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2006-12-7

寻回失落的时间

归档于: 天文空间科学, 史海钩沉 @ 12:10 pm

Jo Marchant
译自news@nature.com,2006年11月29日

古老的Antikythera机不仅挑战着我们对技术随时间变迁的认识,还给予我们历史本身的新知。

在充满回声的大厅中,它看起来象是来自另一个世界的东西,与充斥着其他地方的经典雕像与瓶瓶罐罐完全不同。3片看起来象是绿色千层酥的东西用珀思配克斯有机玻璃架支起。在每块残片中,一层层曾经以金属制成的什么东西挤在了一起,现在,石灰质附着物以及从灰白色的二氧化锡到深蓝绿色的氯化铜的各种锈蚀将它们覆盖。在被雅典国家考古学博物馆收藏之前,这样东西已在海底沉睡了2000年,现在它在这座博物馆展出。

Antikythera Mechanism

图片提供:J. Marchant / Antikythera Mechanism Research Project

但攫住我呼吸的是它的细节。在粉末状沉积物之下,沿着螺旋状标尺可见小而费解的文字。这是设备齿轮边缘的迹象。残片旁边有一张X光照片,说明了这个东西的内部结构。它看起来就像是腕表的内部。

这就是Antikythera机。这些残片至少包含了30个连锁的齿轮,以及大量的天文学铭文。在它沉睡海底之前,它计算并演示了太阳、月球(可能还有行星环绕地球)的运动,并预测过未来的日食时间。这是我们所拥有的正统历史文物中最令人吃惊的一件。

我们没有找到任何更早的齿轮装置。之后在超过1000年的时间里,没有什么在技术上比它精密的东西发现,直到中世纪的欧洲出现了天文钟。它以前所未知的例外出现,扯碎了祖先与后代之间的联结。

因为Antikythera机是如此的不寻常,它所受科技史家和考古学家的关注相对较少。Mike Edmunds及其同事在本周Nature杂志上发表的文章(详见Decoding the ancient Greek astronomical calculator known as the Antikythera Mechanism)虚拟重建了这一装置,可能有助于改变这一现状。借助首创的残片内部三维图象,作者的观点近乎完全阐明了该装置的运行原理,这可能蕴涵着制造者的线索。

但我同样对另一个更困难的问题感兴趣:这一技术出现后,它又往何处去了?某项复杂技术似乎突然出现的事实并不那么令人惊讶,毕竟2000年前的记录和文物都是很稀罕的。对于来自充满进步的21世纪的观察者来说,更令人惊讶的是,同一技术显然没有带来随后的传统——不断进步的时钟技术传遍全世界。为什么制造如此伟大机械的才能随着历史凋谢,却没有留下什么显著的影响呢?

 

天文学的飞跃

为了解这一装置不幸被装入后来失事的船只之前的样子,我拜访了Michael Wright,他曾担任伦敦科学博物馆馆长20余年,现已退休。走入Wright在Hammersmith的工作室,场面有点类似H·G·威尔斯制造时间机器的车间。地板、墙壁和长凳上的每一寸空间都被老式金属器具、设备的模型占据,从古阿拉伯的星盘到20世纪的长号。喝茶期间他得意地向我展示了他那展示了Antikythera机曾经可能的模样的模型。这个模型及其代表的知识耗去了他大量的时间。

Michael Wright

模型的成功:Michael Wright究其一生破解并重现Antikythera机。(图片提供:A. Wright)

装置放在比鞋盒稍小,略呈方形的木箱中。前面有两个金属钟面(黄铜制,尽管原件是青铜的),其中一个套在另一个里面,显示了黄道及一年中的天数。金属针指明了日月及肉眼可见的五大行星位置。我旋转了盒子一侧的木质旋钮,于是时间在我眼前流逝:太阳沿钟面运行一周的二十分之一时,月球旋转了一整圈。从靠近钟面的小窗向里看,可以看到一个半黑半白的旋转小球,可以显示变化的月相。

盒子背面是两个螺旋刻度盘,一个在另一个之上。每一个刻度盘中心处的指针象记录笔那样沿螺旋凹槽缓慢移动。Wright解释道,上方的刻度盘显示的是默东章,精确等于235个月即19年。而根据Edmunds及其同事的研究,下方的刻度盘应等分成223份,与预报交食的223月长沙罗周期一致。

为了给我看看内部结构,Wright打开了盒子,开始取出齿轮。Antikythera机的已知齿轮是30个,最小的直径不及1厘米。它们都有三角形的齿,齿数在15到223之间,每一个都是以青铜片手工制成。转动侧边的旋钮可以带动一个大齿轮,转速一年一周,用于测量日期。其他齿轮驱动着月球、太阳和行星针,以及默东和沙罗螺旋的指针。

观看模型工作的目的是找出有着进行原始设计天才的人。可惜的是,大量铭文中没有一处是签名。但其他线索是存在的。Jacques Cousteau于1970年代在此地发现的钱币可以定出船只失事的时间是公元前85年后不久。根据Edmunds的论文,器件本身的铭文说明,在失事前它已使用了至少15至20年。

Gears

换档:这张复原图展示了用于抵消月球9年运动周期的齿轮。Archaeology: High tech from Ancient Greece一文中提供有带注解的图片。(图片提供:Antikythera Mechanism Research Project)

失事船只中装有大量奢侈品,包括来自小亚细亚沿岸Pergamon的雕像和银币、当时富饶的贸易港口——罗得斯(Rhodes)风格的花瓶等。船在东西爱琴海之间繁忙航路的中段沉没,而公平地打个堵,当时它要西行至罗马,那时它在地中海一带是支配性的力量,其统治阶级喜爱希腊艺术、哲学和技术。

罗得斯风格的花瓶是明确的线索,这是因为在公元前1-2世纪,罗得斯是天文学的中心。人们认为,依巴谷这位有争议地最伟大的希腊天文学家在公元前140年前后工作在该岛,直到公元前120年去世。之后,哲学家Posidonius在那里创办了天文学学校,继续了依巴谷的传统。Edmunds和他的同事认为,该装置正是基于这样的传统而诞生。公元前1世纪的罗马律师和执政官西塞罗则提供了间接证据。西塞罗曾在罗得斯学习过,之后写道,Posidonius制造了一种装置,可以“每运转一周,可以模拟出太阳、月球和5颗行星在天空中每日每夜的同样运动”。Antikythera机的发现使故事的真实性十分诱人。

Gears

暴露内部:计算机X射线断层摄影得到的主要残片照片,供精确建模用。(图片提供:Antikythera Mechanism Research Project)

现在,Edmunds还有另一条理由相信,该装置的制造者是依巴谷或他在罗得斯的后继者。他的小组对残片的三维重建发现了该装置新的一面,这既灵巧,又可以直接联系到依巴谷的工作。

其中一个齿轮与主驱动轮相连,每9年运转一周。其上固定的是一对小齿轮,其中一个几乎(但并不精确地)放置在另一个的正上方。下方的齿轮上固定有一枚销钉,与上方齿轮上的一条狭缝啮合。当下方的轮子旋转时,销钉推动上方的齿轮旋转。但由于两个齿轮并非同心,销钉在上方的狭缝中前后移动。结果是,上方的齿轮时而加快,时而减慢,这取决于销钉是稍稍远离还是稍稍靠近齿的尖端(详见Archaeology: High tech from Ancient Greece一文的插图)。

研究者意识到,有关齿轮运动的方式极其类似月球环绕地球运动的变化,而这一现象被依巴谷描述过。当月球距离我们较近时,它看起来运动得更快。而月球轨道的近地点本身大约每9年旋转一周。依巴谷是第一个用数学方法描述这一现象的人,其思想的基础是,月球轨道虽然为圆形,但圆心偏离地球,且每9年绕地球一周。Antikythera机中,这一理论被漂亮地转化成了机械的形式。Edmunds小组中解决了大部分机械问题的数学家Tony Freeth说:“这一观点不可思议地精巧。我不知道他们对此的观点是什么。”

加拿大多伦多大学的天文史学家Alexander Jones补充说:“能找到这一想法的机械表示,我感到非常惊讶。”他说,目前为止,Antikythera机并没有对科学史产生多大的冲击,“但我认为这会改变的。这绝对是当时天文学达到的技术水平。”

Wright相信,虽然这部分装置已经遗失了,但有类似的机构为当时已知的5颗行星以及太阳建模。他在拨弄着他模型上的齿轮来演示时,日、月和年流逝了,每个指针都交替地减慢或是加速,以模仿天文学上的行星在相应球面上的运动。

 

希腊悲剧

几乎每个研究过这一装置的人都会赞同,这不会是唯一的——它可能需要数代人的实践才能做到如此专业。实际上,西塞罗写到过一种类似的机构,据说是由阿基米德所制。那件据说是在公元前212年西西里城市叙拉古沦陷,阿基米德被害时,被罗马将军马塞卢斯偷走的。这一装置被马塞卢斯家族作为传家宝,而作为这一家族的朋友,西塞罗实际上可能看到过它。

那么,其他例子呢?对于受过教育的人来说,天体运转的模型是有用的。青铜对每个人都有用。大多数青铜器最终都被熔化,而雅典博物馆只有10座古希腊大型青铜雕塑,其中9座是从沉船中打捞的。所以,Wright指出,对于机械装置来说,“很幸运,我们有一个。我们只有这个,因为它并不在金属人像的范围内。”

但思想并不能被熔化,而尽管只有几个事例,仍有迹象表明,用齿轮装置模拟天空运动的技术在地中海东部一直存在着。在科学博物馆,有人带给Wright一架公元6世纪的拜占廷日晷,它残留有4个齿轮,可能至少使用了8个,来模拟天空中太阳和月球的位置。伊斯兰教兴起后的公元8-9世纪,很多古希腊的工作被翻译成了阿拉伯语,齿轮机械的传统很可能继续在哈里发统治地区存在。公元1000年前后,波斯学者al-Biruni描述过一种“月亮盒”的东西,类似于这架6世纪的装置。英国牛津科学历史博物馆中有一个1221–22间的阿拉伯语铭文星盘使用了7个齿轮,以模拟日月的运行。

但直到14世纪,才出现过复杂程度类似Antikythera机的装置,此时整个西欧出现了机械钟。Wright说:“开始只是不成熟的钟表。一旦出现了钟表,它们就被用于天文展示。”早期的例子包括Richard Wallingford在1330年前后制造的St Albans钟和之后不久Giovanni de’Dondi在意大利帕多瓦制作的钟表,它们都有天文用大型展示部件,在主钟面后都有精细的齿轮结构,以展示太阳、月亮、行星和(对帕多瓦钟而言)日食时间。计时功能似乎是无关紧要的。

有争议的是,中世纪技术与古希腊经典时代的相似性是否代表了对同一事物的不同发现,也就是时钟机构发展的某种会聚。不过Wright倾向于认为,它们是被未中断的传统联系的:“我发现,很容易就可以同意这样的观点,也就是这一技术被流传,但并没有记载,因为它是以很熟悉的形式重新发明出来的。”计时技术的西迁可能是受13世纪蒙古攻占巴格达的促进,这以后哈里发的知识散布欧洲。这之后不久,西方出现了机械钟,尽管没有人知道确切地点或方式。很有吸引力的观点是,一些机械装置,至少是制造的能力,同时传到了西方。如德国慕尼黑Ludwig Maximilians大学的科学史家François Charette指出的那样,“如果想转化技术,你不能仅仅依赖书本”。大多数书本省略了关键的技术细节,所以为了直接转化,你需要能力。

但倘或运用齿轮机械来展示天文现象的传统真的存在了1000年,此传统之下的技术水平至多是停滞的。中世纪欧洲的时钟机构更加精密,相当快地得到了更广泛的应用;而在古代地中海区,同样的技术没有带来任何相似的事情。为什么那时没有任何人就它做了任何更实用的事情呢?更明确的是,为什么没有什么人更早地解决明显的后见之明:时钟机构对制作钟表来说很有用?

伦敦帝国学院的科学史家Serafina Cuomo认为,这一切取决于你对“实用”的看法。她说,希腊人对精确的计时并不感兴趣。能分清一日之内的小时已经足够,而当时水力驱动的钟表已经可以很好地做到这一点了。但他们的确珍视知识、权力和威信。她指出,有许多描述是关于热空气或水——以及齿轮驱动的机械的。但打个比方说,他们没有发明蒸汽机,而是将这些装置用于演示哲学上的法则。英国剑桥大学的古典学者David Sedley说,这架机器能让人更好地理解宇宙的秩序。“他们用最先进的技术来演示天文学法则并不奇怪。这深深地扎根在他们的文化中。”

另外,并不与之排斥的是,理论认为,Antikythera机这样的器件是社会地位的表征物。Cuomo指出,非凡机械的展示带来了社会进步。她说:“他们尝试着压过同辈。对于他们来说,这是值得做的。”而希腊的精英群也不是仅有的潜在市场。富裕的罗马人也渴望一切希腊的精巧之物:几百年来,他们一直在引进哲学家。

明白了这点以后,Antikythera机可能促进其他机械的观点看起来就不那么明显了。如果它已经体现了当时最先进的天文学,还能用它再做些什么呢?社会地位的符号并不沿任何确定的进步曲线演变。更进一步,可以用机器从事工作的想法对于古希腊或罗马这种奴隶社会的人来说可能是非常奇怪的。Sedley说:“也许意识到技术可以作为减少劳动力的工具使用还需时日。”

动力也是个问题。人们认为,水钟偶然被用于驱动展示天文现象的齿轮机构。但滴水的压力只能使少量齿轮运转,把展示功能限制在比Antikythera机(据信由手动曲柄驱动)窄得多的范围内。机械钟的飞跃需要齿轮机构的动力采用人力之外的什么东西,而直到中世纪的欧洲,重锤驱动的时钟机构才出现。

 

发明的进化

加拿大多伦多大学的科学史家Bert Hall相信,走向重力驱动机械中的最后一个突破几乎是偶然出现的,也就是使用响铃装置。水钟可以驱动一个重锤或重物在两枚钟之间摇摆以充当警钟,直到某个人意识到,重物是驱动时钟更常规的首选方式。Hall说,当发现了另一种驱动时钟的方法后,“这项(时钟)技术飞奔而来,带来了新的传统。”

研究人员现在会希望能在历史记录中挖掘出更多的机械装置。Edmunds说:“我们希望能够吸引公众关注至此,也许一些常在博物馆打探的人能发现什么,至少是什么东西的线索。”早年的阿拉伯语手抄本目前只有一小部分被人研究过,人们认为这是充满希望的发现沃土。

Charette还希望,新近对Antikythera的复原能鼓励学者们更严肃地看待此物,并把它看作本质混乱的历史的提示。他说:“在公众和关心本学科历史的科学家中,仍有很多人认为技术发展是简单的进步。但历史充满了惊奇。”

同时,Edmunds的Antikythera小组计划继续研究这一装置,因为仍有铭文待解,而更多的残片有可能被发现。本周,研究者在雅典召开了一次会议,他们希望能借此引来新的方向。从国家考古学博物馆步行几分钟,Edmunds在雅典大学的同事Yanis Bitsakis和Xenophon Moussas招待我享用了茄子和炸章鱼组成的晚餐,并解释了他们为何能在某日能献身于一整座装满故事残片的博物馆。

Bitsakis说:“这与我们今天做的事情相同,它就象是现代技术。这是它能使人迷住的原因。”迷住我的原因是,我们在目睹借助技术精确测量时间以及造出可工作的机器的潜力,这是希腊人用于展示天空之美,并贴近众神的途径。


Jo Marchant是Nature杂志的新闻编辑。

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