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《时间之问11》发现安提基特拉机械 精选

已有 7708 次阅读 2017-7-22 09:06 |系统分类:科普集锦

内容梗概:100多年前,一件神秘而不规则的泛绿色青铜器械露出地中海的水面,向世人展示了它骄傲的历史和背后闪耀的科技荣光。有人说,它是最古老的模拟机械计算机,有人说它能够回溯过去、预测未来。一个多世纪以来,许多科学家为之付出了终身进行研究,试图搞清楚它究竟是什么?用来做什么的?这个青铜制品是谁发现的?如何发现的?人们为之进行了怎样的探索?

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一周以后,老师和学生在同一餐厅碰面了。上一次他们聊到在文艺复兴以前、距今2000多年前就有人做出了比惠更斯还精密的太阳系模型。他们是谁?凭什么能造出这么精密的机械装置?

“古希腊人曾造出比惠更斯的更精密的太阳系模型,太让人难以置信了,真是确有其事吗?” 学生问道。

“实话说,这样一台仪器如果不是摆在你面前,谁也不敢想象在2000多年前,人类的天文学知识和制造能力已经达到了如此之高的水平。” 老师说道。

“为什么这么说呢?”

“因为它被发现后相当长时间里,仍有人认为这是一件现代人制造的机械,被有意或无意丢弃在海里,还有人说它是外星人在地球上的遗物!”

“哦,是吗!它叫什么名字?”

“人们一般称它为安提基特拉机械(Antikythera mechanism)。”

“在哪里可以看到它呢?”

“它收藏在雅典国家考古博物馆。如果你到希腊雅典旅游,你会发现这个博物馆位于雅典市中心,和许多古代著名建筑相距不远。在博物馆的古代展厅里,陈列了许多精美的青铜器和大理石的人体雕塑,它们身材匀称、面部栩栩如生。参观的人们往往流连于这些美奂美仑的艺术品之间,驻足观看。但是在这样一个充满艺术品的展厅里,有一件青铜展品却显得非常另类。”


雅典国家考古博物馆

“为什么这么说呢?”

“因为初看起来,它一点都不美,甚至可以说是丑陋。它形状很不规则,断裂成很多块,博物馆陈列了最大的三块。凑近看,它的表面凹凸不平,像是被海水严重腐蚀过,颜色变成了绿色,并且裹着一层厚厚的氧化层。”


安提基特拉机械的主要碎块

“它就是所谓的安提基特拉机械?”

“对。”

“它是什么时候被发现的?”

“那要从二十世纪初讲起了。1901年有人从地中海的一艘沉船上发现了一件青铜物品,经过初步测定,它属于2000多年前的古希腊。可是它所体现的技术水平,却远远超越我们对那个时代的认识。”

“为什么这么说呢?”

“在发现之后的几年里,许多人认为,古希腊那个时代根本不存在这样先进的技术。因为它所展现出的设计思想,大大颠覆了我们对古希腊技术水平的认识。自从1901年以来,这个神秘的机械装置激发了几代人对它进行长达一个多世纪的探索。”

“哇,这么长的时间就为了弄明白一个青铜器械?”

“嗯,是啊,一些科学家花费了数十年的时间对其进行研究,有的终其一生也没有把它弄个究竟,只好带着遗憾离去,把接力棒交给了后来人。”

“哦,我记得人类也是在二十世纪初发明的飞机,可是只用六十多年人类就登上了月球,但是人类却花了一百年才弄懂这个机械装置,真是不可思议。究竟是谁第一个发现了这个机械装置呢?”

“是一个叫Kontos的希腊船长和他的船员,他们在地中海底的一艘沉船上发现了这个安提基特拉机械。”

“他们怎么会想到打捞这么一个机械装置?”

“1900年秋天,Kontos船长和他的队员启程,从突尼斯外海的夏季捕捞海绵地出发,向北进发。他们有两艘小船,6位潜水员和20多位浆手。当时他们在地中海的海底采集了海绵,回去后准备卖钱。经过六个月的采集,他们的船舱里堆满了晒干了的海绵。”

“海绵?不就是厨房用来吸水的东西吗?怎么生长在海底呢?”

“哦,那是人类发明了化纤产品之后。远在农业社会还没有我们现在使用的海绵。海绵是一种海底的多孔生物,它可以快速吸干水分,在没有化学合成海绵之前,它是上等的个人卫生和身体护理工具。”

“哦,原来如此。”

“嗯,在古希腊的荷马时代人们就知道海绵了。在著名的史诗《奥德赛》里,奥德赛这样的大户人家也使用海绵。主人公奥德赛历尽10年艰辛才最终才回到家。在这10年中不断有人上门骚扰他的妻子,向她求婚,并在他家里大吃大喝,仆人们则用海绵擦抹餐桌。”

她看见了那些傲慢的求婚人,这时他们
正在门厅前一心一意地玩骰子取乐,
坐在被他们宰杀的那些肥牛的革皮上。

随从和敏捷的伴友们在为他们忙碌,
有些人正用双耳调缸把酒与水掺和,
有些人正在用多孔的海绵擦抹餐桌,
摆放整齐,有些人正把一堆堆肉分割。

-- 《奥德赛》


生活在海底的“海绵”是一种多孔的生物

“Kontos和他的船员是怎么发现沉船的呢?”

“他们本来想驶向Cape Malea,但是中途遇到了暴风雨,被吹到了一个几乎无人居住的小岛上,叫安提基特拉Antikythera。这个岛屿位于Cape Malea和克里特岛(Crete)中间,和一个更大的Kythera岛相对而立,所以叫Antikythera。”


发现地点:安提基特拉小岛位于希腊东南面与克里特岛之间的海上

“船员们躲过了暴风雨吗?”

“狂风几乎把小船撕成碎面抛向大海,所幸船长经验丰富,成功地把船驶向了安提基特拉岛的一个避风港。三天后,风暴停息了。”

“哦,有惊无险。”

“既然被吹离了航向,那就碰碰运气吧,希腊的Knos船长让一个船员下潜到下面看看有没有海绵。他们在距离岸边悬崖20米的地方抛下锚。第一个下水的潜水员叫Elias Stadiatis。当时潜水技术还比较原始,有一种潜水头盔,水面连着一支长长的软管露出水面,头盔里有一个泵,可以把空气泵入,这样潜水员就不用憋气了。潜水员下潜了60米,这个深度在当时是非常难达到的。”

“找到海绵了吗?”

“Elias浮了上来后看起来面色苍白,显然是吓坏了。队友连忙帮他脱掉沉重的潜水服和头盔。他气喘吁吁地说下面有很多人的尸体。”

“哦,难道发生了命案?”

“船长很惊讶,决定亲自下水看个究竟。沿着海岸线50米长的区域里,船长发现了许多物品,仔细查看,那些所谓的尸体其实是大理石和青铜雕塑。”

“虚惊一场。”

“这些大理石和青铜雕塑被海水严重腐蚀,包裹着厚厚的沉渣,但形状隐约可辨。船长松了一口气,判定这船应该装载了不少珍宝。他捡起了一件青铜雕塑的胳膊,浮了上来。”

“后来呢?”

“后来这件青铜器被送到了雅典大学的考古学家Ikonomu手上,接着这个教授又把它带到了希腊教育部长的办公室。这次发现在媒体上引起了一个不小的轰动。”

“为什么呢?”

“因为青铜器仅仅在2000多年前的古希腊出现过一段时间,到后来就没有生产了,所以那件物品应该历史悠久,至少有2000年的历史。这对于发现古希腊的历史意义重大。”

“嗯,有道理。”

“于是希腊政府决定资助一只规模更大的潜水员队伍进行打捞,希腊海军指派了一艘更加强大的蒸汽船来打捞,打捞于1900年12月重新开始。但是打捞很不顺利,因为那时潜水技术有限,一个月里只有12天的天气适合打捞。但最大的困难来自于Antikythera附近的60米的水深。每天只能下水两次,每次在海底只能停留5分钟。”

“为什么在海底只能停留这么短的时间?”

“因为潜水员上升的速度不能过快,只能很缓慢的上升。因为越向下,水压越大。在很大的压力下,氮气会溶解到人体组织里。如果上升过快,压力突然减少,溶解的氮气会在肌肉、血液里产生许多小气泡,引起疼痛和组织坏死,甚至导致瘫痪和死亡。这种症状叫“潜水病”或者“减压病”。由于每次在海底只能停留很短时间就要上浮,6名潜水员一天加起来才能在海底工作1小时。”

“看来这工作还是艰难的。”

“到了次年2月,许多大理石和青铜物品被打捞上来,但是潜水员们也累得精疲力竭,有的甚至生病了,他们要求在复活节休息一个月,如果不满足要求他们就要罢工。休息之后,他们在4月份重新开工,潜水员从从6名增加到10名,但是其中一名潜水员因为上升时太快,导致潜水病发作而死去。后来又有两名潜水员换上了潜水病,导致身体部分瘫痪,打捞工作被迫在1901年9月份暂停。”

“没想到这次打捞付出了生命的代价!”学生说道。

“嗯,是啊。潜水员打捞的成果还算丰富,这些物品被送往雅典博物馆保藏。但是它们受到的待遇却不同,最受重视的是青铜雕塑,其中最著名的是一个名为Antikythera youth的年轻男子的裸体雕塑,还有一个雕塑像是一位留着长胡须的哲学家。这些物品占据了雅典博物馆相当大的一块空间,没有人注意到一块形状不规则、很不起眼、被严重腐蚀了的青铜物品。”


雅典国家考古博物馆的古代展厅,正中间的是Antikythera youth男子雕塑,右边是古代哲学家头像

“这件不起眼的青铜物品就是我们今天要谈论的主角?”

“是的,这件机械装置有裸露出来的齿轮,还有上面若隐若现的希腊文铭文。 因为人们不知道它到底是做什么用的,所以一般把它称为安提基特拉机械。这个机械一开始不受重视,被装在一个木盒子里,放置在雅典考古博物馆的露天院子里。直到一天有位工作人员意识到了它的重要性,报告给上级,博物馆才把它放置到室内,可是Anthkythera机械的外部的一些青铜已经受腐蚀脱落了,露出来更多的齿轮。”


安提基特拉机械 - 碎块A正面 (雅典国家考古博物馆)

“它是什么样子的?”

“这个青铜装置呈深绿色,泛着白光,显示出曾经被海水严重腐蚀,所以形状非常不规则。最大的那一块残块大小像一本书那么大。”

“这上面的大轮子很显眼。” 学生说道。

“是的,这个机械装置最显著的形状是一个巨大的轮子,几乎和机械装置一样宽,轮子中央是一个类似十字架的东西,就像轮子的辐条一样发射开来,中心是一个方形的孔。在大轮子的边缘有很多个小齿,每个齿都被仔细地加工成等腰三角形。这些小齿是如此精细,以至于要借助于放大镜才能数清楚他们的个数。在同一个面上,还有一个小一些的齿轮,好像与大齿轮之间有一些关联。”

“装置的另外一侧是什么样子呢?”

“在装置的另外一侧,也有一些齿轮,有些清晰可见,有些则部分被遮盖了。在装置的下部的平坦部位,有一些希腊文铭文隐约可见。这些文字都是大写的,但是非常小,紧凑地排列在一起,几乎没有留出空白的空间。”


安提基特拉机械 - 碎块A反面

“就是这些吗?”

“不止这些,机械装置已经断裂成几个小块,第二块部件尺寸更小,其中一面上有一些弧度,上面刻了一些刻度,仿佛是钟表上的圆形刻度。第三块装置几乎完全被海水沉积物覆盖,只在背部有些可辨认的文字。第四块装置几乎被海水腐蚀了,只是从形状上看它似乎只包含一个齿轮。除此之外还有许多更小的残块。”

“这个装置是做什么用的呢?”

“从各种各样不同大小的齿轮、刻度以及铭文来看,这个装置似乎是一种用来计算的机械。但是这又不可能是一只机械钟表,因为类似的装置在2000年前是不存在的,只有到1000年后机械钟才被发明出来。”

“2000年前的希腊人能够制造精细的齿轮吗?”

“他们那时已经掌握这个技术,但是当时已发现的其它机械装置只有一两个齿轮,而安提基特拉机械有几十个齿轮。齿轮的个数越多,可以实现的计算越复杂,因此这么多的齿轮很有可能是被用来做一些复杂的计算。”

“用齿轮计算,听起来挺新鲜的!能举个例子吗?”

“比如,一个60齿的齿轮和30齿的齿轮啮合在一起,前者转一圈,后者刚好转2圈,如果大齿轮是输入,小齿轮是输出,这就是一个角度乘以2的乘法操作。把两个齿轮的位置调换,就是一个角度除以2的除法计算。”

“哦,有意思。齿轮组合能不能做加法和减法呢?”

“可以,不过要比乘法难很多。在现代汽车里有差速计,可以由3个齿轮实现加法和减法运算。差速计用途非常广泛,比如汽车转弯时内侧的轮子比外侧轮子走过的距离短,如果没有差速计,轮子就会打滑。而差速计让外轮的速度变大(直路行进速度加上一个数值),让内轮的速度减小(直路行进速度减去同一个数值),这样巧妙地解决了汽车转弯的问题。”

“在这个机械装置上还有什么新发现吗?”

“在其中一个碎片上,研究人员发现了一个希腊单词,这个词是用来描述黄道面的,意味着这个机械装置有可能是一个古代观测用的星盘。”

“星盘是什么?”

“星盘是古代的重要观测仪器,最早的星盘制作于公元6世纪,你可以把它想象成是天空星星的投影。星盘可以指示特定时刻天空中星星的位置。在古代,一个圆周被分成12份,每一份30度,对应于黄道带上的十二星座,这些星座就像是现代钟表上的十二个数字,构成了指针移动时的背景,这十二星座就是日月行星移动的背景,通过它们人们可以确定出日月行星的位置。而这个机械装置上恰好有圆周刻度。”


一种古代星盘 (Wikipedia)

“所以有人认为这是一个天文观测仪器?”

“对。但是后来有人认为安提基特拉机械上有齿轮,而古希腊时的星盘本身不需要任何齿轮,所以星盘的说法遭到了怀疑。”

“嗯,看来这个机械到底是做什么的还有待进一步考证。那后来有人研究清楚了吗?”

“过了几年,到了1905年,一个叫Albert Rehm的研究人员开始研究这个机械装置。他是德国慕尼黑大学的教授,来到雅典开始研究。此时,机械碎片已经被仔细地清洁过,更多的细节裸露了出来。他发现了一个以前被遮盖住刚刚显露出来的铭文:Pachon。”

“这是什么意思?”

“这是古埃及的一个月份的名字。我们知道,月份名对于星盘来说没有任何作用,因此这个装置不太可能是星盘。 Rehm认为这个装置有可能是一个行星仪。”

“有点意思,这和我们上次聊的太阳系模型的功能有些相似。” ( 《时间之问10》 太阳系的家庭舞会

“对,当转动外面的手柄时,带动了齿轮的运动,从而根据不同的齿轮比带动了更多齿轮的运动,这些齿轮的运动来模拟五大行星的周期运动。”

“听起来有些道理。”

“后来又有一位学者Rediadis 认为,行星仪需要非常复杂的齿轮,而这个机械装置不可能提供这么多的齿轮。”

“真是众说纷纭。”

“此时距离安提基特拉机械的打捞过去了30多年,到了1934年,有一位学者Theopandinis对这个机械展开了持久的研究。他认为,这个装置应该是一个航海测量仪器,一个大齿轮带动其它小齿轮的运动,用来指示航海的方位,他相信这是一个航海导航装置。虽然他同意Rehm说的这些齿轮用来指示太阳、月亮和五大行星的位置,但是他仍然摆脱不了天文仪器的解释。”

“他的研究有什么结果吗?”

“据说Theopandinis为了研究机械装置,倾家荡产卖掉了家里的几栋房子,但是进展不如人意,直到他去世他都没有把他的研究成果发表出来。”

“看来安提基特拉机械的魅力非凡,已经成功俘获了一位受害者。再后来呢?”

“此时已是1930年代,德国纳粹逐渐掌权,Rehm教授在1936年被强迫退休,他停止了机械装置的研究,直到二战结束后才重新恢复研究。但是好景不长,新政府并不重视他,他也没有足够的经费继续研究,到了1949年他去世了。”

“又一位学者带着遗憾离开了。对了,二战期间这些珍宝有没有受到损坏?”

“嗯,这是个好问题。当纳粹逐渐占领欧洲时,希腊政府意识到这些宝贝的重要性,把博物馆里的珍宝打包装箱,就地埋在博物馆院子的地下。很幸运,他们躲过了纳粹的铁蹄,但是磨难并没有结束。”

“为什么呢?”

“二战结束后,希腊又进行了数年的内战。经过连续不断战火的创伤,这些古代的机械装置已经渐渐被人遗忘,不再像当初那样引人注意了。与那些优雅漂亮的雕塑相比,这个形状不规则的装置不再展出,被堆放在博物馆的地下室里,默默无闻。”

“再后来呢?”

“接下来,一位重要的科学家就要登场了,他对安提基特拉机械进行长达数十年的研究,发表了长达70多页的研究论文,把这项研究推到了空前的高度,并重新点燃了人们对安提基特拉机械的兴趣。”

“这个人是谁呢?”

“哦,这次时间不多了,我们下次再聊吧。”

“好的,老师再见!”

参考文献:

  • Jo Marchant, "Decoding the Heavens: A 2,000-Year-old Computer and the Century Long Search to Discover Its Secrets", November 2008, William Heinemann Ltd.

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