祖沖之設(shè)計(jì)制造的幾種機(jī)械及其復(fù)原問(wèn)題

liyaman1986

祖沖之設(shè)計(jì)制造的幾種機(jī)械及其復(fù)原問(wèn)題
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張 柏 春

中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所

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6 O) K, z" w/ k; P6 _- a0 ]% d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(guò)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？



一、祖沖之的機(jī)械及其歷史地位
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2 i+ B" r! D5 R& Q4 w+ }, ]1、文獻(xiàn)記載的祖沖之機(jī)械
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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》。

南朝（梁）蕭子顯的《南齊書•祖沖之傳》記載：

0 \+ n! |" E( a: i“初，宋武平關(guān)中，得姚興指南車，有外形而無(wú)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(lái)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(lè)游苑對(duì)共校試，而頗有差僻，乃毀焚之。
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8 q9 @& D" V. E3 K……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(lè)游苑造水碓磨，世祖親自臨視”。[1]

# \- S: z3 {+ x! x: _* g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：
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/ s3 `- X8 J3 X: C“……得姚興指南車，有外形而無(wú)機(jī)抒，……高帝使與沖之各造，……

……于樂(lè)游苑內(nèi)造水碓磨，武帝（公元483-493年在位）親自臨視。”[2]
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  g: s5 \, E6 W+ `  ?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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“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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6 [- P! p0 F) U9 j$ m“千里船”顯然是一種快船。“木牛流馬”應(yīng)當(dāng)是一種運(yùn)輸機(jī)械。說(shuō)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(jiàn)，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
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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(guó)時(shí)也已經(jīng)亡失。三國(guó)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(lái)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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/ z! H5 E- k7 w) W. K# P5 j三國(guó)時(shí)期，諸葛亮“作木牛流馬”，《諸葛亮集》、《三國(guó)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(wú)法知道祖沖之是否參考過(guò)諸葛亮的“木牛流馬法”。不過(guò)，由于《諸葛亮集》、《三國(guó)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。
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: \) i8 n) W& K+ T3 Q1 n1 v) v僅憑“日行百里”這句簡(jiǎn)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。
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# B0 c5 X+ ~4 `  t* s西漢桓譚《桓子新論》、東漢服虔《通俗文》都記載了水碓 [6]。三國(guó)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。



二、復(fù)原問(wèn)題
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漢以后，指南車多次被試制。三國(guó)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(wú)考古依據(jù)的情況下，國(guó)內(nèi)外科技史界、機(jī)械工程界的專家和愛(ài)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。
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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(guó)外和國(guó)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(méi)有具體的史料依據(jù)。
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! H" r9 r9 \' _; [5 X1 @0 n! A《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(méi)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(jiàn)。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(guó)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。《諸葛亮集》對(duì)木牛流馬的描述引起了多種猜測(cè)，其中“獨(dú)輪車說(shuō)”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(jiǎn)單了。于是，有的機(jī)械工程師發(fā)揮自己的專業(yè)特長(zhǎng)，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。

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(shuō)，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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  K9 ]2 q2 E; {關(guān)于祖沖之的指南車、木牛流馬、水碓磨、千里船，沒(méi)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(wú)損他在科技史上的地位。