新仪象法要译注

    《新仪象法要》(以下简称《法要》)是我国宋代大科学家苏颂
(1020—1101)为其主持创制的“水运仪象台”而编写的仪器构造及使用
说明书。全书共三卷，书首列有“进状”一篇，上卷自“浑仪”至“水趺”
共十七图，中卷自“浑象”至“冬至晓中星图”共十八图，下卷自“仪象
台”至“浑仪圭表”共二十五图。图后各有说明。此书曾收入《四库全
书》。它文字虽不多，却是我国十一世纪前天文学伟大成就的巡礼，是
中国古代天文仪器制造技术的展览，同时也反映了古代在静力学、动力
学、光学、数学、机械制造学和自动控制等许多领域的辉煌成果。
    天文学是自然科学中发展*早的一门学科。中国古代天文学所
取得的许多具有中华文化特色的成果，在世界科技史上，曾长期处于
领先的地位。例如，它建立了一种有天极的赤道坐标系；提出了一种
早期的无限宇宙概念；发展了数值化天文学和星表；持续长时间正确
记录了星体观测现象；特别是相应研制了一批水平甚高的天文仪器，
它使得“中国天文学在整个科学史上所占的位置，应该比科学史家通
常所给与它的重要得多”。(《中国科学技术史》天学卷)
    天文仪器的使用，我国很早就已经开始，代代相传，并由官方天
文人员严加监护保密。宋代苏颂所主持研制的水运仪象台，于宋元
祐元年(1086)开始设计，建成于元j；占三年(1088)。他所撰写的《新
仪象法要》(1093—1096)，作为水运仪象台的设计说明书，介绍了十
一世纪我国天文学和技术科学的伟大成就与反映当时技术科学的惊
人发展水平，是我国现有*早、*详细的天文仪器专著，特别珍贵的
是书中附有丰富的附件及零件图，使后人可以据此对水运仪象台本
身有较为全面的了解和认识。
    一、水运仪象台反映了我国古代天文仪器研制工作的*高成就
    水运仪象台的定名，有过一番曲折。苏颂本来就称其新制的天文
仪器为“水运仪象台”，但当时一些官员根据“五德终始”的学说，认为
 宋朝是“以火德王”的，水能克火，因而断言此名对于国家不利，主张改
名，差点引起政治风波，*后“水运”两字只得取消，而名“新仪象”，后
人才又核定恢复使用原来这个名字。这台天文仪器，把浑仪、浑象和报
时装置组合为一体，并以水力驱动，通过多级齿轮传动系统，使各机构
运转，并保持与天体运动步调一致，因此加上“水运”二字是必要的。
    古代有些天文学家对浑仪、浑象、报时机构和水运系统，曾将他
们单独制造使用或部分组合使用，但都未将这样多的功能和机构组
合成为一个整机；虽也有人做过这方面的尝试，但只留下简略的记
述，而没有具体的图纸和实物。
    苏颂是从事于将多种仪象组合于一台仪器中的实践者。他认真
地吸收各家之长，加以创新和综合，在报时装置上汲取了北宋初年天
文学家张思训的太平浑仪的结构并作了改进；水运推动系统采用了
汉代张衡的“漏之转之”原理，以及以后各个朝代水运纬天的“注水激
轮”装置；在机械结构上，又采用了民间使用的水车、简车、桔槔、凸轮
和天平杠杆等机械原理，遂将观测、演示和报时装置集中起来，组成
了一个自动化的天文台。
    首先，水运仪象台的天衡系统是现代钟表的先驱。
    由漏壶恒压头、恒流量和恒流速的水力推动的有30个水斗和勾
状铁拨子的“枢轮”，经过“天衡”系统的控制减速，呈恒转速输出。
这种“天衡”系统对“枢轮”的控制，与现代钟表的部件“锚状擒纵器”
作用原理基本相同。英国著名科学史家李约瑟博士在深入研究之
后，改变了他过去的观点，在《中国科学技术史》中说：“我们借此机会
声明，我们以前关于‘钟表装配……完全是十四世纪早期欧洲的发
明’的说法是错误的，使用轴叶擒纵器重力传动机械时钟是14世纪
在欧洲发明的。可是，在中国许多世纪之前，就已有了装有另一擒纵
器的水力传动机械时钟。”
    其次，水运仪象台的传动系统是现代天文台跟踪机械——转仪
钟的雏型。
    水运仪象台的观测浑仪，其“天运环”是由恒转速的“枢轮”经过
齿轮系统的换向和变速驱动的，转速有一套调节系统，可使浑仪的四
 游仪窥管随天体运转。这与现代转仪钟控制的天体望远镜随天体转
动一样。
    再次，水运仪象台的活动屋板是现代天文台圆顶的祖先。
    苏颂水运仪象台顶端有九块活动屋板，可防雨雪淋蚀，又可根据
需要自由打开进行观测，这种活动屋顶目前各国天文台已普遍采用，
而水运仪象台是世界上*早可自由启闭屋顶的天文台观测室。
    苏颂创造了古代天文仪器的*高成就，同时代的浑仪没有他的浑
仪先进，金人攻下汴京，曾将苏颂的浑仪掠走，但到建炎元年(1127)浑
仪运回中都后，时人竟然不会安装。南宋定都临安，也想再造浑仪，把
苏颂的学生袁惟几和苏颂子孙找到杭州，但他们也无法掌握苏颂浑仪
的繁难结构和高超技术，而不能复制。再后来由于铸钢技术的发展及
看法的改变，再也没有看到有关复原水运仪象台的记载。
    二、《新仪象法要》对世界科技的巨大贡献
    《新仪象法要》是一部具有世界意义的古代科技著作。这部不足
三万字的著作，记下了中华民族古代的许多光辉成果，其中有世界上
*早的机械钟表的锚状擒纵器；它记录的游仪窥管随天体运动，是现
代天文台的跟踪机械——转仪钟的雏型；它记录的水运仪象台观测
室活动屋板，是现代天文台圆顶的祖先。此外，此书还为我们留下天
文仪器和机械传动的全图、分图、零件图五十多幅，绘制机械零件一
百五十多种，这是我国也是世界上保存至今的*早、*完整的机械图
纸。正是由于这些图纸保存至今，现代学者才得以进行研究，王振
铎、李约瑟才分别复原出水运仪象台。《新仪象法要》中的“苏颂星
图”也是一项重要的天文学成就，它是存于国内的*早的全天星图。
    苏颂在《法要》中绘制的大量图样中，包含水运仪象台全部设计图
共四十七幅，各图均绘制精细，线条均匀，清钱曾《读书敏求记》评论说：
“图样界划，不爽毫发。”这些设计图中，包括了总装图、部件装配图和图
样说明，确定了零件的结构、相对位置、连接方式、传动路线和装配关
系，体现出水运仪象台的总体设计思想。还绘有直接指导零件制作和
检验的零件图，因此它是水运仪象台施工制造的重要技术文件。
    在设计图的画法上，有些比较简单的零部件，苏颂采用正视图，依
 据物体的形状绘成单面图，如“天常单环”等。另有不少图是采用轴侧
图的画法，如“浑仪”“天池”等等。其图样系统与画法关系见图一。
    从图样系统可以看出，《法要》的设计图样已接近现代假想拆除
部件、零件的表云方法，也接近现代机械设计与施工的要求。有些零
件图为了节约幅面，直接绘在装配图上，如“天毂图”等。
    作者在图样兑明中，不仅清楚地注明了零件尺寸。还清楚地注
明了装配方法。总装图和零部件图上还注明了部件的名称，其中有
的零部件又有专门的零件图。依照旧例，所有的图样上都没有直接
注明尺寸，而是写于文字说明中，这可以作为制作时的尺寸依据，并
且无损于图形的大小及绘图的准确度。因为书中的各尺寸名称已有
特定的概念，通常使用的有直径、长、宽(阔)、高、厚等等。
    图线方面，《法要》和宋代其它科技著作中的图样一样，一般采用
一种线型——实线，且绘制线条规整，采用单线勾勒，依靠界尺作线，
足以表现物体节轮廓和质感。《法要》除以实线制图外，有时为了强
调和突出某一部分零件的形状，还采用大块涂黑的方法，使部件更加
清晰，如卷中的“浑象赤道牙”、卷下的“水运仪象台”、“运动仪象制
度”、“木阁”、“昼夜机轮”、“天轮”、“拨牙机轮”、“昼时钟鼓轮”、“报
刻司辰轮”、“木阁第四、五层”、“夜漏司辰轮”、“枢轮”、“铁枢轮轴、
天柱、天毂”、“天池平水壶”、“天衡”、“升水上下轮”、“河车天河”、
“浑象天运轮”等共达十八幅，均采用了这种表达方法。王振铎先生
在复原“水运仪象台”后指出：“经过反复实践的证明，图中的一点一
线都是有着它的意义，绝不是信笔拈来，任意挥毫的。……只要根据
术语用词、数字计算和绘图特征上的规律，将这三个条件统一起来，
就能制出符合原物的复制品来。”
    《法要》图样文字说明的内容完备，不但包括每一零部件名称、尺
寸等，还包括了制作零件的材料、工艺和装配方法、技术说明等，具备了
应有的技术事项，难能可贵。苏颂在书中虽然遗漏了一些重要的数字
和尺寸，如台的总体高度、个别点轮的点数、枢轮运转的周数、漏壶的恒
定流量，有些细节还互有出入，但只要知道了它的基本运转规律和已经
掌握了的多数计算数字，还是可以推算出遗漏及矛盾之处的。
     宋代工程图上的文字，书写整齐浑朴，图面美观，丰#列整齐，是我
国工程制图所用字体的典范。宋版书字体对后世各科印刷字体有巨
大影响，这从《法要》中当可看出。《法要》的文字、图样大小变化，安
排颇为得当。
    古代工程制图多从视感出发，特别是从经常观察的角度看物件。
《法要》中的图样在幅面上的安排一般是平衡的、稳定的，比例恰当，
部分结构和整体结构的特点相一致，疏密适度。
    《法要》图样安排的位置也是合适的，可以完整、清晰地表达物体
形状。图形一般绘制在图面的稍下方，图样的名称位于图的上方，零
部件的名称则注于其中或其侧，给人以稳重而舒展的美的感受。这
和宋代绘画艺术的巨大成就是分不开的。
    制图源于绘画，《法要》反映出宋代的工程制图已与绘画色彩脱
离，已从过去那种半经验、半直观阶段向着专业化、科学化的方向发
展，成为一门独立的科学技术，自立于我国古代的科学技术之林。在
机械制图发展过程中，《法要》的图样达到了很高水平。
    在《法要》中，苏颂为我们留下的星图有：“浑象东北方中外官星
图”(I)、“浑象西南方中外官星图”(Ⅱ)、“浑象禁微垣星之图”
(Ⅲ)、“浑象南极星图”(Ⅳ)、“浑象北极星图”(V)、“四时昏晓加临
中星图”、“春分昏中星图”、“春分晓中星图”、“夏至昏中星图”、“夏
至晓中星图”、“秋分昏中星图”、“秋分晓中星图”、“冬至昏中星图”、
“冬至晓中星图”计十四幅。
    在苏颂以前，星图的画法有以下三种：
    圆图法：它是以天北极为中心，以各恒星的去极度(某天体距北极
的纬度)和入宿度(即某天体与它所在宿的距星在赤道上的距离，用
“度”表示)为坐标量的极坐标式星图。对这一画法，苏颂做了相当中
肯的评价：“圆图视天极(按：北极)则亲，视南极则不及。”“近北，星颇
合天形；近南，星度当渐狭则反阔矣。”(《新仪象法要》卷中)认为依圆图法，
对于北极附近的恒星的相对位置失真较小，但离开北极越远，恒星相对
位置的失真也越大，特别是过了天球赤道以后，变形则更大，以致造成
恒星间的间距理当渐小，而在星图上则表现为渐大的不良效果。
     横图法：它是以去极度为纵坐标，二十八宿为横坐标的直角坐标
式星图，纵坐标的零点即为赤道。对此，苏颂亦有极得当的评述：“横
图视列舍则亲，视两极则疏”，“去两极星度皆阔，失天形矣。”(同上)即
依横图法，对于赤道附近的恒星的相对位置表达得比较好，但越接近
两极，失真越大。
    圆一横图结合法：它把北极周围紫微垣附近的恒星画成圆图，又
把赤道两侧的恒星画成横图，即取圆图、横图两种画法的优点，从而
较好地克服了星形较大失真的弊病。这种画法*早出现于唐初，著
名的“敦煌星图”就是依据此法绘成。
    苏颂**组星图的画法采取的就是圆一横图结合法，(Ⅲ)为圆
图，(I)(Ⅱ)为横图。显然，苏颂是继承了前人的成果，但是，星图
的绘制已远较“敦煌星图”精致，而且更具连贯性和系统性的特点。
这一组星图的绘制方法已与现代星图的绘法相当接近。
    第二组星图的画法，则是苏颂的新发明，它可称为双圆图法。
“今仿天形为覆仰两圆图。以盖言之，则星度并在盖外，皆以图心为
极。自赤道而北，为北极内官星图；赤道而南，为南极外官星图。两
图相合，全体浑象，则星宫阔狭之势与天吻合，以之占候，则不失毫厘
矣。”(同上)即把天球沿赤道拦腰截断，分别以南、北极为中心，以圆图
法绘成两个圆图，从而消除了单一的圆图造成的星度当狭而反阔的
现象，确为一种减小失真的好方法，这是星图绘制中的一项新成就。
    “苏颂星图”是目前保存在国内的*早全天星图。在苏颂之前的
全天星图，保存下来的还有一幅唐代“敦煌星图”，现存伦敦博物馆，斯
坦因编号Ms3326。“苏颂星图”比“敦煌星图”更细致、更准确。“敦煌
星图”绘星1350颗，“苏颂星图”绘星1464颗；“敦煌星图”还是依据
《礼记·月令》的资料，并非实测，而“苏颂星图”是根据北宋时期的实
测绘制；“敦煌星图”是从玄枵开始，按十二次的顺序作不连续排列，中
间夹以文字说明，有关分野问题是不科学的；“苏颂星图”从角宿开始，
按二十八宿顺序，作连续排列，有关分野等不科学成分已完全消除。