祖沖之設計制造的幾種機械及其復原問題

liyaman1986

祖沖之設計制造的幾種機械及其復原問題

張 柏 春
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中國科學院自然科學史研究所
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祖沖之（公元429-500年）在數學、天文歷法方面有杰出的創造，在機械工程方面也很有建樹，設計制造過指南車、水碓磨、木牛流馬、千里船等。他的技術成就占有什么樣的歷史地位？我們真的能復原他的機械嗎？
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" v9 r  q; c" @( X- \' J一、祖沖之的機械及其歷史地位

! b( b( G3 [. v2 `: d1 [1、文獻記載的祖沖之機械

" L+ }5 ]- c; x, D! y4 S記載祖沖之設計制造機械的文獻有《南齊書》和《南史》。

南朝（梁）蕭子顯的《南齊書•祖沖之傳》記載：
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/ [8 a! F0 w7 l/ W“初，宋武平關中，得姚興指南車，有外形而無機巧，每行，使人于內轉之。昇明中，太祖輔政，使沖之追修古法。沖之改造銅機，圓轉不窮，而司方如一，馬鈞以來未有也。時有北人索馭驎者，亦云能造指南車，太祖使與沖之各造，使于樂游苑對共校試，而頗有差僻，乃毀焚之。
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6 V8 a5 Y" p! N% B& g% ^……以諸葛亮有木牛流馬，乃造一器，不因風水，施機自運，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]
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唐朝李延壽的《南史•祖沖之傳》幾乎重復了上文，但文字上有個別差異：
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$ h1 G6 D/ k1 b+ N% ^: K* O$ O/ z7 Y2 S“……得姚興指南車，有外形而無機抒，……高帝使與沖之各造，……

( O0 f$ B% s; c$ D; t. Q/ o……于樂游苑內造水碓磨，武帝（公元483-493年在位）親自臨視。”[2]
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引文中的“造”字的第一層含義是“設計”，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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! w) v7 V0 }# i& p$ }“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”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機構。
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“千里船”顯然是一種快船。“木牛流馬”應當是一種運輸機械。說它“不因風水，施機自運，不勞人力”，這并是不可信，因為這顯然違背基本的科學原理。可見，古人的描述并不都是可靠的。
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2、祖沖之機械的歷史地位
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祖沖之的技術成就在歷史上占有什么樣的地位呢？

, I% n) Q2 D! y6 K" w+ ^指南車技術到三國時也已經亡失。三國曹魏人馬鈞再次制成指南車[3]。到了東晉末年，姚興的指南車已經不能靠機械傳動裝置來自動指南了。因此，祖沖之造指南車及其“銅機”，是指南車的再發明。

3 R  f7 A6 `0 y  E! `三國時期，諸葛亮“作木牛流馬”，《諸葛亮集》、《三國志》對木牛流馬的結構做了部分文字描述 [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》中的技術描述的欠缺和不確定性，筆者認為，祖沖之所造木牛流馬可能是一種新發明。
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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，其中含有哪些技術創造。

西漢桓譚《桓子新論》、東漢服虔《通俗文》都記載了水碓 [6]。三國時期，馬鈞造水力“舂磨”模型 [7]。 祖沖之可能改進了舊式的水碓、水磨，提出了自己的設計。他的“水碓磨”在基本原理方面可能類似于馬鈞的“舂磨”，即同時用一個水輪驅動的碓和磨，或者是兩個獨立的水碓和水磨。



二、復原問題

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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" [$ |3 A$ M3 H/ O. K- f20世紀，這類機械的復原成了技術史研究的課題。在文獻記載不夠詳實且無考古依據的情況下，國內外科技史界、機械工程界的專家和愛好者在指南車、木牛流馬等機械的復原方面做了許多嘗試。

% ], n0 m' V4 l5 u: l9 y關于指南車的傳動機構，后人提出了多種推測。到80年代初，國外和國內學者已經提出近20種指南車傳動機構推想圖，主要可分為定軸輪系和差動輪系兩大類，定軸輪系方案中有自動離合裝置[8]。其中，對宋以前的指南車的機構復原都沒有具體的史料依據。

《宋史》、《愧郯錄》記述了宋朝燕肅指南車和吳德仁指南車的結構，為復原提供了具體的文獻依據。然而，由于《宋史》、《愧郯錄》的文字記載不夠充分，且沒有插圖，后人在做傳動機構復原時未能取得一致意見。為了彌補文獻記載的缺憾，復原者做出了不同的機構推測[9]。其中，差動輪系方案與《宋史》、《愧郯錄》的記載距離較遠，在其它中國古文獻中也找不到有關差動輪系的記載。
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6 h' \3 m' z) p5 f/ k木牛流馬的復原吸引了一些學者和工程師。《諸葛亮集》對木牛流馬的描述引起了多種猜測，其中“獨輪車說”受到較多學者的認同[10]。但始終有人認為獨輪車式的木牛流馬都太簡單了。于是，有的機械工程師發揮自己的專業特長，試圖另找一條復原木牛流馬的途徑，設計出了模仿牛馬行走的步行器 [11][12]。設計師證明了機械式步行器能夠模仿牛馬等四腿動物的行走，但人們難以證明它們之中的哪一個是諸葛亮的木牛流馬。實際上，他們的“木牛流馬”至少在技術方面尚未解決好負重行走等難題。有的設計還含有很復雜的、缺乏史料依據的機構，人們有理由懷疑古代是否有這樣的技術能力。

. I. _& D! F* Z" H在復原古代技術時，我們應遵守科技史研究的基本學術規范 [13][14]。 機械專家都知道，功能相同的裝置往往有不同的機構設計。也就是說，不同的機構設計往往都能滿足同樣的功能要求。不同的設計者，可以設計出機構不同的指南車、木牛流馬、水碓、水磨、快船。在缺乏基本技術記載的情況下，后人提出的不同設計都是難以證實的推測，只是接近當時技術條件的設計較為可信。
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關于祖沖之的指南車、木牛流馬、水碓磨、千里船，沒有留下任何具體的結構記載。在機構設計存在多樣性的情況下，我們不可能做出可以被證實的復原。那些采用復雜的差動輪系、漸開線齒輪的所謂“祖沖之指南車”更像是利用現代技術去“發明”一種新機械，而不是真正的復原。

* K" j; p  T4 w盡管祖沖之的指南車、木牛流馬、千里船等機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。