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安提基特拉机械本文重定向自 安提基特拉机械

安提基特拉机械 (碎片 A – 正面); 可见的是机械中最大的齿轮,直径大约140毫米(5.5英寸)
安提基特拉机械 (碎片 A – 背面)
安提基特拉机械的A,B和C碎片

安提基特拉机械希腊文O μηχανισμός των Αντικυθήρων, O mēchanismós tōn Antikythērōn,或译为安梯基齐拉安提基瑟拉安提基西拉)是古希腊时期为了计算天体在天空中的位置而设计的青铜机器,属于模拟计算机[1][2]。该机器是于1901年在希腊安提基特拉岛附近的安提基特拉沉船里发现的[3]。该机械的制造年代约在公元前150到100年之间[4],至今已有二千多年。类似的如此复杂工艺技术直到14世纪时欧洲制造了天文钟后才重新出现[5]

法国海洋学家雅克-伊夫·库斯托最近一次探查该沉船是在1978年[6],但并未发现该机器其他相关的残骸。最近研究该机械的卡迪夫大学麦可·埃德蒙教授说:“该机器是如此的非凡,而且是仅此一件。这个设计是美丽的,其天文周期极为精确。这个机械的设计会让所有人惊讶得下巴脱落。无论是谁设计的都是非常仔细……在历史性和稀有度上,我必须承认这个机械比蒙娜丽莎还有价值”[7][8]

安提基特拉机械现在和德瑞克·约翰·德索拉·普莱斯制造并捐赠的重建品一起收藏于雅典国家考古博物馆。其余重建品位于美国蒙大拿州波兹曼市的美国电脑博物馆、纽约市的曼哈顿儿童博物馆和德国卡塞尔

由来

安提基特拉机械是目前所知最古老的复杂科学计算机。该机器内含多个齿轮,有时被认为是世界上第一个模拟计算机[9],虽然其结构的完美代表在希腊化时代可能还有些更老的类似仪器尚未被发现[10]。该机械可能是依照古希腊天文学家发展的天文学和数学理论制造,其年代大约是公元前150到100年之间。

现代学者的共识是该机械是在希腊语使用区域制造,所有机械上组件的文字都是通用希腊语[8]。一个假设是该机械是在希腊当时的天文和机械工程中心罗德岛上的斯多亚学派学者波希多尼制造,而天文学家喜帕恰斯参与了设计,因为该机械采用了喜帕恰斯的月球运动理论。但最近由安提基特拉机械研究计划于2008年7月31日发表在《自然》期刊的论文则宣称该仪器概念是来自于古代科林斯的殖民地,并可能和阿基米德有关联。

安提基特拉机械是在希腊安提基特拉岛Glyphadia海岸外的沉船中发现。该沉船发现于1900年10月,潜水员在船内发现大量的艺术品,目前都保存于雅典国家考古博物馆。1902年5月17日,考古学家维拉理奥斯·史大理斯检查发现的沉船中物品时发现一个齿轮嵌在一块岩石中。史大理斯一开始认为这是天文钟,但多数学者认为这是时代错误,这物品和同时期发现的其他东西相较之下太过复杂。对该物品调查的热潮很快下降,直到1951年英国物理学家德瑞克·约翰·德索拉·普莱斯对该机械表现了高度兴趣[11]

该机械为什么会在货船上的原因已经无从得知。研究者认为该船可能是从安提基特拉岛上掠夺的物品,要送往罗马做为尤利乌斯·凯撒凯旋式上展示之用[12]

机制

安提基特拉机械概要略图
安提基特拉机械2007年模型的前端

安提基特拉机械以其小型化和其部分装置的复杂性可与19世纪机械钟表相比而闻名。它有超过30个齿轮,虽然麦可·莱特认为它可多达72个有正三角形齿的齿轮。当借由一个曲柄(今日不存)输入一个日期,该机械就可算出日月或行星等其他天体位置。因为该机械是以地球表面观测天球者为参考座标,因此该仪器是基于地心说建立[13]

该机械有三个转盘,一个在前方,另外两个在后方。前方转盘有两个同心圆刻度,外围刻度是基于“天狼周期”(Sothic cycle)的365天古埃及历法,或称为天狼年。内圈刻度是古希腊的黄道带符号,并以角度区分。历法的转盘可以取下,并借由在毎四年将后方转盘往之前回转一天以补偿每个回归年中多出的四分之一日(一个回归年有365.2422日)。第一个有闰年儒略历是在公元前46年出现,但该仪器在儒略历之前一个世纪就已完成。

前方的转盘可能至少有三个指针,第一个指针指示日期,另外两个则分别指示太阳和月球位置。月球的指针已被调整过代表月球轨道的变化,因此相信太阳的指针也有过类似的调整,但相关机制的齿轮(如有)已经不存。前方转盘的第二个功能则是有一个月球的球形,做为月相指示。

该机械上有火星金星的刻字,这代表其制造者知道如何配置齿轮显示这两颗行星在天球上的位置。有些推测认为该机器可以指示所有古希腊人知道的五颗行星。但目前关于行星位置的部分除了一个齿轮存在以外,其余下落不明。

最后,安提基特拉机械前方面板是现代天文年鉴的前身(Parapegma),可以设定标记特定恒星的升起。一般认为每颗恒星都以机械上一个希腊文字母做标记。

在机械后面上方的转盘是螺旋形,每次旋转分成47个部分,代表19年或235个朔望月的默冬章。该循环对于历法修正很重要。

机械后面下方的转盘也是螺旋形,分成223个部分,代表沙罗周期,另有一个较小的辅助转盘代表三倍沙罗周期,54年的转轮周期(Exeligmos)。沙罗周期是由迦勒底人发现,其周期长度大约是18年11日8小时,是特定的周期。

由英国、希腊和美国专家组成的安提基特拉机械研究计划成员于2008年7月时,在机械上的一个青铜转盘发现了一个字"Olympia",相信是用来指示卡利巴斯周期(Callippic cycle);另外也发现了其他古希腊竞赛的名字,因此这可能是用来追踪古代奥林匹克运动会。根据BBC的报导:

转盘的四个部分刻上了年分和泛希腊运动会:科林斯地峡运动会、古代奥林匹克运动会、尼米安竞技会和皮西安竞技会;以及两个次要的运动会:在希腊多多纳举行的Naa运动会和另一个目前未知其名的运动会[14]

功能推测

德瑞克·约翰·德索拉·普莱斯提出该装置可能是公开展示,地点或许是罗德岛上的博物馆或公共会堂。罗德岛在当时是以机械工程闻名,尤其是罗德岛人擅长的自动机械。古希腊九位抒情诗人中的品达在他的第七首奥林匹克颂中提及:

中文翻译

栩栩如生的人形站立着,
装饰每一个公共街道,
而且似乎在做一成不变的呼吸,
或是移动它们的大理石脚。

英文翻译

The animated figures stand
Adorning every public street
And seem to breathe in stone, or
Move their marble feet.

反对该机器是公开展示用的理由如下:

  1. 该机械是小型仪器,代表该设计者的设计是紧凑设计,结果就是前方和后方转盘的尺寸并不适合公开展示。一个简单的比较就是雅典风之塔,这代表该仪器的设计是做为方便携带,而非固定在一个地方。
  2. 该机械有一个刻上至少2000个字母的盖子,因此安提基特拉机械研究计划的人员经常认为这是仪器说明书。这代表是为了便于携带和个人使用。
  3. 本“说明书”的存在代表该装置是科学家和工程师设计作为非专业的旅行者使用(记载文字有许多关于地中海的地理位置资讯)[来源请求]

该机械不太可能做为航海仪器原因如下:

  1. 日月食预测等资料并非航海必要。
  2. 海洋的潮湿多盐环境会使齿轮快速腐蚀,使其无法使用。

2008年7月31日,科学家在《自然》期刊发表了相关新发现,该机械的机制可以追踪默冬章、追踪日食和计算古代奥林匹克运动会的时间[15]。仪器上的文字与希腊西北部的伊利里亚和伊庇鲁斯,以及克基拉岛各月份的名称密切相关[16][17]

古希腊文学中类似装置

西塞罗的著作《论共和国》,一本公元前一世纪的哲学对话录,提及两个现代被认为是某种天象仪太阳系仪的仪器,可以预测日月和五颗行星在天球的位置。这两个仪器都是由阿基米德制造,在阿基米德于公元前212年的叙拉古围城战身亡后,这两台机器被罗马将领马库斯·克劳迪乌斯·马塞拉斯带回罗马。基于马塞拉斯对阿基米德的尊敬,并且其中一个仪器是在围城战后阿基米德保存的少数文物(另一台奉献给维耳图斯神庙),该机械被当成传家宝。西塞罗转述卢修斯·弗里乌斯·菲鲁斯(西塞罗所想像于公元前129年在小西庇阿的别墅中参与对谈的其中一人)的谈话称,盖乌斯·苏尔皮西乌斯·加卢斯(曾于公元前166年征询马塞拉斯的侄子,并确认老普林尼是首位著书解释日食和月食的罗马人)给他一个“学术上的解释”,并展示了他的研究:

我常听到这个浑仪或天球仪被著名的阿基米德提起。但它的外观对我而言并不十分突出;还有另一种更优雅且更多人知道的形式也是由阿基米德制造,并由马塞拉斯和罗马的维尔图斯神庙所拥有。但是当加卢斯开始解释,他强调该仪器的科学性和组成结构,我开始感觉西西里岛的几何学家必须是优于我们经常设想属于大自然任何事物的天才。加卢斯向我们保证,这个紧凑的球体是一个非常古老的发明,而且第一个模型是由泰勒斯展示。接着是柏拉图的学生欧多克索斯使用该仪器追踪天上恒星;再过了多年之后,阿拉托斯借用了欧多克索斯的美丽设计和展示,在他的诗中描述,不只是在天文学上,还有诗文中的语句修饰。他补充说,球体上表示日月和五颗行星运动的符号是原始的天球仪没有的。而在这里,阿基米德的发明是令人敬佩的,因为他计算了一个单次公转如何保持不相等和不同运动中的多元级数。
当加卢斯搬动了该天球仪,它显示了日月之间位置的关系;并且该青铜设备上的旋转次数和真正天空上的旋转次数是完全相等的。因此它会显示同样的日食状况和月球进入地球阴影区,并且当太阳和地球、月球在直线上....(以下文字散佚)
(就是可表示日食和月食)[18]

所以,至少有一个阿基米德制造的仪器(考量加卢斯的兴趣,事实上在《论共和国》中所述似乎是对天象的秩序,特别是日食和月食的关注)相当类似安提基特拉机械,而且直到大约公元前150年仍在使用。

亚历山大的帕普斯宣称阿基米德写了一篇关于这类机器的手稿,标题是On Sphere-Making,现已不存[19][20]亚历山大图书馆剩余的文件中描述了该仪器中许多细节,甚至有仪器本身的简图。其中一个仪器是里程表,其确切模型被罗马人用来放置里程碑康茂德皇帝时代由维特鲁威希罗描述)[21]。文件中的简图描述了其功能,但任何制造该仪器的尝试都失败了。当时图上的齿轮是正方型齿,当改以安提基特拉机械的三角形齿之后就可完美运作[22]。不管这是在亚历山大图书馆中烧毁的阿基米德文件和图画、或者是帕普斯发现的装置、或者并不相关都是值得商榷的。

如果西塞罗所说的是正确的,那该技术最早在公元前3世纪就已存在。阿基米德的设备也被后来的罗马作家提及,例如4到5世纪的拉克唐修(《关于上帝的教导》,Divinarum Institutionum Libri VII)、克劳狄(《In sphaeram Archimedes》)和普洛克努斯(《Commentary on the first book of Euclid's Elements of Geometry》)。

西塞罗也提及这类装置也被他的朋友波希多尼制造:“...日月和五颗行星在天球上每次相同的公转带来了昼夜...”[23]

以上提到的任何一个仪器或许并不是在沉船中找到的安提基特拉机械,因为阿基米德的设计和西塞罗所提的都是在预测的船沉日期之后至少30年的罗马,而且第三个仪器几乎确定在当时是在波希多尼手中。重建安提基特拉机械的科学家也同意该机械太过精密,而不可能是独一无二的。

根据西塞罗所述,安提基特拉机械可能不是独一无二的。这些纪录让人更加确定在古希腊已经有复杂机械技术,而且至少有一部分技术稍后传到了同样有复杂机械技术的拜占庭帝国伊斯兰世界,虽然在中世纪的机械比安提基特拉机械简单[24]。目前已找到一个制造于5或6世纪拜占庭帝国,和一个日晷相连接的日期齿轮的残骸;该仪器可能是做为报时辅助[25]。在伊斯兰世界中,公元9世纪早期阿拉伯帝国的哈里发委托巴努·穆萨写下的《巧妙设备之书》(Book of Ingenious Devices,暂译)。该本书描述了超过一百个机械装置,部分装置可追溯到保存在神庙中的古希腊文献。一个大约1000年时由科学家比鲁尼描述的齿轮报时机类似拜占庭帝国的装置,而一个13世纪的星盘也包含了类似的报时装置[25]。这个技术可能在中世纪时传入欧洲,并对钟表科技的发展做出了贡献[5]

研究与重建

德瑞克·约翰·德索拉·普莱斯和他重建的安提基特拉机械模型
展示于雅典国家考古博物馆的安提基特拉机械重建品(Robert J. Deroski根据德瑞克·约翰·德索拉·普莱斯的模型制造)
安提基特拉机械齿轮配置略图

安提基特拉机械是世界上已知最早的齿轮装置。自从发现以来一直让科学史技术史专家好奇又疑惑。数个个人或团队研究已经对其机制有更进一步了解。主要研究人员有:首先研究它的德国语言学家阿尔伯特·雷姆、德瑞克·约翰·德索拉·普莱斯(包含哈拉兰伯斯·卡拉卡洛斯和其妻子艾蜜莉)、艾伦·布隆莱(和法兰克·帕西瓦尔、麦可·莱特和伯纳德·贾德纳)、麦可·莱特和安提基特拉机械研究计划团队。

德瑞克·约翰·德索拉·普莱斯

经过前人数十年为了了解该装置的研究后,1951年英国科学历史学家德瑞克·约翰·德索拉·普莱斯对该机械进行了系统性研究。

普莱斯以标题“时钟以前的发条装置”(Clockwork before the Clock)[26][27]和“发条装置的由来”(On the Origin of Clockwork)[28]发表了数篇论文。发表时间早于1959年6月出版的关于机械运作机制的第一个主要著作:“古希腊的电脑”(An Ancient Greek Computer)[29]。这是科学人的头条文章。根据亚瑟·查理斯·克拉克的书《克拉克的神秘世界》(暂译,Arthur C. Clarke's Mysterious World)第三章最末,该文章似乎最早是发表在亚瑟·查理斯·克拉克著作中。在“古希腊的电脑”一文中,普莱斯进一步发展其理论,并表示安提基特拉机械式计算行星和恒星运动机械,可能是世界最早的模拟计算机。在那之前对于安提基特拉机械有许多不明之处,虽然它被正确地认定是一个天文仪器,但它被认为可能是星盘

1971年,当时是耶鲁大学科学史首位阿瓦隆讲座教授的普莱斯和希腊德谟克利特国家科学研究中心的核物理学家哈拉兰伯斯·卡拉卡洛斯合作。卡拉卡洛斯使用伽马射线X射线对安提基特拉机械摄影,得知了其内部配置的关键讯息。

1974年时普莱斯发表文章“来自希腊的齿轮装置:安提基特拉机械-约公元前80年的历法电脑”(Gears from the Greeks: the Antikythera mechanism—a calendar computer from ca. 80 BC)[30],在该文中他提出了安提基特拉机械的机制模式。

普莱斯在以上文章中发表的模式是首个基于放射影像所见该机械内部结构之后,提出的首个理论重建模式。他的模式中,机械前方的转盘代表太阳和月球在古埃及历法黄道带的位置。在仪器后面的上方转盘则显示一个四年周期,并且和显示周期为235个朔望月的默冬章相关,这和19个回归年大致相等。后面的下方转盘则是一个朔望月的周期和12个朔望月的太阴年。

他的模式中最主要的意见是,该机械使用了在机械中用以增加或减少角速度差速齿轮。这方式是将恒星月的月球运动减去太阳运动效应以计算月相周期

艾伦·布隆莱

一个和普赖斯有差异的重建模型是由澳大利亚悉尼大学的计算机科学家艾伦·布隆莱英语Allan G. Bromley悉尼的一位钟表师法兰克·帕西瓦尔建立。布隆莱和麦可·莱特合作使用更精密的X光影像重建新的模型。

麦可·莱特

曾担任伦敦科学博物馆机械部门主管,现任职于帝国理工学院麦可·莱特英语Michael T. Wright和艾伦·布隆莱提出了对原始残骸的重新研究。他们使用了由身为退休放射科医师的顾问艾伦·柏德列治建议,使用称为线性X射线断层扫描技术。对于这一点,莱特设计了一个线性断层扫描仪器,该仪器可产生平面断层造影[31]。该研究的早期结果在1997年发表,发现普莱斯的重建有根本上的缺陷[32]

对于新影像的进一步研究促使莱特提出新看法。首先他将普莱斯的模式进一步发展,认为该仪器相当于一个天象仪。莱特的天象仪不只可模拟日月运动,还可显示内侧行星水星金星)和外侧行星(火星木星和土星)的运动[33][34]

莱特提出该机械的日月运动是基于喜帕恰斯的理论,五颗古典行星的运动则基于阿波罗尼奥斯的简易周转圆运动理论。为了证明在仪器中使用了该技术,莱特建议了类似天象仪的模式[35][36]

莱特还在普莱斯的C残骸上第一部分所附的27:31齿轮上进一步研究[34],该齿轮最终被确定是显示月相之用[37]。他提出这是借由旋转一个半镀银的球状物来显示月相,这显示了月球的恒星周期和太阳的年周期差异。这比先前所知的最早机制早了1500年。

更精确的齿轮齿数现在也已得知[38],因此可进一步发展新的齿轮配置模式[39]。更正确的资讯允许莱特可以确认普莱斯建议的后方面板的上方转盘是显示235个朔望月,分成五个旋转量度的默冬章。此外,莱特还提出了惊人的看法,他认为仪器后面的上方转盘是每次旋转包含47个部分,总共五个旋转量度的螺旋形转盘。因此他提出了该转盘是显是默冬章的235个朔望月的看法(19个太阴年相当于235个朔望月)。莱特也观察了残骸上的文字,并提出附属转盘上的指针是计算四个19年周期,即相当于76年的卡利巴斯周期[40]

基于更多暂定的观察结果,莱特也认为仪器后面下方的转盘是计算交点月,是用来预测日月食的[41]

所有的研究结果都已经纳入莱特的模式[40],并且可制造一个拥有以上机制的机器并成功运作。

尽管有高分辨率的线性断层扫描造影,莱特仍然无法将所有已知的齿轮调整进一个单一的机制,这使得他更进一步提出的理论中改变了原始的机制,部分天文功能取消或增加[40]

最后莱特出版了相当多研究成果[31][40][42][43][44][45][46];他最后也总结性的指出,普莱斯的差速齿轮配置是不正确的[37][40]

2006年时,莱特完成了他相信几乎正确的复制品[47]

莱特和安提基特拉机械研究计划成员目前仍同时进行安提基特拉机械的研究。最近莱特稍微修改他的模型,引进了计划团队建议的针状和槽状啮合齿轮,这更精确模拟了月球的角速度异常变化。2007年3月6日他在希腊的雅典国家考古博物馆展示了他的模型。

安提基特拉机械研究计划

重建模型

安提基特拉机械研究计划团队至今仍在研究该机械[48],该团队卡迪夫大学(M. Edmunds, T. Freeth)、雅典大学(X. Moussas, Y. Bitsakis)、塞萨洛尼基亚里士多德大学(J.H. Seiradakis)、雅典国家考古博物馆英国X-Tek Systems[49]、美国惠普公司组成,并且由利华休姆信托和希腊国家银行的文化基金会赞助[50]

该机械的残骸太过脆弱,不能搬出博物馆,所以惠普公司和X-Tek Systems将设备送到希腊[51]。HP建立了一个3D表面成像装置,称为“PTM Dome”,即包围物品进行检测。X-Tek Systems开发了一个特别针对安提基特拉机械的12公吨450 kV电脑化微对焦断层扫描仪。

2005年10月21日,相关研究人员在雅典宣布新发现了安提基特拉机械的其他残骸。现在该机械总共有82块残骸。大多数新发现的残骸都已确定,但仍待保护。

2006年5月30日,相关人员宣布造影系统辨识出了大量新的希腊文字母并且翻译成功,因此机械上字母从大约1000个增加到超过2160个,大约95%现存字母已被辨识。该团队的新发现代表了安提基特拉机械的新功能和目的,且研究仍在进行。第一批研究成果已经在2006年11月30日到12月1日在雅典的国际研讨会公开[48]

2006和2008年在《自然》期刊的论文

使用乐高积木重建的安提基特拉机械

2006年11月30日,《自然》期刊刊出了安提基特拉机械研究团队基于高分辨率X射线断层扫描而完成的新的重建结果[52]。该研究将机械上可判读文字增加了一倍,并修正了先前的纪录和提供新翻译。机械上的文字确定是在大约公元前150到100年前刻上去的。很明显,这些文字是一个天文、机械和地理的手册。

新发现证实安提基特拉机械是一个预测天体位置的天文类比计算机或太阳系仪。并且认为该机械预测太阳和月球位置的齿轮有37个,其中30个保存至今。且基于机械上所刻文字提及行星的驻点,文章作者认为也可能用来预测行星位置。

机械前方的刻度和指针事用来指示太阳在天球上位置和对应的黄道带星座、月球位置和月相,可能还包含行星的位置。

机械后方包含滑动指针的两个螺旋状刻度(由两个圆心的半圆形组成)进一步指示了两个重要的天文周期:关于太阳、月球和地球以大约18年重新到达相同相对位置的周期,即沙罗周期,和更精确的转轮周期,其周期是54年1日(这是预测食的基本周期,参见日食)。另一个螺旋状刻度则是默冬章(19个太阴年或235个朔望月)和周期是1016个朔望月或76个太阴年的卡利巴斯周期。

月球运动的机制是使用巧妙的齿轮系以显示月球在一个朔望月中的运动和月相,其中两个齿轮位置稍微偏离轴心,并且被牵制在一个槽中。月球运动的变化是基于喜帕恰斯的假设,并且也是开普勒定律的完美近似,即接近近地点速度增加,接近远地点速度则下降。

2008年7月31日,自然期刊刊出了一篇安提基特拉机械机制更进一步细节的论文(Nature Vol 454, Issue 7204, July 31, 2008)[53]。在该文章另外提出了安提基特拉机械包含一个分成四部分的转盘,而该转盘代表一个四年的周期,一个部分代表一年,被认为是指示二年或四年比赛一次的古希腊竞赛举办年份(例如古代奥林匹克运动会)。

机械上几个月份的名称已经被判读。这些月份名称是科林斯的殖民地使用(传统上这些月份名称用于科林斯、克基拉岛、挨皮丹拿斯和锡拉库萨,但直接证据不多)。许多研究者认为该装置可能在叙拉古被设计,因此可能是继承自阿基米德的工作;或者它可能已经被任一个市场下订,正在运输途中。

《自然》期刊于2010年11月24日出版的另一篇论文中[54],则认为该机械是基于巴比伦天文学的计算模式,而非古希腊天文学,这暗示巴比伦天文学和古希腊天文学极为相像-包含仪器构造。

一位苹果电脑的软件工程师安德鲁·卡罗使用1500个乐高积木制成了该机械的复制品[55][56],并以该机械准确预测了2024年4月8日日食以示范其准确性[57]

普赖斯和安提基特拉机械研究计划的复制品也有电脑立体模拟[58]

2017年5月17日,GoogleGoogle涂鸦(Doodle)标志了这一发现115周年[59][60]

文艺作品中的安提基特拉机械

安提基特拉机械出现在金·史丹利·罗宾逊的小说《伽利略的梦》(Galileo's Dream,暂译)第293页。该机械在小说中是八个作为时光旅行的装置之一。

参见

参考文献

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延伸阅读

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其他

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外部链接


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