2007台湾“未来科学文化大会”论文选:中国古代机械

陈建源


【正见网2008年01月18日】

摘要

自有人类以来,人们利用许多机械的组合解决许多生活的基本需求,也奠定文明科技发展重要的地位,举凡工艺、能源、自动控制、机构……等,莫不与之息息相关,对人类社会生产和经济的发展起着重要的作用。然而中国是世界上机械发展最早的国家之一,且机械的发展中有许多巧妙的发明项目,例如指南车、木牛流马、候风地动仪及飞天木鸢等,在世界科技学术领域上都令人啧啧称奇,甚至有些古代机械的发明以现今科学理论方式去推导解释,仍然不知如何探究其原委,所以藉由此文抛砖引玉思考古代科技发展与现代科学本身所存在的问题,及提供新的思考模式,溯本逐源,思索古人“天人合一”的观念,同时重视起精神与物质之间关系,以开拓现代化科学研究范畴。

一、前言

“机械”一般指机器和机件的总称,也有灵活、巧妙之意,在古代还常将机械称之为“奇器”,意味着神奇巧妙的发明,这些发明中不仅解决人们许多生活的基本需求,也带来中国社会文明与经济的发展,例如利用简单杠杆类型器物的衡器或秤计量公平交易的需求,及利用水力推动的纺织机械的“水转大纺车”,此外还有一些简单的省力机械组合如绳、链、铰链、曲柄、轮、齿轮和弹簧等也都应用在其它工程领域,战国《墨经》一书早已讨论其机械力学的基本原理,明代的《天工开物》一书更把各行各业,尤以农业的生产技术和经验均有详细说明,并附有一百二十三幅工艺流程插图,这些均为古代科技重要的著作。

然而中国古代机械巧妙的发明在现今科学领域当中都是令人称奇的,英国李约瑟博士就曾著作一本名叫《中国之科学与文明》列举流传到欧洲的中国古代的廿六种发明,其中古机械就占有十八种之多,例如候风地动仪、水运仪像台、指南车、诸葛亮的木牛流马及飞天木鸢等,不仅实用且结构巧妙,故有现今工程或科学家专门在探讨古代机械复原研究工作,试图利用现今科学理论基础,探究其古机械巧妙的发明,但是许多奥妙的结构还是无法从现有科学观念得知原因。

然而在中国古代机械发展过程中,人们懂得利用自然且符合宇宙的规律方式思考问题,修炼文化深植人心,各行各业都讲净心调气,发明中所传承的不仅仅只有机械机构此物质的东西,其真正所留下的文明尚有精神的内涵,相信神传给人对判断人、事、物道德标准,同时探讨人体、生命与宇宙之间关系,此外回顾这些古机械发明科学家的背后,例如张衡、鲁班、祖冲之及诸葛亮等,在心性上也都有一定的道德规范。然而现代科学经过十八、十九世纪工业革命以后的发展,技术发展看似一日千里,科学似乎成为人的一种信仰,人们享受科技带来的成果,近利短视,道德下滑,在表层面上确实给人类带来進步,可是无形中却带来许多人类心灵的空虚,甚至地球能源与环境的危机。故藉由此文抛砖引玉思考古代科技发展与现代科学本身所存在的局限性问题,对于实实在在存在的超常物理现象、与人肉眼看不到的现象总是产生排斥心理,或许要想让科学继续发展,中国文化道法观念也许是个新的思考模式与观念。

二、发达的古机械

2.1 候风地动仪

张衡发明的地动仪在现今研究古机械复原研究中一直都是热门的研究主题,特别在于它机械原理和震源的感应方式至今仍无法解释难解的迷,根据《后汉书》中记载:“地动仪以精铜制成,圆径八尺,合盖隆起,形似酒樽。”图(a)为地动仪外型结构,形状像酒樽,精铜外壳则以鹤篆文及各种山龟鸟兽等图案雕饰,仪器外壳对准东、南、西、北和东南、西南、东北、西北八个方向铸有八条龙,象征宇宙四面八方,同时也根据张衡对易经的理解,仪盖为天,内中都柱为地,比拟是一个小宇宙,与天象看似某种对应关联性,在发生地震前夕就可以预测。此外地动仪的每条龙嘴里都衔着铜球,当远在千里发生地震时,在底座中间的都柱便会以机械传动方式将对准地震的龙嘴打开,铜球就落在蛤蟆嘴里,同时可根据铜球声音而知道在什么时间什么方位发生了地震。

(a) 地动仪外型结构 (b) 地动仪细部分解图

图1地动仪(图片:国立自然科学博物馆)

在当时此项发明也被质疑,可是几天后预测陇西发生地震的消息,也证实地动仪的可行性。张衡在制作设计时早已深入研究易经、墨子等书籍,古人常把人体比拟一个小宇宙,与宇宙有某种对应联系关系,而根据天象变化的规律情况甚至可预测未来;然而在现代量子物理学研究上也有引述微观粒子为基础组成的生物或物质本体,本身也会在不同时间内与系统的相互连接感应;如同巴克斯特对细胞的意识感应作过的实验,如果采集生物主体的细胞后,并连接测谎仪以观测细胞的组织反应情况,甚至可以感测到另外一个生物主体系统中的行为信号。

2.2 古代智慧型机械人

现代科技发展智慧型机械人一直都成为各国努力的发展项目,其关键技术则又包含各种工程领域的结合,在现代科技来说要做到有如人类智慧及感性反应的机械人并不容易。但是据考查中国古代机械发展中也有类似智慧型的机械人的记录,例如《列子・汤问》篇中就记载有一位为偃师的手艺工人,制造如同真人似的机械人给周穆王,这机械人又可唱歌及跳舞,仔细分析其内组织皮肤、内脏、筋骨及支节等组织与人无异;而在其它古代典籍中也有不少相关记载,例如唐代洛州县令殷文亮曾以木块雕刻歌女,唱歌吹笙,劝人饮酒,可按预先机械设计程式奏出乐曲;此外,有位杨务廉的匠人,设计手执碗公的行乞木僧,自动能行乞布施,当碗中钱满,则可发音。值得注意的是类似记载中的机械人都有特定智慧功能且不靠电脑程式控制,自然不需电力,动力的来源似乎只靠巧妙机械设计机构完成,即省能且环保。  

2.3 飞行木鸢

1903年莱特兄弟完成人类第一次飞行梦想,奠定今后航空运输的发展進程,在这之前关于飞行的记载也都有类似记录,图2(左)为开罗博物馆里收藏在古埃及陵墓内发现的木鸟,据实际研究,直立的尾端,并且有翼面的横切面,与今日滑翔机有相同的比例。然而中国古代也曾有类似记载,战国时代,鲁般与墨子都曾制造木鹊或木鸢。《墨子》说:“公输子削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下。”《鸿书》中也记载:“公输般为木鸢,以窥宋城。”鲁班制作木鸢以侦查战争的情况,不正如同现代无人飞机侦查敌人情报相似,原来此项技术在古代战国时期就已有运用。而后到汉代,张衡也创造了飞行木鸟,然而木雕的飞行引擎机械结构一直是个迷团。

图2古埃及木鸟(左)(图片:Dawoud Khalil Messiha)与无人飞机(右)

2.4 木牛流马

蜀汉的诸葛亮发明“木牛流马”在当时可是一项非常了不起的发明,在当时为了解决在四川崎岖陡峭的山路上运送粮草的交通工具,不过现今被喻为已失传的奇器,关于“木牛流马”的功用与形状,推测被认为是一种省力的步行车,根据宋《陈后山集》中说:“蜀中有小车,独推,载八石,前如牛头。又有大车,用四人推,载十石,盖木牛流马出。”清《河工器具图说》认为:“土四,独轮,料、土兼载。《稗编》蜀相诸葛亮出征,始造木牛流马以运饷。木牛,即今车之有前辕者,流马,即今独推者是。”

“木牛流马”被现今许多学者专家研究,主要在足部连杆机构部分下功夫,为失传古机械文物,形似鸡头,一般长4尺,可坐人载物,车身后部有支架,便于停放。有燕尾形手柄,车夫以两手持之前推。分宽架、窄架两种。宽架载重量可达500公斤,窄架能载200公斤左右,轻便灵活,制作简便。

三、现代科技与古代科技关系

中国古代机械的发展似乎有许多现代科技都无法窥探其中的奥妙,因为整个科学论述系统截然不同;就中国古人对物质的认识,基本就属“五行学说”,认为金、木、水、火、土这五行构成了宇宙中万事万物,而五行又因彼此特性产生相生相克理论,而又有谓“阴阳理论”,所穿了也就是道法的修炼文化。认为物质的发展都有其规律,且符合宇宙特性,物质的特性会在多方面及多维空间与时间的展开,所以只要直接观察多重空间中物质变化的现象,就可以直接就是针对人体、生命与宇宙之间关系去探讨。至于利用何种方式观察,也就跟科学家自身的心性有密切关系,这也是这些创造发明家例如鲁班、张衡等人,在心性上也都有一定的道德规范的原因,做任何事情都事事按照宇宙的道理,不求名不求利,于是中国古代也就在这种理论架构下发展出科技的文明。

近期科学的发展中,科学家一直着眼于物质世界的研究,从微米、奈米、夸克、中微子…等的微观世界领域中,企图以新的技术来寻找出物质的局部现象,却忽视了同属于物质特性的另一面:精神层面;以定理及公式阐述其物质原理,反而受到其定理及公式的限制,难以就复杂边界条件整合,也因此需要大胆假设的合理化,对即使有许多实证但尚未符合现代科学理论的现象则产生排斥。表面看似進步却也限制科学的发展,表面拥有现代化汽车飞机等运输工具,让人享受到现代化科技的方便,但是无形中也带来许多心灵的危机与空虚感,反而导致其它问题产生,像战争、社会问题、疾病、饥荒、天灾人祸及环境污染问题等。

四、结论

中国古代科学和现代西方科学走的是不同的发展道路,用的也是不同思维方式,在思考现代科学本身所存在的问题,同时思索古人“天人合一”的观念,从这个构想中,我们预见到一个方向,人们将从物质的精神内涵开始研究,从新认识物质的真正特性,而能够善用并与物质和谐共存,发展出与自然融合的科技。希望有一天人们会发现与自然融合的科技与生活方式才是人类该走的方向,同时重视起精神与物质之间关系,在透过人类本身所具有“真诚、善良、坚忍”等的美好讯息,会让未来世界更为美好,也引领下世纪走向新纪元的未来科学发展趋势。

参考文献

[1] 正见网,古代科技:机械人,http://big5.zhengjian.org/

[2] 中华古机械研究中心,http://140.116.71.92/acmlab/newpage9.htm

[3] 国立自然博物馆,http://www.nmns.edu.tw/nmns/09resource/

[4] 国立科学工艺博物馆,http://www.nstm.gov.tw/.

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