亞歷山大與希臘化文明:西方史的一個黃金時代(19) 安提基特拉機械

安提基特拉機械(Antikythera Mechanism)殘片A正面,包含最多的齒輪組,最大的青銅齒輪清晰可見

安提基特拉機械

希臘化時代除了在理論科學方面有卓越成就之外,在應用科學方面的成果同樣豐碩。

由公元前3世紀到前2世紀這段時間,居住在東地中海各希臘化國家、城市的希臘人掌握了製造複雜機械的方法,當中有部分機械的先進程度令20世紀的考古學家不能相信它們是來自兩千多年前的世界,甚至被陰謀論者歸類為超古代文明甚至外星人所製造的歐帕玆(OOParts,時代錯誤遺物,意思是在當個年代技術水平被認為不可能由人類製造的考古文物)。

這章節中,筆者會主要討論關於各種古希臘機械的考古發現、當中所使用的技術和運作原理,同時會對其他希臘化時代的重大機械發明如水鐘等的工作原理作初步探究。

曾經被認為是遠遠超越古希臘人科技水平,並被認為在那個年代無法造出的機器,就是1902年在希臘安提基特拉沉船上發現的安提基特拉機械(Antikythera Mechanism),它的先進程度在之後的千餘年間未被超越,直到14世紀中世紀末期至文藝復興初期,類似複雜程度的機械才在歐洲重新出現,其製作工藝和微型化水平甚至可以和19世紀的鐘錶相媲美。安

提基特拉機械並不是一開始就獲得學術界重視,公元1901年,希臘的海棉採集者在安提基特拉島對開45米深的水底發現一艘古羅馬沉船,並撈起青銅、大理石雕像、玻璃以及安提基特拉機械的殘片,潛水員撈起類似的殘片總共有82件。

當時安提基特拉機械只是一團不起眼的生銹青銅和已經腐蝕的木頭,並無引起希臘雅典國立考古研究院考古學家的注意。雖然後來考古學家Valerios Stais注意到生銹的青銅殘片中似乎有齒輪在內,但當時考古學界主流都不相信古希臘有能力造出如此複雜的機械,因此安提基特拉機械靜靜躺在博物館半個世紀。直到1950年,英國科學家普萊斯(Derek J. de Solla Price)才重新注意到這件文物。

安提基特拉機械的X光造影照片,顯示在表面上一團令人難以看透的青銅內裡,有多達30個以上的齒輪,複雜和先進程度遠遠超越了公元前150-100年嘅年代

1971年,普萊斯和希臘方面的考古學家合作,利用X射線和伽馬射線造影獲取安提基特拉機械每件殘片的內部構造,發現其中4件殘片包含齒輪(geared wheel)。

1974年,普萊斯和他的研究團隊發表70頁的論文,內容震驚了整個歷史學界,並顛覆、改寫了學術界主流對希臘化時代科技水平的評價。普萊斯發現的是人類歷史上第一臺機械式計算機(analog computer),距今年代遠達2,000多年。

安提基特拉機械由一個高34厘米、長18厘米、厚9厘米大小的木箱裝載,內含至少30個青銅齒輪,當中最大的齒輪直徑14厘米,並帶有223個三角齒。

現代考古學家通過電腦斷層掃描重構此機械,推斷出它完整時應該有37個齒輪,機械操作的辦法是通過轉動一個曲柄輸入一個日期,齒輪會轉動並計算出太陽、月球在黃道上的位置、月亮的盈虧、跟蹤每4年一次的奧運會週期,並有可能可以計算日月蝕週期和行星的位置。計算結果在機械的正、背面由轉動的指針顯示出來,機械正面設有一組指針,分成內外兩環;背面則設有5組指針。

而機械在計算月球位置時,甚至能夠將月球近地點和遠地點的不同速度一併計算,顯示希臘化時代知名天文學家喜帕恰斯(Hipparchus)可能參與其設計。

托勒密三世公元前238年的曆法改革引入古代世界最精確的太陽曆,即一年有365又1/4日,每4年一個潤年,此機械設計為一年有365日但預留計算每年多出1/4日的可能性。

考古學家發現安提基特拉機械的設計者為計算月亮的盈虧,以及在一個指針上的小球將之顯示出來,採用了差分齒設計(differential gear),亦都是有考古證據支持歷史上最早的差分齒輪組,將同類機械的發明時間推前了超過1,800年。

 

安提基特拉機械中所使用嘅差分齒輪組(differential gear assembly)

 

安提基特拉機械的建造年代和地點一直都是考古學界爭議不休的議題。安提基特拉沉船的日子可以追溯到公元前1世紀中期,因此機械的製造時間不可能晚於這個日期。

目前歷史學界普遍相信安提基特拉機械比沉船的日子要早,是公元前約150至100年的產物,但仍然有人提出公元前205年(最早)及公元前87年(最晚)的可能性。

而機械的製造地點被認為有可能是羅德島(Rhodes)、敘拉古(Syracuse)或者小亞細亞的巴格門(Pergamon),對此歷史學界並無一致結論。但安提基特拉機械到底是否古典時代一個異數,希臘化時代天才的唯一產物?

文獻記載顯示,類似的機械式計算機和天文鐘在希臘化時代和羅馬時代都曾經出現過,並不是只有安提基特拉機械一個例子。關於機械式計算機的記載最早甚至可能是在阿基米德的時代(公元前3世紀)已經有。

阿基米德曾經寫過一本已經佚失的書叫《球體製作論》(On Sphere Making),後世相信就是描述關於天文計算機的製作方法。事實上,公元前1世紀羅馬作家西塞羅(Cicero)就曾經在他的著作中提過阿基米德在公元前3世紀所建造的兩個天文計算機,可以追蹤日月以及五大行星的運行,兩臺機械均於公元前212年由敘拉古圍城戰的羅馬將領馬克盧斯從西西里島帶回羅馬,其中一臺被捐贈予維圖斯神廟、另一臺則作為傳家之寶收藏。

據記載,兩臺機械均可準確跟蹤天空的轉動,並預測日、月蝕的發生。根據西塞羅所述,可以計算天體運行的機械在希臘是更古老的發明,甚至早在公元前7世紀至6世紀米利都的泰利斯(Thales of Miletus)時代已經有。類似的技術可能被羅馬人所獲得,公元1世紀尼祿皇帝的皇宮金殿中,就有一座轉動的宴會廳,天花板上裝有機械可以晝夜跟隨天上的星體運動,歷史學家相信尼祿的天象儀很可能利用了相同或者類似的技術製作而成。

安提基特拉機械所使用的三角齒亦都為其他希臘化及羅馬時代發明的機械裝置提供新的證據,例如羅馬人在建造高速公路時用作安裝里程碑的計程車,由於較早期的歷史學家採用方型齒來重構因此復完失敗,但當使用安提基特拉機械的三角齒,該古代計程車的數字顯示器就能夠完美運作。如今歷史學界已經普遍接受希臘化及羅馬時代擁有製作三角齒齒輪的技術。

 

克特西比烏斯(Ctesibius)所發明嘅水鐘(clepsydra)復完原品想像圖,公元17世紀

除了安提基特拉機械以及計程車之外,希臘化時代另一個偉大而具實用性的發明就是水鐘(clepsydra),這個發明筆者在之前介紹希臘化物理學、氣動力學及生理學時都有提到過,希臘化時代生理學家希羅菲盧斯(Herophilus)就曾經用水鐘準確計算病人的心率。

水鐘在希臘古典時代的雅典被用作法庭上的計時工具,但早期的水鐘構造相當簡單,只是一個帶小孔而裝滿水的陶壺,當水流乾之後就代表發言時間結束,只能夠當作簡單的秒錶(stop watch)使用。然而,水從陶壺中流出的速度並不均等,當水滿的時候水流速度會更快,當水乾的時候流速則會減慢。

克特西比烏斯及費隆(Philo of Byzantium)所發明的水鐘結構上複雜得多,最頂處設有一個水源,以保持水位長期處於滿盈狀態,下方第二個陶壺水位會以均速緩緩上升,當水位上升到頂部時,另一個連接陶壺的虹吸管就會自動將壺內的水排走,以重設壺內水位。壺內設有一個浮標,當水位上升時,浮標連帶指針一起上升,以允許當前的時間在一個劃上刻度的圓筒上被讀取。帶有刻度的圓筒會在水力驅動的齒輪組帶動下緩緩轉動,以顯示一年中不同月份、日期日照長度的差別。

因此,希臘化時代的水鐘可以不需經人手全自動運作,一年365日、一日24小時不斷重覆循環,只需要讀取指針讀數就能夠得知時間,是一個天才的發明。費隆甚至將擒縱器(escapement)首次應用在水鐘之上,一直到惠更斯發明鐘擺,希臘化時代的水鐘都是人類所掌握最精確的計時機器,並代表著希臘化時代尖端科技的結晶。水鐘被安裝於雅典的風之塔中被用作計時之用,是歷史上有記錄最早向公眾展示的計時工具。

根據中國古代《舊唐書》記載,拂菻國即當時的拜占庭首都君士坦丁堡城門上設有一座計時設備:「第二門之樓中,懸一大金秤,以金丸十二枚屬於衡端,以候日之十二時焉;為一金人,其大如人,立於側,每至一時,其金丸輒落,鏗然發聲,引唱以紀日時,毫釐無失。」(《列傳第一百四十八,西戎》),可見類似技術在古典時代晚期之後的保存和傳播,直到拜占庭時代仍然被保留及應用。

從這章節的內容可見,希臘化時代期間,古希臘科學家發展出精密的鐘錶以及天文計算機技術,是類似技術的始創者。尤其是安提基特拉機械的發現和解謎,更加迫使現代人重新評價古希臘人的科技水平,即使在2,000多年後科技發達的今日,希臘化時期的成就仍然讓人讚嘆並且印象深刻。