出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛
导语：中国古代科技落后？其实北宋时期，我国已发明出世界上第一台天文钟——水运仪象台。宋代天文学在世界上达到顶尖高度，与国家的大力支持是分不开的。在本期的SELF讲坛上，中科院人文学院的孙小淳教授考证历史，指出当时北宋在天文上的投入，相当于现在的150亿人民币（2015年中国财政收入的千分之一）！为什么要花这么多钱造这样一个似乎没什么经济价值的东西？其中有什么惊人内幕？且听孙小淳教授怎么说。
---嘉宾介绍---
世界上最早的天文钟
中国古代“观象授时”的需要和“天人合一”的思想，开启了制作自动化天文仪象的传统。在这个传统的积淀下，北宋的苏颂建造了水运仪象台，英国著名学者李约瑟认为苏颂的水运仪象台是世界上最早的天文钟，“从古希腊到中世纪一直到现代，从水钟到机械钟的发明，这里边缺失了一个历史的一环，这一环就是中国的中世纪制造的水运仪象”。水运仪象台其中的擒纵机构，与现在的钟表有着相同的原理，这就是为什么李约瑟说它是机械钟的鼻祖，是最早的天文钟。
水运仪象台的结构是怎样，又是如何运行的呢？
苏颂发明的水运仪象台有十二米多高，宽和广都有七米，大约相当于一个四层高的楼。它由三部分组成，第一部分就是上面的叫浑仪，是用来观测天体的仪器；中间一部分叫做浑象，用来观测天上的星星，星空的构造就是一个人间社会在天上的一个投影；第三部分是报时机构，外形看起来像一个分了许多层的宝塔，用来报时辰、报刻，还有夜里面的打更等等。现在北京的鼓楼，南京西安的钟鼓楼，都是古代的时间服务体系。
三个系统靠传动机构、齿轮、轴承连接起来，内部有一个枢轮，枢轮里面是一个大轮子，大轮子里边有好多辐条，每个辐条里边还有好多小水斗，这个水斗就接来自旁边的漏刻流出来的水，驱动它把刚才讲的三个系统转动起来，这就是水运仪象台的总体运行情况。
国家财政收入的千分之一，项目主持来者何人？
那么说回今天的主人公苏颂，苏颂是福建同安人，1020年出生，22岁时就中了进士，在中央和地方做了许多年的官，同时也在科技领域做出了很大贡献。1057年左右，他创作了《嘉祐本草》，成为中医药领域的重要著作，更第一次把图像带进了本草。他在1086年到1092年的六年时间里做出了水运仪象台，这时他的官员级别已经到了宰相级，相当于现在的国务院总理。孙小淳教授研究得出，这项工程花钱将近五万贯，相当于当时国家财政收入的千分之一，是一个国家级的浩大的科学工程。对比当今，2015年中国的财政收入是15万亿人民币，如果是千分之一用来做一个天文仪器的话，那它就是150亿，可见宋代的天文学能在世界上达到那么高的高度，是同国家的投入分不开的。
建水运仪象台原因之一：古代“观象授时”的传统
至于为什么要建水运仪象台，在天文学角度来说，天文仪器的目的首先是观测，是要制定历法，在古代叫做“观象授时”。《尚书尧典》中记载当年的尧帝，传说中的尧帝乃命羲和，钦若昊天，恭恭敬敬的对天进行崇拜，历象日月星辰敬授人时，这是一个传统。几年前，考古所在山西临汾发现了一个公元前两千多年的遗址，这就应该是最早的尧帝时代的天文台。它的原理就是这有一排柱子，东面排成圆弧形，看日出的方位来定季节，这绝不是一个传说，考古证明这个传统是由来已久的。
在这个水运仪的技术里边，有一项重要的技术就是漏壶（也叫漏刻），漏刻就是时间，汉代的漏壶下面扎一个小孔看水流出来，上面插一根箭，水越来越低这个箭就落下去，上面的刻度就是时间。但是因为水面越低水流越慢，这样记录的时间必定是不均匀的，所以到了宋代的时候就发展成了多级漏壶，上面水库一级一级的下来，这样就使得真正要注入授水壶的那个壶水位是一定的，还有很多的技术维持水流的稳定，所以漏壶技术的发展对于水运仪的制作也是非常重要的。公元一世纪雅典古罗马广场的水钟，高度大概也有12米多，里边具体的机构现在都不知道了，但这也体现出了一个观象授时的传统。
建水运仪象台原因之二：解决天文观测中的“人差”
天文学毕竟是一个观测的科学，我们需要把天体运动观测准了以后然后再来制定历法，这个观测如果是每一个不同的人去观测，我往这边偏，你往那边偏，就会造成人差。所以，如果我们自动化地观测不是可以把这个人差消除吗？苏颂就有这样的想法。
天文学在古代是非常重要的，它制定的历法是皇朝，是我君传神授的象征，所以在宋代的时候每换一个皇帝就要制定一部新的历法，历法是永远不会准的，但是改历一定是政治的需要，正是一个技术的需要和政治需要结合，每次伴随着换历就需要用天文仪器进行新的天文测量，所以天文的需求和仪器的制作在宋代是不断的发展的。
历法里面最重要的问题就是行星运动，西方亚里士多德认为天上是完美的，所有的运动都是匀速圆周运动，古希腊对行星逆行提出本轮、均轮的理论。但是在中国用的不是几何系统，用的是一套数字系统。它把运动分成若干段，然后每一段给它一个速度。汉代拟合得还不是很好，到了唐代的时候僧一行的计算，就使拟合相当的准确了，由于那个时候已经发现了行星运动有不均匀性，考虑进来了以后它的误差有了一个质的飞跃。到了宋代的时候，有一部历法叫纪元历，是1107年做的，用来推算火星的运动。我们和当时16世纪欧洲已经用了哥白尼的日心说推出来的普鲁士星历表来比较一下，可以看出误差情况大致相同，也就是说中国古代的数值方法在11世纪或者12世纪初就达到了欧洲16世纪中的水平。
火星运动是一个很麻烦的事情，发明行星三大定律的开普勒把火星运动的研究叫做火星之战。其实我国宋代也有一个人，这就是沈括。他的解决方案如下，首先要制作新的天文仪器，然后进行五年的观测，然后再改进天文历法。但遗憾的是沈括的计划是流产的，不是他的思想不对，不是他没有找到了问题，而是受到了当时的政治体制的影响，因为在当时的天文台里边，很多人都是裙带关系，只拿工资就不做事，不但不配合他的工作，还“恶朴之术过己”，他的能力超过他们，大家就拼命的告他。
所以说我们很遗憾，在中国北宋实际上有机会可以很好地来解决火星运动问题，但没有做到。苏颂看到这样的情况，他希望在仪器上来解决这个问题，所以说他在《进仪象状》报告里面就说，观测要“须人运动，人手有高下”，如果用自动化，不是一个很好的做法吗？
这就是苏颂为什么要花大价钱造水运仪象台的部分原因，更多内幕，请看孙小淳教授的演讲。
