2009年2月2日 星期一

阿基米德和兩千年前的計算器

羅馬將軍馬賽盧斯(Marcellus)率領軍隊包圍西西里島(Sicily)的敘拉古(Syracuse)時,以為可以輕易的攻下這個城堡,但因為有阿基米德的天才發明「弩弓發石機」守城,敘拉古被圍困兩年而安然無恙。



公元前212年,敘拉古人在慶祝森林守護神雅堤米斯(Artemis)的節慶時鬆懈了防禦,羅馬人最後還是攻破了城堡。馬賽盧斯本想留住阿基米德的命,但是事與願違。據說,阿基米德正在進行數學論證,在混亂中被一個士兵殺死。

但是,阿基米德的一個發明被保留下來,並被馬賽盧斯將軍帶回羅馬。這就是一個模擬從地球上看到的太陽、月亮和星球運動的銅球。

馬賽盧斯家世世代代都收藏者阿基米德的這項發明,直到公元前一世紀,被羅馬的政治作家西塞羅(Cicero)看到。他在書裡寫到:「阿基米德的發明值得特別的表揚,只需要一個銅球,轉動它就可以精準的模擬出太陽、月亮以不同的速率運動的情行,跟觀察到的一模一樣。」

史學家們一直對此不屑一顧,認為是西塞羅瞎編的故事。因為這個精巧的機械超出了他們認為的古希臘人當時的能力,而且西塞羅也沒能夠把它的工作機制解釋清楚。

然而,近年來,研究人員通過對神秘的安提凱希拉儀器(Antikythera mechanism)的研究,法相西塞羅所描述的阿基米德儀器是真實存在的。

一個世紀以前,安提凱希拉儀器被一群的潛水員發現。1900年,這些潛水員被一陣強風吹離了航向,來到荒涼的安提凱希小島。當風暴停止後,他們開始潛水,無意中發現了一堆青銅和大理石的雕像。這些似乎是在一個古老的海難中所留下的。

希臘政府得知消息後馬上僱人打撈沉船。總共花了十個月才完成這份艱難危險的工作,其中有一人死亡兩人癱瘓。但是他們帶回了無價的寶藏:大理石和銅的雕像,珠寶,玻璃器皿,還有古代的傢俱,其中還包含了一個華麗的皇冠。

之後這些寶藏被置放在雅典考古博物館。幾個月後,一塊腐蝕了的石塊被打破了,露出了帶齒輪、刻著圓形標度和古希臘文的珍寶。這就是後來被稱為的「安提凱希拉儀器」。這是迄今為止世界上發現的唯一的一個帶有齒輪和標盤的古物。

有些學者認為整個事件是場騙局,還有人認為安提凱希拉儀器是來自一個現代的船隻上,只是剛好掉入那個古老的船難現場。唯一的線索就是儀器上面有古代星座的標誌,還有刻者Pachon的字樣(古希臘的一個月份)。幾年後並沒有歷史學家再去研究安提凱希拉儀器,整件事情就被這樣漸漸的遺忘了。

然而,在近幾十年,又有一群人費了很大的心血研究這個不解之謎,通過他們的努力,用X光掃瞄儀器內部,終於對安提凱希拉儀器的作用有了更多的瞭解。它是利用發條裝置來計算太陽、月亮還有其他星球的運動軌道,並能預測日蝕和月蝕的時間。

這項設計的複雜程度以及結合著高度的天文知識,顯示出製造者對精準度的要求非常高。那麼它到底是從哪來的?到底是要用來做什麼的?

經諸多研究發現,載有安提凱希拉儀器的船載著羅馬人從希臘獲得的戰利品,於公元前65年,從小亞細亞(Asia Minor)開始往西航行。那個時候剛好有個年輕好戰的將軍龐培(Pompey)在征戰中經過小亞細亞,所以推測這艘船可能就是屬於他的。

在船上發現有來源於羅茲島(Rhodes)上的罐子,因此推測這艘船在沉沒之前在羅茲島停留後。而之前有位名為喜帕恰斯(Hipparchus)的天文學家在該島上工作過,所以有些學者推測安提凱希拉儀器是在這個島上製作的。

就在這個期間,西賽羅也曾造訪過羅茲島。在羅茲島上,他記錄了第二個能模擬太陽系運動的銅製儀器,他寫到「由尼奧(Posidonius)完成的儀器能模擬太陽月亮和其他五大行星日日夜夜的運動。」尼奧是公元前一世紀在羅茲島上的哲學家,剛好是載有安提凱西拉儀器的船航行的期間,在羅茲島上他還擁有一所學校。龐培將軍很欣賞尼奧的才華,還多次到羅茲島去見他,也許是尼奧把安提凱西拉儀器作為禮物送給他了。

然而,紐約考古學家亞歷山大-瓊斯(Alexander Jones)跟英國達拉謨大學約翰-史代利(John Steele)在破解儀器上的文字時,發現代表月份的那個字「Pachon」層出現在希臘西部當地的一個日曆上。這份日曆來自敘拉古,這也許意味著安提凱西拉儀器是在敘拉古完成的。

讓人覺得最耐人尋味的是,敘拉古是阿基米德的故鄉,但是他早在安提凱西拉儀器完成的一百年前就去世了,所以也不可能是他親手完成的。但是畢竟儀器的來源跟他的故鄉有關,而且參照西賽羅的描繪,也許安提凱西拉儀器是根據阿基米德的理論所製造的。

我們從古書知道是阿基米德首創使用滑輪來省力拉動重物。根據其稀少的生平資料,我們知道阿基米德的父親是位天文學家,那麼他利用齒輪來製作一個模星系運動的模型也不是沒有可能。有趣的是他有一篇遺失的論文就叫做「關於天體儀製造」(On sphere-making)。

「週轉圓」(epicycles) 理論在阿基米德時代並沒有被普遍認識,所以當時不太可能模擬出月亮和太陽的橢圓軌道。所以他原來的設計可能很簡單,就是星球以不同的恆定速率繞著地球轉。後來的工匠以阿基米德的儀器為基礎,並結合了新的天文知識,其中包含了從羅茲島傳到希臘的喜帕恰斯的理論,將圓球模型變成可計算出太陽系運動的數學計算器平盤。

用機械來模擬天體和其他生物(包括人、動物和鳥)的運動是在一個時期同步發展的。但模擬生物沒有使用齒輪,而是利用蒸氣、熱空氣和水為動力,這是在公元前三世紀由一位專攻液體機械,名為克特西比烏斯(Ctesibius)的工程師所創始的。阿基米德在搬到敘古拉以前,曾跟克特西比烏斯在亞歷山大一同工作過。公元一世紀,有位名叫西羅(Hero)的工程師繼承了他們的研究。他建造了許多自動裝置,其中包含了蒸氣引擎,風力裝置還有利用齒輪機械來搬運重物。

歷史學家經常嘲笑當時的希臘人,認為他們沒有把他們的科技技術用在有用的事情上。如果他們有蒸氣引擎,為什麼不利用它來工作呢?有發條裝置為什麼不發明時鐘呢?幾世紀後歐洲的工業革命就是靠這些自動技術逐漸的發展到現代的,為什麼古希臘人沒這樣發展呢?

其實,這答案跟希臘人的信仰是很有關係的,他們當時所重視的並不一定跟現代的人一樣。他們之所以會創造人和動物、天體的模型,是想表達他們對神的信仰,相信萬物的運動是神的安排。

像安提凱西拉這類儀器,並不只是個玩具,而是被用來理解和證明宇宙特性的一個方式,一條更接近事物真正意義的道路。這不是科技發展應該達到的最好的目地嗎?

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