祖沖之設(shè)計(jì)制造的幾種機(jī)械及其復(fù)原問題

liyaman1986

祖沖之設(shè)計(jì)制造的幾種機(jī)械及其復(fù)原問題
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張 柏 春
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" e% z$ Y. `) F  N; L' A  v中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所

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% H- `0 W5 n+ [. H& N$ [祖沖之（公元429-500年）在數(shù)學(xué)、天文歷法方面有杰出的創(chuàng)造,，在機(jī)械工程方面也很有建樹,，設(shè)計(jì)制造過指南車,、水碓磨,、木牛流馬,、千里船等,。他的技術(shù)成就占有什么樣的歷史地位,？我們真的能復(fù)原他的機(jī)械嗎？



* K& q/ Y# Q9 W' b4 i5 F一,、祖沖之的機(jī)械及其歷史地位

1,、文獻(xiàn)記載的祖沖之機(jī)械

記載祖沖之設(shè)計(jì)制造機(jī)械的文獻(xiàn)有《南齊書》和《南史》。
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南朝（梁）蕭子顯的《南齊書•祖沖之傳》記載：
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“初,，宋武平關(guān)中,，得姚興指南車，有外形而無機(jī)巧,，每行,，使人于內(nèi)轉(zhuǎn)之。昇明中,，太祖輔政,，使沖之追修古法。沖之改造銅機(jī),，圓轉(zhuǎn)不窮,，而司方如一，馬鈞以來未有也,。時(shí)有北人索馭驎者,，亦云能造指南車，太祖使與沖之各造,，使于樂游苑對(duì)共校試,，而頗有差僻，乃毀焚之,。

……以諸葛亮有木牛流馬,，乃造一器,，不因風(fēng)水，施機(jī)自運(yùn),，不勞人力,。又造千里船，于新亭江試之,，日行百余里,。于樂游苑造水碓磨，世祖親自臨視”,。[1]

唐朝李延壽的《南史•祖沖之傳》幾乎重復(fù)了上文,，但文字上有個(gè)別差異：

+ [5 p  D. H3 K1 ]* x; T“……得姚興指南車，有外形而無機(jī)抒,，……高帝使與沖之各造,，……

……于樂游苑內(nèi)造水碓磨，武帝（公元483-493年在位）親自臨視,�,！盵2]

( C/ C8 P4 u' c引文中的“造”字的第一層含義是“設(shè)計(jì)”，第二層含義則是“制造”,。參與制造“水碓磨”,、“千里船”的可能還有一些工匠。
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  J% [3 p8 ~# o% |% K/ U' @# u“昇明中,，太祖輔政”指南朝劉宋昇明年間（公元477-479年）,，肅道成輔政。這期間,，祖沖之成功地制造了帶著“銅機(jī)”的指南車,，而索馭驎卻未制成指南車。顯然,，祖沖之不能從前代指南車那里繼承任何傳動(dòng)機(jī)構(gòu),。
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“千里船”顯然是一種快船,�,！澳九Ａ黢R”應(yīng)當(dāng)是一種運(yùn)輸機(jī)械。說它“不因風(fēng)水,，施機(jī)自運(yùn),，不勞人力”，這并是不可信,，因?yàn)檫@顯然違背基本的科學(xué)原理,。可見,，古人的描述并不都是可靠的,。
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2,、祖沖之機(jī)械的歷史地位

祖沖之的技術(shù)成就在歷史上占有什么樣的地位呢？

指南車技術(shù)到三國時(shí)也已經(jīng)亡失,。三國曹魏人馬鈞再次制成指南車[3],。到了東晉末年，姚興的指南車已經(jīng)不能靠機(jī)械傳動(dòng)裝置來自動(dòng)指南了,。因此,，祖沖之造指南車及其“銅機(jī)”，是指南車的再發(fā)明,。
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三國時(shí)期,，諸葛亮“作木牛流馬”，《諸葛亮集》,、《三國志》對(duì)木牛流馬的結(jié)構(gòu)做了部分文字描述 [4][5],。我們無法知道祖沖之是否參考過諸葛亮的“木牛流馬法”。不過,，由于《諸葛亮集》,、《三國志》中的技術(shù)描述的欠缺和不確定性，筆者認(rèn)為,，祖沖之所造木牛流馬可能是一種新發(fā)明,。

僅憑“日行百里”這句簡單的性能描述，我們難以判斷“千里船”是哪種類型的船,，其中含有哪些技術(shù)創(chuàng)造,。

- C! ^. t# X! ?西漢桓譚《桓子新論》、東漢服虔《通俗文》都記載了水碓 [6],。三國時(shí)期,，馬鈞造水力“舂磨”模型 [7]。 祖沖之可能改進(jìn)了舊式的水碓,、水磨,，提出了自己的設(shè)計(jì)。他的“水碓磨”在基本原理方面可能類似于馬鈞的“舂磨”,，即同時(shí)用一個(gè)水輪驅(qū)動(dòng)的碓和磨,，或者是兩個(gè)獨(dú)立的水碓和水磨。
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二,、復(fù)原問題
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漢以后,，指南車多次被試制。三國以后,，幾乎歷代都有人醉心于木牛流馬的制造,。
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20世紀(jì)，這類機(jī)械的復(fù)原成了技術(shù)史研究的課題,。在文獻(xiàn)記載不夠詳實(shí)且無考古依據(jù)的情況下,，國內(nèi)外科技史界,、機(jī)械工程界的專家和愛好者在指南車、木牛流馬等機(jī)械的復(fù)原方面做了許多嘗試,。

# O5 z8 q* _# ~1 J3 m關(guān)于指南車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),，后人提出了多種推測(cè)。到80年代初,，國外和國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)提出近20種指南車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推想圖,，主要可分為定軸輪系和差動(dòng)輪系兩大類，定軸輪系方案中有自動(dòng)離合裝置[8],。其中,，對(duì)宋以前的指南車的機(jī)構(gòu)復(fù)原都沒有具體的史料依據(jù)。
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$ [+ x8 N' U. I5 ]& `( _《宋史》,、《愧郯錄》記述了宋朝燕肅指南車和吳德仁指南車的結(jié)構(gòu),，為復(fù)原提供了具體的文獻(xiàn)依據(jù)。然而,，由于《宋史》,、《愧郯錄》的文字記載不夠充分，且沒有插圖,，后人在做傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)原時(shí)未能取得一致意見,。為了彌補(bǔ)文獻(xiàn)記載的缺憾，復(fù)原者做出了不同的機(jī)構(gòu)推測(cè)[9],。其中,，差動(dòng)輪系方案與《宋史》、《愧郯錄》的記載距離較遠(yuǎn),，在其它中國古文獻(xiàn)中也找不到有關(guān)差動(dòng)輪系的記載,。

木牛流馬的復(fù)原吸引了一些學(xué)者和工程師�,！吨T葛亮集》對(duì)木牛流馬的描述引起了多種猜測(cè),，其中“獨(dú)輪車說”受到較多學(xué)者的認(rèn)同[10]。但始終有人認(rèn)為獨(dú)輪車式的木牛流馬都太簡單了,。于是,，有的機(jī)械工程師發(fā)揮自己的專業(yè)特長，試圖另找一條復(fù)原木牛流馬的途徑,，設(shè)計(jì)出了模仿牛馬行走的步行器 [11][12],。設(shè)計(jì)師證明了機(jī)械式步行器能夠模仿牛馬等四腿動(dòng)物的行走,，但人們難以證明它們之中的哪一個(gè)是諸葛亮的木牛流馬,。實(shí)際上，他們的“木牛流馬”至少在技術(shù)方面尚未解決好負(fù)重行走等難題,。有的設(shè)計(jì)還含有很復(fù)雜的,、缺乏史料依據(jù)的機(jī)構(gòu),，人們有理由懷疑古代是否有這樣的技術(shù)能力。

; c/ [* X0 X" I. z% W/ V在復(fù)原古代技術(shù)時(shí),，我們應(yīng)遵守科技史研究的基本學(xué)術(shù)規(guī)范 [13][14],。 機(jī)械專家都知道，功能相同的裝置往往有不同的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),。也就是說,，不同的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)往往都能滿足同樣的功能要求。不同的設(shè)計(jì)者,，可以設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)不同的指南車,、木牛流馬、水碓,、水磨,、快船。在缺乏基本技術(shù)記載的情況下,，后人提出的不同設(shè)計(jì)都是難以證實(shí)的推測(cè),，只是接近當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的設(shè)計(jì)較為可信。
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7 B* p3 [; J4 `- R關(guān)于祖沖之的指南車,、木牛流馬,、水碓磨、千里船,，沒有留下任何具體的結(jié)構(gòu)記載,。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)存在多樣性的情況下，我們不可能做出可以被證實(shí)的復(fù)原,。那些采用復(fù)雜的差動(dòng)輪系,、漸開線齒輪的所謂“祖沖之指南車”更像是利用現(xiàn)代技術(shù)去“發(fā)明”一種新機(jī)械，而不是真正的復(fù)原,。
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盡管祖沖之的指南車,、木牛流馬、千里船等機(jī)械裝置成了難解之謎,，但這并不等于貶低他的智慧和成就,，也無損他在科技史上的地位。