《BBC知識》兩千年神祕古物竟是史上首台計算機

■ 海綿、潛水夫病、阿基米德、日月蝕和齒輪組,竟出現在同一個故事裡,並且與「發現史上第一台計算機」有關,甚至扯上外星人,這就是考古學迷人的地方。且聽吳俊輝教授來說說這段歷經千年、未完待續的真實故事。

電腦模擬重建出的安提基瑟拉儀主要齒輪組,前、後方的多根指針可顯示所計算出的天體運行結果。(圖片版權:AMRP)

作者│吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理所教授,劍橋大學宇宙學博士)

天時地利人和的巧妙結合

1900年的一場連續狂風,將一艘海綿採集船意外地吹到隸屬古希臘帝國的安提基瑟拉島(Antikythera),當漁工們穿上1837年甫發明、引發史上首例潛水夫病的新型負重潛水衣,準備一探這不明水域的海底世界時,赫然發現一大批沉水腐壞多年的古物。諸多大型銅像及古物經修復後,旋即成為雅典國立考古學博物館中的新焦點,但其中有只小木箱被冷落在角落長達 數個月,直到箱殼乾裂才掀起百年來的科學史震撼教育。

跨越時空的天文齒輪

多年前我曾在希臘見過安提基瑟拉儀幾塊較大的殘片,它的齒輪表徵以及與黃道十二宮有關的銘文,讓許多學者一開始就認為它源自兩千多年前,且和天文有關,但也有人認為那是較近代的航海儀器。它經拼湊後的總高度大約是二十公分,傳統的X光透視攝影顯示它內含許多齒輪,後來經過碳14定年測定及考證銘文等多方面研究,確定它大約是西元前二世紀左右的天文儀器,於西元前一世紀時,隨著一艘由亞洲駛往義大利、約三百噸的商船沉沒。

但這有什麼特別的嗎?

史載最早的天文儀器大概非日晷莫屬,在中國、古埃及、希臘等都有記載及出土,但這些千年儀器都沒有齒輪!安提基瑟拉儀算是目前西方所發現最早「有齒輪」的天文儀器。

帶有齒輪的天文儀器中第二早的,是晚它約七百年(約西元五世紀)的拜占庭日晷儀,再來是西元十一世紀、伊斯蘭文化中的齒輪日曆,而鐘錶科技在歐洲盛行則已是西元十三、十四世紀了。顯然這期間有數百年的歷史竟都無據可考!雖然西元前四世紀的亞里斯多德及西元前三世紀的阿基米德就曾提及齒輪,但當時的文獻上都不見齒輪在天文上的應用。

古今高科技的對決

拜二十一世紀的現代科技之賜,特殊X光機的3D透視技術精確地定位出這個鏽蝕甚深的銅製品內部的齒輪組,它們的結構遠比想像中複雜。目前該研究已有兩篇論文先後於2006及2008年在國際頂尖期刊《自然》上發表,揭露該儀器不可思議的精密程度(可參見www.antikythera-mechanism.gr)。

安提基瑟拉儀內部共有三十個齒輪,再搭配上五個被認為已遺失的齒輪,科學家相信它能如同極複雜的計算機般運作,以指針精確顯示日、月以及兩者間複雜的關係,例如日月蝕發生的時機、十九個陽曆年間所含的七個陰曆閏月、月球橢圓軌道拱點線近九年的退行週期等,甚至能指出每四年一次的奧運舉辦地。它堪稱是兩千年前的高科技,也因此被冠上「史上首台計算機」的美名。然而由於齒輪數甚多,因此推導出以上結果的過程,就像在解一道由古人所出的難題,相當考驗當今科學家的聯想力。

齒輪間的玄機

它的齒輪組頗為複雜,有差速輪,也有非同軸輪以呼應月球在橢圓軌道上忽快忽慢的行為。眾齒輪中有兩個的齒數分別為235及127, 分別就是十九個陽曆年的朔望月總數(12×19+7)、以及恆星月總數(235+19)的一半。科學家也發現,若再外加數個齒輪,便能讓它再計算出其他行星的運行。若非熟稔天文,絕不可能找到這些關聯!該儀器的精巧程度,顯然和已知的西方科學史有至少千年的落差,這實在令人興奮無比,也重新開啟了古希臘天文知識之窗。

洋人真的比較聰明?

講到這裡,當然要拿東方文明中的天文成就來交叉比對一下。

中國早在西元前四世紀(戰國時代)即發明渾象(又稱渾天儀),可演示天體的運行;而在西元二世紀初,張衡更以水力驅動齒輪組,讓渾象能與天地同步運行。東方創造的是可以自動運行的3D版儀器,安提基瑟拉儀則較像是手動的2D版。此外,關於每十九年有七個閏月的規律,在西方最早是由希臘數學家默冬(Meton,西元前五世紀)所發現,據此所制定的曆法因此稱做默冬曆;而東方則是在大約同一時期(中國的戰國時代)的陰陽曆中,出現相同的規範。所以你說是誰比較聰明呢?

安提基瑟拉儀雖已出土一百多年,但我們得以深入研究它,則是在二十一世紀拜科技之賜才真正開始,目前由跨領域團隊所領導的AMRP計畫(Antikythera Mechanism Research Project)正在持續探索中,好戲才正要開始!

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●本文選自《BBC知識國際中文版》第23期(2013年7月號)。版權所有,轉載請註明出處。

責任編輯:Nita Hsu

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