古希腊物理起源（古希腊齿轮里的天文密码）

重点提示：

1、120多年前于地中海发现的古代沉船残骸中，藏有一件精致工艺品，称为安提基瑟拉仪（Antikythera mechanism），内部复杂的齿轮结构颠覆人们对古希腊科技发展的认识。

2、科学家通过观察部件碎片及X射线扫描影像，由外而内逐步解构该仪器、建构完整模型，并据此推测仪器的运作方式与功用。

3、目前认为这部仪器很可能源自古希腊数学家阿基米德的设计，是一部可用来预测天体运动及日月食的天文计算仪。

(安提基瑟拉仪详细结构在文章最后)

1900年，潜水夫史塔迪亚提斯头戴铜制头盔、身穿厚重的帆布潜水衣，从海中浮上水面。他吓得一直发抖，口中含糊说着他看到「一堆Luo体死人」。史塔迪亚提斯是地中海东部锡米岛的希腊潜水夫，平常以采集天然海绵为生。他和同伴在克里特岛和希腊半岛之间的安提基瑟拉岛上躲避强烈风暴。风雨停息后，他们下水采集海绵，就这么刚好看到满载古希腊珍宝的沉船，这是截至当时所发现最重要的古代沉船残骸。那「一堆Luo体死人」其实是散落在海底的大理石雕像和工艺制品。不久之后，他们的发现促成史上第一次大规模海底考古发掘行动。

从这艘沉船捞出的文物中，有一件物品外观仿如一本大型字典，因为夹杂在其他更令人惊艳的发现之中，起初并不受注意。不过几个月后，在希腊雅典的国家考古博物馆，这件物品解体了，从里面散落出大小如同硬币的青铜制精密齿轮。依据当时的历史常识，这类齿轮不应该出现在古希腊，甚至不应该出现在同时期世界上任何地方，而应该比这艘沉船晚好几百年才出现。这项发现因此引发激烈争论。甚至有网友推测它不属于地球。

这件奇特的物品称为安提基瑟拉仪（Antikythera mechanism），120多年来让历史学家和科学家困惑不已。几十年内，原物解体成82块，变成难度极高的拼图，等待着研究人员去拼凑组合。这部仪器显然是齿轮构成的天文计算仪，构造十分复杂。现在已约略了解它的运作方式，但仍有许多谜团尚未解开。沉船的年代介于公元前70~60年，这部仪器的年代至少和沉船相当，其他证据则指出它可能制作于公元前200年左右。

06年3月，英国伦敦大学学院安提基瑟拉仪研究团队，发表了这部仪器的最新分析结果，团队成员包含数学家兼影片制作人托尼·弗里斯（Tony Freeth）、材料科学家沃奇克（Adam Wojcik）、成像科学家麦唐纳（Lindsay MacDonald）、考古冶金学家乔治卡罗波洛（Myrto Georgakopoulou），以及两位研究生钟表专家希岗（David Higgon）和物理学者达卡纳利斯（Aris Dacanalis），这份研究成果对以往无法解决的仪器正面齿轮结构提出新解释。现在更了解这部仪器精妙之处，这些理解挑战了过去许多关于古希腊科技能力的认识。

古代天文学智慧

古希腊人是成就非凡的天文学家，他们以地球中心的观点裸眼观测夜空。地球绕地轴自转，所以他们每天晚上看到众星在天球移动。有些星星的相对位置恒久不变，所以称为「恒星」。这些早期天文学家也看到一些移动方式与众星不同的天体：月球每27.3天在众星中绕行一圈，太阳则需要一年。

还有一些天体的移动方式相当奇怪，所以称为行星（planet），希腊文的意思是「漫游者」。行星是当时最深奥难解的天文问题。科学家十分好奇行星是什么，而且发现这些漫游者移动的方向起先和太阳相同（顺行），接着停止移动后反向逆行；一段时间之后，行星到达另一个静止点，重新开始顺行。这样的运行模式称为行星的会合循环（synodic cycle），也就是相对于太阳的循环。现在已知这个看来怪异的逆行原因是行星绕着太阳运行，而不是如古希腊人所想的绕着地球运行。

以现代专业术语来说，所有这类移动天体的轨道都接近地球绕着太阳运行的平面（称为「黄道」），也就是说，它们在众星中运行的路径大致相同。对早期天文学家而言，预测行星在黄道上的位置相当困难，因此这就是安提基瑟拉仪的主要功能之一。它的另一项功能是计算太阳和月球的位置，两者的运行也和众星不同。

这部仪器的设计大多仰赖早期中东地区科学家的贡献。公元前1000年间，天文学在现今伊拉克境内的巴比伦和乌鲁克（Uruk）有所突破。巴比伦人把各个天体每天的位置记录在黏土板上，板子显示了太阳、月球和行星周而复始移动，这对预测而言十分重要。举例来说，月球每19年在众星中循环运行254次，就是周期关系的重要例证。安提基瑟拉仪的设计运用了数个巴比伦周期关系。

德国语文学家雷姆（Albert Rehm）是安提基瑟拉仪早期的重要研究者，最先想到这部仪器可能是计算工具。1905~1906年，他获得许多重大发现，都记录在未发表的研究笔记中。举例来说，他发现有一块现存的安提基瑟拉仪碎片上刻着19，这个数字让人想到月球有个周期关系是19年，称为默冬周期（Metonic cycle），以古希腊天文学家默冬（Meton）命名，但巴比伦人早就发现。雷姆在同一块碎片上还发现数字76，这是古希腊人改良19年周期的结果。另外还有223，是巴比伦人日月食预测循环中的阴历月数，称为沙罗周期（Saros cycle）。这些不断重复的天文循环是巴比伦预测天文学的重要助力。

安提基瑟拉仪研究史的第二个关键人物，是从物理领域转换跑道的英国科学史专家普赖斯（Derek J. de Solla Price）。他着手研究20年后，于1974年发表重要论文《来自古希腊的齿轮》，文中提到古罗马律师、演说家兼政治家西塞罗（Cicero）的许多名言。有一句提到数学家兼发明家阿基米德（Archimedes）制作的仪器：「上面显示太阳、月球，以及五个称为『漫游者』的星星的运动……（五大行星）……阿基米德……想出方法，以一部仪器精确呈现，同时带动速度各不相同的多种运动。」看起来这部仪器很像是安提基瑟拉仪。这段文字意味着，尽管阿基米德在世的年代（约为公元前287~212年）可能早于这部仪器的制作年代，但他或许已经发现制作安提基瑟拉仪的方法。安提基瑟拉仪很可能源自阿基米德的设计。

钻研内部齿轮系

数十年来，研究人员无法单靠观察解体碎片的外观来破解这部仪器的运作之谜。1970年代初，研究人员得以一窥仪器内部。普赖斯和希腊放射学家卡拉卡洛斯（Charalambos Karakalos）合作，取得碎片的X射线扫描影像。令人惊讶的是，他们发现其中有30个齿轮：最大的碎片有27个，以及3块小碎片。卡拉卡洛斯和妻子艾蜜莉（Emily Karakalos）得以估算齿轮的齿数。

要探讨这部仪器的功能，这个步骤十分重要。这部仪器看起来远比任何人所想像的还要复杂。X射线扫描影像只有二维，也就是机械结构看起来是扁平的，大多数齿轮只能看见一部份，科学家计算许多齿轮的齿数时只能凭借猜测。尽管有这些缺点，普赖斯还是看出有一个齿轮系（一组互相连动的齿轮），通过月球19年内在恒星间运行254次的周期关系，计算月球在特定日期的平均位置。这个齿轮系由仪器前方称为主驱动轮（main drive wheel）的装置带动，一开始是38齿的齿轮（19的两倍，因为只有19齿的齿轮太小）。这个38齿的齿轮（通过其他齿轮）带动127齿的齿轮（254的一半，因为254齿的齿轮太大）。

这部仪器似乎可用来预测太阳、月球和行星过去和未来任何一天的位置。仪器制作者必须以这些天体的已知位置来进行校正，使用者可直接把曲柄转到想要查询的时段，观看预测结果。举例来说，仪器可把位置显示在前方的「黄道带刻度盘」上；此刻度盘把黄道划分成12等份，每区30度，代表黄道带上的星座。普赖斯依据X射线影像，设计出仪器所有齿轮结构的完整模型。

普赖斯的模型是托尼·弗里斯研究安提基瑟拉仪的开端；事实上，托尼·弗里斯在2002年发表的第一篇论文《挑战经典研究（Challenging the classic research）》彻底颠覆普赖斯对这部仪器提出的齿轮结构分析。尽管如此，普赖斯仍然正确看出主要碎片的相对位置，并且定出这部仪器的整体架构，前方是日期和黄道带刻度盘，背面则是两个大刻度盘系统。普赖斯的成就是破解安提基瑟拉仪之谜的重要里程碑。

安提基瑟拉仪研究史的第三个关键人物，是曾在伦敦科学博物馆机械工程部门担任馆员的莱特（Michael Wright）。莱特和澳洲电脑科学家布隆莱（Alan G. Bromley）合作，于1990年再度对这部仪器进行X射线扫描研究，这次使用称为线性断层扫描（linear tomography）的早期三维X射线技术。遗憾的是，布隆莱来不及看到研究结果就过世了，但莱特坚持不懈，取得许多重要进展，例如确定重要的齿轮齿数以及探究仪器背面上方的刻度盘。

2000年，托尼·弗里斯提议进行第三次X射线扫描研究，于2005年由一群英国和希腊学者与希腊国家考古博物馆合作展开。现在属于尼康公司的X-Tek公司开发出原型X射线机，使用微焦X射线电脑断层扫描技术来拍摄高解析度三维X射线影像。惠普公司采用多项式纹理映射（polynomial texture mapping）这种优异的数位成像技术，使表面细节更加清晰。

新技术获取到的资料让研究人员大为惊讶。第一项重大突破是由托尼·弗里斯发现，这部仪器除了预测天体运动，还能预测日月食。这项发现和雷姆发现的铭文有所关联，铭文中提到223个月的沙罗日月食周期。新的X射线扫描结果可看出仪器后方有个223齿的大齿轮，带动在刻度盘上转动的指针，盘上的刻度呈螺旋形分布，共有四圈，分成223格，代表223个月。沙罗刻度盘以巴比伦人对日月食循环的俗称命名，可预测哪几个月会有日月食，仪器上有铭文说明每次日月食的特征。这项发现揭露这部仪器的另一项重要功能，但也带来一个大问题：有四个齿轮位于大齿轮的圆周内，看来似乎没有作用。

托尼·弗里斯花了好几个月研究这几个齿轮，理清齿轮作用后发现惊奇的结果。这几个齿轮是以巧妙方式计算月球的变速运动。以现代专业术语来说，月球运动出现变化，是因为它的椭圆形轨道。月球距离地球较远时，在群星中移动较慢，距离地球较近时移动较快。不过月球在太空中的轨道并非固定，而是以略少于九年的周期缓缓绕行。古希腊人不知道椭圆形轨道，而是以结合两个圆形运动的周转圆理论（epicyclic theory）来解释月球微妙的运动。

托尼·弗里斯从莱特杰出的观察结果出发，研究出这部仪器如何依据周转圆理论进行计算。莱特曾经研究这部仪器背面四个神秘齿轮中的两个，发现其中一个齿轮正面有插销，与另一个齿轮上的滑槽接合。这两个齿轮本来就会以相同速度转动，所以这样的配置看来似乎没有作用。但他发现这两个齿轮的转动轴心不同，两者距离只略多于一毫米，因此这个系统可产生变速运动。这些细节都出现在X射线电脑断层扫描影像中，这两个齿轮的转动轴没有固定，而是以周转圆方式安装在223齿的大齿轮上。

莱特没有采纳这些齿轮用以计算月球变速运动的想法，因为在他的模型中，223齿的大齿轮转得太快，显得很不合理。但在托尼·弗里斯的模型中，223齿的齿轮转得很慢，功能是带动沙罗刻度盘上的指标。以如此精湛又间接的方式计算月球的周转圆理论，是古希腊人的非凡构想。这个精巧设计，更让人相信这部仪器是出自于阿基米德的构想。这项关于背面刻度盘和齿轮结构研究补足了对这部仪器的了解，让截至目前为止的所有证据互相吻合。托尼·弗里斯所在的团队于2006年在《自然》发表这些发现，但这部仪器的另一面依然成谜......

拆解安提基瑟拉仪

▼正面：外部的同心环可显示各天体位置，以图样标示太阳和月球的位置以及月相，各色圆珠指示行星在黄道带(太阳系平面)上的位置。仪器内部有个主驱动轮·负责带动所有齿轮·同心环和各指标即由齿轮结构负责驱动。

▼背面：仪器背面有两个大刻度盘和几个小刻度盘。上方的大刻度盘是代表默冬周期的日历。默冬周期是19年中有235次月相循环。下方的大刻度盘是223个月的沙罗刻度盘·用以预测日月食的日期。