安提基特拉裝置可以追溯到2000多年前。這臺“天文計算機”通過一組精密的齒輪模擬天體的運行周期。從20世紀70年代開始，研究人員通過殘片中齒輪的齒數和前后板上的銘文等信息，陸續復原了裝置后部的齒輪傳動結構，揭示了裝置計算日、月食發生時間的工作原理。如今，裝置前部結構也得到了復原，研究人員成功解釋了它如何計算日、月、五大行星在天空中的位置。
在這篇節選自《環球科學》2月新刊的文章中，托尼·弗里思將帶著我們回到2000多年前，領會古希臘人發明的安提基特拉機械裝置背后的偉大智慧與成就。
1900年，在克里特島和希臘大陸之間的安提基特拉島附近，一群來自地中海東部錫米島的希臘潛水員正在尋找天然海綿。他們剛剛躲過了一場猛烈的暴風雨，當風暴平息后，他們再次潛入水中尋找海綿，卻偶遇了一艘滿載古希臘珍寶的沉船——這是迄今為止發現的最為重要的古代沉船。
潛水員埃利亞斯·斯塔迪亞蒂斯(EliasStadiatis)身著厚重的帆布外套，頭戴銅制頭盔，渾身顫抖著浮出海面，他不停地念叨著“一堆裸體的死人”。這些“裸體的死人”，其實是隨其他文物一起散落在海底的大理石人像雕塑。隨著沉船的現世，歷史上第一次大規模水下考古挖掘就此拉開了序幕。
考古人員從沉船現場發現了一個與大字典尺寸相當的塊狀物，這在最初并沒有引起人們的注意，因為令人興奮的發現實在太多了。然而當這個塊狀物被安置于希臘國家考古博物館幾個月后，它裂開了，露出硬幣大小的精密青銅齒輪。這一發現引發了巨大的爭議。根據當時的歷史認知，像這樣的齒輪不應該出現在古希臘，或者同時期古代世界的其他任何地方。
這個塊狀物就是安提基特拉機械裝置(Antikythera mechanism)，一個讓歷史學家和科學家困惑了120多年的非凡之物。數十年間，它由最初被打撈上來時的塊狀物分裂成82塊殘片，留給了研究人員一幅難以復原的拼圖。這似乎是一臺無比復雜的齒輪式天文計算機。雖然我們已經可以復原它部分的工作原理，但依然存在一些未解之謎。
2021年3月，我所在的倫敦大學學院安提基特拉研究團隊(UCLAntikythera Research Team)發表了一篇論文。該論文重新討論了此前懸而未決的問題，并復原了裝置前部的齒輪傳動結構。
巧奪天工
幾十年間，研究安提基特拉裝置的科學家一直通過殘片的表面信息來破譯它的工作原理。20世紀70年代初，普賴斯與希臘放射學家哈拉蘭博斯·卡拉卡洛斯(CharalambosKarakalos)合作，對裝置殘片進行了X射線掃描。
令他們驚喜的是，至少可以辨認出30個獨立齒輪：最大的殘片中有27個，其他3塊殘片中各有1個。卡拉卡洛斯和他的妻子埃米莉(Emily)第一次對齒輪的齒數進行了推算，邁出了理解安提基特拉裝置計算原理的關鍵一步。毫無疑問，這臺計算機的復雜程度超出了所有人的想象。
這次X射線掃描是二維的，齒輪的結構看起來是扁平的，而且也只顯示了部分齒輪的部分圖像，因此科學家無法推斷出全部齒輪的齒數。盡管如此，普賴斯還是通過月球每19年254次的會合周期關系復原出一個齒輪系。
這個齒輪系以一個38齒的齒輪(19的2倍，因為只有19齒的齒輪太小了)開始，由一個位于機構前部、被稱為主驅動輪的齒輪驅動。而這個38齒齒輪(通過一些其他齒輪)可以驅動另一個127齒齒輪(254的一半，如果制造出完整的齒數，齒輪就會太大)。
安提基特拉裝置可以用來預測過去或未來任何指定日期日、月、五大行星的位置。不過，制造者必須首先使用這些天體的已知位置來做校準。使用者只需轉動手柄至所需時間，就能夠預測相關的天文事件。在裝置前板的“黃道刻度盤”上，黃道被分為十二個30°的區塊，代表黃道十二宮的各個星座。
安提基特拉裝置研究史上的第三位關鍵人物是邁克爾·賴特(Michael Wright)，他是倫敦科學博物館機械工程部門的前負責人。1990年，賴特與澳大利亞計算機學家阿蘭·G。布羅姆利(AlanG。 Bromley)合作，使用一種被稱為線性斷層掃描的早期三維X射線技術對該裝置進行了第二次X射線研究。在這次研究中，賴特最終確定了關鍵齒輪的齒數，并解釋了裝置背板上方的刻度表盤的作用。
2005年，來自英國和希臘的學術團隊與希臘國家考古博物館聯合進行了第三次X射線研究。X-Tek系統公司(現為尼康公司所有)開發了一臺X射線原型機，利用微焦計算機斷層掃描技術(X射線CT)拍攝高分辨率的三維X射線影像。為了增強表面細節，惠普公司提供了一套出色的數字成像技術——多項式紋理映射。
殘片集合：多年來，安提基特拉機械裝置由原始塊狀物分裂成82個殘片。對于研究人員來說，將它們恢復原狀是一個極具挑戰的難題。最大的殘片(左上角)上載有主驅動輪。
新的數據讓我們感到驚訝。第一個重大突破是發現這個裝置除了可以預測天體的運動外，還可以預測日食和月食。新的X射線影像顯示，在裝置后部有一個223齒的大齒輪，通過它可以旋轉后板下方刻度盤上的指針。表盤的刻度呈螺旋狀向外旋轉4圈，所劃分的223個區域代表了223個朔望月。沙羅周期表盤以巴比倫交食周期的慣用名稱“沙羅”(saros)為名，結合裝置上描述每一次日食、月食特征的銘文，可以對某月是否會發生，以及會發生什么類型的交食現象進行預測。這項發現同時也留下了一個巨大的疑惑：位于這個大齒輪圓周內的一組齒輪(共4個)，似乎沒有任何用處。
我們花了幾個月的時間來研究這組齒輪，結果令人震驚。這組齒輪非常漂亮地實現了對月球變速運動的模擬。在現代天文學的解釋中，月球的公轉軌道是一個橢圓，因此它的運動是不均勻的。月球軌道在太空中并不是固定不變的，整個橢圓軌道不到9年就可以旋轉一周。古希臘人沒有橢圓軌道的概念，他們通過兩種圓周運動的結合，也就是本輪-均輪理論，來解釋月球運動的微妙變化。
此前，賴特研究的是裝置后部四個神秘齒輪中的兩個。他發現其中一個齒輪表面上的銷子，正好可與另一齒輪上的插槽相匹配。這看起來是一個無效的設計，因為齒輪組肯定會以相同的速度一起轉動。但隨后賴特注意到，兩個齒輪其實是在相距1毫米左右的不同軸上轉動的，這意味著這套系統可以產生變速運動。齒輪的軸不是固定的，它們被有規律地安裝在223齒齒輪上。
即便如此，太陽粒子峰值和伴隨產生的地磁暴強度之間的確切關聯仍不清楚。托馬斯說：“一場強大的太陽風暴往往會伴隨著地磁暴，但并非總是如此。”甚至可能像卡林頓事件那樣，地磁暴根本不會引起碳14含量的激增。這可以解釋為什么在該事件發生時的年輪和冰芯數據中，科學家并沒有發現碳14含量峰值。
賴特最后放棄了用這些齒輪來模擬月球變速運動的設想。因為在他的復原模型中，223齒的齒輪旋轉速度過快，使這個想法失去了意義。但是在我們的模型中，223齒齒輪是以一個較低的速度來轉動沙羅周期表盤上的指針的。我們對于后板刻度盤及齒輪傳動系統的研究，幾乎調和了當時所有已知的物理細節，大大推進了對裝置后部結構的理解。2006年，《自然》(Nature)雜志發表了我們團隊的研究成果。然而，關于裝置的前部結構，仍是迷霧重重。
裝置的前部結構
裝置前部最突出的結構來自最大的殘片。這是一個被設計為每年旋轉一周的主驅動輪。與其他大多數呈扁平圓盤狀的齒輪不同，它攜帶4根輻條，具有令人費解的外形。輻條上面的圓孔則表明它們需要配合軸承工作。驅動輪外緣是一圈像垂直豎起的小指頭一樣的柱狀物，柱肩和穿孔的末端部位顯示出承載面板的功能特征。四根短柱支撐一塊矩形板，四根長柱支撐一塊圓形板。
繼普賴斯之后，賴特將希臘人用來解釋行星運動的本輪-均輪系統納入安提基特拉裝置的結構之中。行星運動系統通過一個獨立軸裝載于主驅動輪之上，計算信息則可通過主驅動輪傳送至裝置前板的顯示系統。但他的傳動系統模型與已知齒輪系的可用空間及精巧程度并不相符。
隱藏信息：2005年進行的X射線CT掃描顯示，安提基特拉機械裝置上有以前從未見過的銘文，包括前蓋上的行星周期列表(如圖所示)和后蓋上的“使用手冊”。
2005年，X射線檢測提供了關鍵的線索——殘片內部隱藏了數千個一直都未曾被閱讀的字符。雷姆在1905年到1906年間的研究筆記表示，前板載有可知太陽和行星位置的同心環形天象演示系統。裝置配有前、后兩蓋以保護顯示系統，并刻有大量銘文。2005年的掃描結果顯示，后蓋上的銘文是一份“使用手冊”。2016年，紐約大學天文學史教授亞歷山大·瓊斯(AlexanderJones)在這段銘文中發現了可以證明雷姆觀點的確鑿信息：銘文對如何用標記珠演示太陽和行星位置有著詳細的描述。
任何對該裝置工作原理的復原都應該符合這一描述。然而，由于一個難以解決的技術問題，之前的復原工作并未包含這個演示系統。2018年，我們團隊的研究生希貢用一個簡單而巧妙的方法解決了這個技術問題，并解釋了主驅動輪輻條上穿孔塊的作用。這個塊狀結構可以將“平太陽”運動(與不均勻的“真太陽”運動相對)直接傳送至月相裝置。該設計既使前板上的環形演示系統變得可行，也與后蓋銘文中的描述完全吻合。
在破譯裝置前部結構之前，我們必須先確定機械內置的行星周期，因為這決定了齒輪系如何計算行星的位置。前蓋銘文的CT影像顯示，文字內容根據五顆行星劃分為五個部分。在金星部分，瓊斯于2016年發現了數字462;在土星部分，發現了數字442。這些數字非常陌生，裝置的制造者似乎使用了他們改進精度后的金、土二星會合周期關系：金星在462年會合289次，土星在442年會合427次。
瓊斯一直沒有弄清古希臘人是如何得出這兩個數據的，于是我們嘗試做相關研究。最終，我們找到了一個可以根據已知周期關系推算得到更高精度數據的古代數學方法。據此我們認為，安提基特拉裝置的制作者無論使用什么周期數據，都需要遵循三個標準：精確性、可分解性與經濟性。
首先，數據必須精確符合金星和土星已知的周期關系。其次，這個周期數據必須是可以因數分解的，以便用小到足以裝入機器的齒輪對行星運動進行計算和模擬。最后，為了保證整個系統簡省且高效，需要盡可能減少齒輪的使用數量。
簡省且高效，是安提基特拉裝置齒輪傳動系統的一個關鍵特征。基于這些標準，我們利用巴門尼德的數學方法得出了462和442這兩個周期數據，并采用同樣的方法推算得到銘文中其他行星的缺損數據。
掌握了行星的會合周期后，我們開始嘗試將行星的齒輪傳動系統裝入可用的狹小空間。對于水星和金星，我們提出了經濟的5齒輪機械結構，該結構采用了賴特方案中的銷槽設計。一塊直徑4厘米的殘片內部的CT影像顯示出這樣一個結構：63齒齒輪上附著了一個圓盤，可在D形面板中轉動。數字63與462(金星會合周期)共享質因數3和7。水星傳動構造的設計與此類似。這些觀察和驗證讓我們十分相信，對水星和金星機械結構的復原方向是正確的。
對于火星、木星和土星，我們設想了緊湊的系統以適配現有的可用空間。這個復原與賴特的行星系統截然不同。我們還證實新的行星周期數據可以納入齒輪傳動的復原系統之中。這個系統允許安提基特拉裝置的制造者在同一個面板上安裝若干齒輪，并使其與周期關系進行精確配合。
復原安提基特拉機械裝置的齒輪系統。新模型使用69個齒輪，構成了一個具有驚人復雜程度的天文計算工具。
高效的7齒輪傳動系統錯綜交織于主驅動輪柱狀結構所支撐的面板上。同時，該傳動系統的輸出順序決定了前板同心環形系統的布局設計，此順序即當時通行的宇宙天體秩序——月亮、水星、金星、太陽、火星、木星和土星。在這個重建模型中，兩塊面板之間的可用空間剛好能夠容納所復原的齒輪系統。
一件杰作
安提基特拉機械裝置是其同時代的一個孤例。它憑一己之力改寫了我們對古希臘技術的認知。過去我們只知道古希臘人的能力強大，在安提基特拉裝置之前，他們已經建造了帕特農神廟和亞歷山大燈塔。他們有水管，也用蒸汽來操作設備。
但在這個裝置被發現之前，人們普遍認為古希臘的齒輪只限于風車和水磨中的粗糙結構。除此之外，已知最早的精密齒輪裝置出現在大約公元600年的拜占庭時期，那是一個相對簡單但在同時期依然令人矚目的齒輪式日晷。直到14世紀，科學家才發明了第一個精密天文鐘。這樣看來，安提基特拉機械裝置的精密齒輪軸承結構完全不同于古代世界的其他任何裝置。
盡管目前對安提基特拉裝置的研究工作取得了重大的進展，但仍然存在著有待解決的謎團。在大量殘片細節的缺失下，科學家并不能保證完全準確的復原，畢竟要匹配所有的現存信息是一件非常困難的事情。
