、渾象和報(bào)時(shí)系統(tǒng)于一體，代表了當(dāng)時(shí)世界上最高的機(jī)械技術(shù)水平。蘇頌（相關(guān)知識(shí)可見《知識(shí)就是力量》2022年7月刊）在《進(jìn)儀象狀》中明確指出，水運(yùn)儀象臺(tái)的設(shè)計(jì)“用一行、思訓(xùn)所說，而增損之也”，直接肯定了張思訓(xùn)的技術(shù)貢獻(xiàn)。

《新儀象法要》中對(duì)張衡、僧一行
和張思訓(xùn)天文儀器的記載

遺憾的是，與《新儀象法要》中詳細(xì)記錄的水運(yùn)儀象臺(tái)的結(jié)構(gòu)、原理不同，太平渾儀并未留下任何圖紙或詳細(xì)說明。蘇頌曾表示，到了他的時(shí)代，太平渾儀“機(jī)繩斷壞，無復(fù)知其法制”，其精密的制作工藝已經(jīng)失傳。但這并不影響太平渾儀在中國古代科技史上的重要地位，它始終是一座重要的里程碑，甚至為全球機(jī)械技術(shù)發(fā)展史留下了濃墨重彩的一筆。

責(zé)任編輯｜牛一名 岳煥琦

運(yùn)營編輯｜岳煥琦
質(zhì)量審核 | 王維嘉 趙青云
文章來源 | 《知識(shí)就是力量》雜志《張思訓(xùn)與“太平渾儀” ——古代天文儀器的革新》，撰文/李亮（中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。

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