文/王麟
岁月流逝，光影流转，春华秋实，四季更迭。时间之手冠硕古今，推动历史的车轮滚滚向前。我国古人为了精确地掌控时间，编制历法，发明了浑天仪、圭表、漏刻等仪器设备，准确观测日月星辰，为天文学创立、发展作出了辉煌的贡献。数千年时光匆匆而过，技术的勃兴从过去走到了现在。随着现代机械和电子技术的兴起，让精确计时成为可能，机械钟表如今随处可见，电子时钟也得到广泛应用。而在前端的科研领域，科学家们甚至能将时间控制到飞秒级。科技的进步与先进观测仪器的层出不穷，也让天文学迅猛发展，人类的视野已经穿越亿万光年，来到了宇宙创世之初。
在我国古代，观测星辰、洞察天象、精准计时、制定历法等工作，是由皇帝钦定的司天监等高级官员承担的，诸如东汉张衡、唐代僧一行、北宋沈括、元代郭守敬和明代徐光启等许多人物，都为此做出了丰功伟绩。
古人观测天文用浑仪，演示天象用浑象，精准计时报时用圭表漏刻。在很长的时间里，这三种仪器是独立分开使用的。到了北宋元祐八年（1092年），时任右宰相的苏颂带领他的研发团队，成功制造完成“水运仪象台”，将浑仪、浑象和计时报时装置组合在一起，通过水力进行驱动，使三种仪器协同运转。这是一座代表中国古代最高技术发展水平的天文观测及计时仪器，也是一个古代天文台，在世界上创造了史无前例的奇迹。“水运仪象台”运转了34年，到了1127年，由于北宋灭亡，惨被劫往北国，最终毁坏殆尽。而这台精密仪器的英姿，仅在苏颂所著的《新仪象法要》中流传至今。
斗转星移，千余年转瞬逝去，曾经代表着古代中国最高技术水平的水运仪象台还能重见天日吗？这里所说的“重见天日”，不仅仅是按照古籍所载文字图表恢复其外形，更重要的是，要按照当年的技术手段，让该仪器完全通过水力进行运转，这才算真正获得重生。
【复原水运仪技术的开拓者】
在科技史的研究领域，对“水运仪象台”的研究是一项颇具国际影响力的科研课题。因为这台水力天文机械被公认为是中国古代技术达到巅峰时代的标志，在机械工程、天文历算、冶金铸造、建筑工艺等领域均达到了很高的成就。而对水运仪的研究与复原工作，开始于1950年代初，两位最早的开拓者，分别是清华大学刘仙洲教授和中国科学院外籍院士、英国剑桥大学李约瑟博士。
著名的机械学家、两院院士刘仙洲教授从1953年开始连续发表两篇论文，阐述了水运仪在原动力和机械传动方面的工作原理，而李约瑟博士则与澳大利亚国立大学历史教授王铃、美国科学家普赖斯一起，开展了对水运仪的研究，并在《自然》杂志发表系列研究成果，随后尝试对该仪器的关键部件进行复原。
1958年，中国科学院竺可桢副院长访问英国，得知了李约瑟博士复原水运仪的消息，回国之后立刻与国家文物局科学史研究专家王振铎先生联系，开始立项进行水运仪的复原工作。王振铎教授经过独立研发，终于在1950年代末将水运仪象台按照1:5比例复原完毕，并在历史博物馆展出。遗憾的是，这台仪器并不能像《新仪象法要》记载的那样顺利运转。即使如此，该成果对于我国研究水运仪也是不小的贡献。
接续李约瑟博士复原水运仪的是他的助手乔治·康布里奇，这位英国专家在1960年代中期，于王振铎先生之后，完成了第二台水运仪象台模型的复原工作，并将成果陈列于英国南肯辛顿科学博物馆。不过康布里奇的研究误入了歧途，依旧未解决该仪器核心部件“擒纵机构”的运转问题。
【水运仪象台研究后继有人】
由于水运仪象台魅力无穷，对其复原者前赴后继。到了1988年，
2012年8月，世界天文学联合会大会第28届会议在北京召开，中国科学院国家天文台和清华大学负责研制的水运仪象台模型在展厅陈列。2015年，由苏州某科教设备公司制造的1:1比例水运仪象台在江苏太仓建成。
然而上述完成的水运仪象台模型，还没有一台能够完全靠水力自主运行。而让水运仪通过水力，而不是电力和人力操纵自动运转，才是成功的关键所在，而这也是困扰科学家们多年的技术难题。
【复原水运仪象台难在何处？】
那么，水运仪象台到底难在何处，采用了何种技术，让它如此迷人呢？实际上，如果我们了解了水运仪象台的工作原理，就会被其集机械、冶金、天文历算、工艺制造为一体的天才设计所折服，我们就不得不叹服苏颂手下负责研制这台仪器的吏部令史韩公廉。
按照苏颂的《新仪象法要》记载，水运仪象台高约12米，底边长9米，功能区主要分为三大部分，最顶端是浑天仪，安装在窗户可开闭房间内，主要用来观测天文现象；中间一层的平台安装浑象仪，用于演示每天的星辰运行变化；最下层是该仪器的核心部分，结构最为复杂，包括水力驱动系统和负责计时报时的枢轮控制系统。而枢轮控制系统如何准确复原，则难倒了中外无数专家学者。
水运仪象台技术含量最高的部分就是其机械驱动构件，按照清华大学科技史暨古文献研究所汪亚丁和高宣先生的研究成果，该机械构件可分为相互关联的四大系统，分别是动力、传动、执行和辅助控制系统。其中动力系统主要由枢轮、上水装置和滴漏装置组成，而枢轮是驱动整台仪器运转的发动机。水运仪象台就是通过水力驱动枢轮，进而通过一套精巧的齿轮传动系统，带动浑仪、浑象和计时报时系统运转，并与昼夜时间变化保持同步。
这套仪器极难复原的部分就是枢轮控制系统，包括控制枢轮转动时间间隔的秤漏子系统，还有控制枢轮正向转动的联动开关子系统。这套复杂装置既能让枢轮转动，也能让枢轮停止，完全按照设计者本人的意志来划定时间段运转，因此该装置还有一个形象的名字叫“擒纵系统”。
其中“秤漏子系统”包含受水壶和杠杆枢衡装置。枢衡装置一头挂秤砣（枢权），一头设置格叉，格叉用来托举枢轮的水壶，秤砣用来保持平衡，一旦枢轮的水壶盛水的重量达到临界点，水壶自重就会下压格叉，枢轮旋转，咔哒一声，一个时间间隔完成。而联动子系统是包括关舌、天衡、天条和左右天锁等设备的一套杠杆系统，与秤漏子系统联动，控制枢轮，协助完成精密的时间间隔划分。
水运仪象台的擒纵系统与机械钟表采用的擒纵系统功能相似，但是结构原理则有很大差别，而李约瑟博士和康布里奇等人认为，水运仪象台的擒纵装置是欧洲钟表的祖先，实际上这个结论是很不严谨的。针对这个结论，李志超先生给予了非常详细的反驳和辨析，并且肯定了苏颂和韩公廉发明的这套控制系统是独一无二的创造。
由于苏颂在《新仪象法要》中对水运仪象台的关键部件及运行原理的记载语焉不详，这就为后人复原水运仪象台造成了巨大阻力，并产生了认识上的分歧，以至于多年无法复原成功。
令人兴奋的是，天津古天文仪器修复专家罗宝琪先生总结了前人的经验，另辟蹊径，打破思维定式，依靠深厚的知识积累和高超的工业制造技能，耗时四年，终于窥破了水运仪象台隐藏千年的秘密，将水运仪按照古籍记载成功复原。
【罗宝琪先生对复原水运仪的贡献】
罗宝琪先生祖籍天津，在铸造、雕塑和工艺制造领域均取得了很高的成就，目前是国家天文台特聘副研究员、中国国家级技术能手、高级技师，同时还兼任天津市天文学会理事、中国文物修复委员会和中国文物保护委员会会员等职。
早在1990年代初，罗先生便开始着手研究复原中国的古天文仪器，他最著名的作品，当属修复北京古观象台陈列的八架清代天文仪器，这是国家一级文物孤品。同时为北京古观象台复制明代天文仪器，这些成绩均得到了国家天文台的高度认可。
2012年8月18日，北京召开世界天文学大会，当时国家天文台和清华大学联合研制的水运仪象台模型陈列展出，但是核心问题尚未解决，运行不尽人意。罗宝琪先生主动请缨，在国家天文台郝晋新台长以及水运仪科学复原小组的领导下，启动了水运仪第二阶段的复原工作。
要想准确复原这台仪器，首先要阅读大量的文献资料，罗先生独辟蹊径，采用了“试验考古”的方法，广泛收集资料，将当代学者的大量著述和古代的相关工程技术文献全部仔细研读，寻找突破口。通过对《新仪象法要》逐字逐句地分析，最终推演出水运仪象台运行部件之间的逻辑关系，考量了每一个部件的功能，设计了运行逻辑图和控制系统的各部件动作时程关系图，感悟出了古人在当时的技术条件下“巧拙互补、以简制繁、天法自然”的设计理念。
阿里巴巴宝藏的大门，由此徐徐开启。
经过5个月的努力，到了2012年春节，罗先生的脑海中已经构架完成一台运行稳定的水运仪象台模型，他通过反复的设想和不断地反证，将构思不断打磨，最终完成了一套完整的水运仪象台动态运行系统和制造图纸。通过又一年的艰苦攻关，过了2013年春节，水运仪象台的核心动力和控制系统便进入了实物研制阶段，经过四个月的辛苦付出，擒纵系统顺利完成。
2014年8月4日，国家天文台和中国科学院自然史研究所组织6位天文领域的专家，对水运仪的擒纵系统研发成果进行了鉴定，结论是“该枢轮于2014年4月27日实验基本成功，专家组此次考察对该枢轮给予了评价和肯定，同时提出了初步的建议以及今后1:1水运仪枢轮部分如何落实的讨论稿。”至此，对该技术难题攻克终于取得了胜利。
漫长的四年跋涉终于抵达胜利的终点。到了2016年8月底，一台1:5比例的完全通过水力运转的水运仪象台模型制造完成。2016年10月12日，由中国科学院国家天文台组织的水运仪象台的鉴定工作在北京召开，与会专家给予了这台仪器极高的评价。
当我们站在这台高约2.5米的水运仪象台面前之时，心中真的被震撼到了。这台按照1: 5比例复原完成的模型，其精美和精巧程度会让每一个初次相见的人都赞叹不已。整台仪器的外壳完全是木制品，并做成通透形状，可让参观者对整台机械的运行情况一目了然。仪器的核心部件就是水力驱动系统和负责计时报时的枢轮控制系统。
按照罗先生介绍，枢轮的外轮缘上面安装了36个固定受水壶，通过擒纵系统控制枢轮的转动，每隔25秒便向下转动一格，那么枢轮转动一周便是15分钟。也就是说，在一千多年前的北宋时代，那些能工巧匠已经将时间的最小间隔缩短到了25秒，这是一项了不起的成就。水运仪象台通过精密的齿轮和连杆系统，在枢轮每转过15分钟的时候，便自动敲鼓报时；每当转过一个小时，就会自动敲钟报时；每过两个小时（古代的一个时辰），就会摇铃报时。
枢轮和擒纵装置是水运仪象台的动力及控制系统，重要性自是不言而喻，但是浑仪、浑象和自动计时报时系统设计之复杂也让人叹服。请看，整个计时报时系统与浑象、浑仪位于一条主轴上，这根轴称之为“天轴”。从上到下，安装了八重带齿轮的机轮，都被五层木阁遮挡，每一层木阁都有门，方便报时的小木人出入。
第一重机轮叫“天轮”，位于浑象仪的下面，与并与浑象仪的赤道牙相啮合，可以驱动浑象运转；第二重机轮叫“昼时钟鼓轮”；第三重机轮叫“时刻钟鼓轮”；第四重机轮叫“时初正司辰轮”，围绕这个机轮一周安装有24个小木人，相当于一昼夜分为12个时辰，每个时辰分配两个木人，分别在时辰开始和时辰正中出来报时；第五重机轮叫“报刻司辰轮”，在机轮四周除了24个司辰木人之外，还增加了72个司刻木人，每过一刻钟，就有一个小木人出来报时一次；第六重机轮叫“夜漏金钲轮”；第七重机轮叫“夜漏更筹司辰轮”；最下面也是第八重机轮叫“夜漏箭轮”。第六、七重机轮主要是为了夜间打更之用，第八重机轮是两个夜漏打更机轮的驱动轮。以上计时报时的装置统称为“昼夜机轮”。
水运仪象台动力机构枢轮的旁边，就是上水机轮，可以通过人工旋转水车，将水送到储水的天池之中，并根据水流的速度控制上水量。
这台精美的仪器除了考虑耐久性和长途运输的颠簸，核心部件采用铝合金材料之外，其余均采用木质结构。所有的结构部件与苏颂的《新仪象法要》所记载的内容完全吻合，零件一个不多，也一个不少。最关键一点，这是一台完全依靠水力自主运行的天文钟，曾经无故障运行长达33天，每天24小时（12时辰）误差也与文献记载相同，报时系统中的鼓、铃报时误差为正负1分钟，与古籍记载的丝毫不差。
水运仪象台，这座穿越千年的天文台，经过了中外无数专家半个世纪的呕心沥血，终于百分之百地完成复原任务，这是对中国古代天文学先驱的一次致敬，也是中国天文学史领域取得的重大进步。
当我们亲眼目睹这座古老仪器出现在自己面前，聆听着水流滴落漏壶的声音，聆听着枢轮运转发出的咔哒声，聆听着水运仪发出的晨钟暮鼓之声，千年的岁月仿佛触手可及，古老的科技重新焕发了勃勃生机。
