它是人類的第一臺模擬計算機，2000年前就能計算月全食

2018年7月28日凌晨2時24分27秒（海說神聊京時候），本年的第二場月全食將會如期而至。

糊口在現代社會，我們早已習慣切確到分秒的日月食預告。我們可以用激光測距切確地測量地月之間的距離；可以用從光學到射電分歧波段的不雅測，切確地測量出太陽系本家兒要行星的位置與速度。在這些不雅測的根本上，我們有年夜型計較機，可以細心計較各個行星之間的復雜攝動、近乎嚴酷的推算出它們的軌道，進而以極小的誤差，確定出必然期間之內太陽系各個天體之間的掩食現象。

我們對此已經習覺得常。

可我們是什么時辰起頭獲得用科學計較預告日月食這種"通天"的能力的呢？

三百年前？五百年前？

以天文學備受正視、高度發財著稱的古代中漢文明，在預告月食這件事上的記載是1500年前：敦煌出土的文獻《海說神聊魏承平真君十一年歷日至十二年歷日》，記實了公元451年的兩次月食。

但這并不是最早的。

今天我想給大師介紹的，是如許一個極年夜傾覆認知的考古發現：一個2000年前的月食計較器——或者說，人類的第一臺模擬計較機。

^{Antikythera Mechanism. Credit: Marsyas}

它的名字，叫做安提基瑟拉機構（Antikythera Mechanism）。

安提基瑟拉島是希臘本土與克里特島之間的一個小島。1900年擺布，一隊在此采集海綿的希臘潛水員不測發現一艘古代沉船，經判定年夜約是公元前100年擺布沉沒的。這里地處希臘與羅馬的海上商業航線四周，在這里發現一艘不幸的沉船并不是出格不測。

但從船上打撈出來的浩繁遺物中，包含幾個已經嚴重銹蝕的銅質碎片，像是某種特別的機械布局，這就有點神奇了。此前甚至此后，人們都從未見過這么復雜的古代機械設計作品。

在頻頻幾回搜查之后，人們一共找到了年夜巨細小的82塊殘片。

^{T. Freeth et al. 2006}

在最年夜的幾塊殘片上，人們發現年夜量的齒輪以及精心描繪的溝槽，此外概況上還密密麻麻地刻著古代希臘文，像是這個機械的仿單。對這些殘存銘文的解讀，顯示它的功能與天文有關。

^{Philip Chrysopoulos}

在曩昔的一個宿世紀中，對殘片布局的研究與回復復興慢慢印證著人們的猜測。尤其是在2006年，考古學家利用X射線斷層掃描手藝對殘片內部布局進行了完整的測繪，揭示出年夜量細節，為搞清它的布局和功能打下了根本。

對這些殘片的闡發表白，它包含兩個年夜的組件。每一個上面都描繪著一個標識表記標幟著刻度的螺旋線。

^{T. Freeth et al. 2006}

而細心數這些齒輪和刻度，幾個神奇的數字呈現在考古學家的手中：223、235、365……熟悉歷法的人立即可以看出，這些數字與太陽、月球運行的周期有著緊密親密的關系。

為了理解這是什么意思，我們起首需要復習一下關于天文歷法的一些根基常識：

我們知道一年的長度是年夜約365又四分之一天，這又被稱為"埃及歷"。因為年的日數必需是整數以便利利用，一般取365天，但每4年就會多積攢出來一天，我們采用每4年一閏日的方式進行調整。

而若是想把月球圓缺轉變的周期，也即"朔望月"的長度也考慮進來，跟太陽在天空中轉變的周期共同，配合構成"陰陽歷"，工作就要復雜一些。前人很早就發現，19個太陽回歸年的長度，差不多正好是235個朔望月的長度，所以若是每年只設置12個月，19年下來會多出來235-12x19=7個月。是以陰陽歷的解決方案就是把這7個月按照必然的商定插入到19年中，這就是所謂的閏月。如許的19年我們叫做"默冬章"或者"默冬周期"。

若是我們認為每年都有365.25天，那19年會一共有365.25x19=6939.75天。仍然考慮到歷法必需用整數，我們需要商定如許一個19年的周期一共有6940天。如許每19年會多出來1/4天，也即每76年就會多出來一天。76年這個周期，我們叫做"卡利匹克周期"；在每個周期中，我們需要減失落一天。

還有一個和日月食很是相關的周期，叫做沙羅周期。

我們知道因為月球軌道平面和地球公轉軌道平面并不重合，并不是每次新月時城市發生日食、每次滿月時城市發生月食。月亮會經常從太陽或地球本影的上方、下方滑過，而"錯過"一場日月食。

月球在什么處所呈現才可能發生日月食呢——在月球軌道平面（白道面）與地球公轉軌道面（黃道面）有條交線，這條交線在月球軌道上有兩個交點，只有月球在新月、滿月的時辰剛好呈現在交點上，才能發生日月食。

^{從地球上看曩昔，太陽、月亮仿佛如許活動}

而當日月食發生的時辰，月球離地球有多遠，決議了月球看起來有多年夜，進而決議了這場日月食的時候長度。

月球顛末統一個"交點"的周期叫做"交點月"，在軌道上顛末近地址的周期叫做"近點月"。因為月球軌道的進動，這兩個周期是分歧的。

但巧就巧在，每223個朔望月、242個交點月、239個近點月，所需的時候幾乎是一樣的，年夜約是18年11又1/3天，這就是沙羅周期。

所以每一場日月食之前或者之后這么多天，在地球上城市發生一場極其相似的日月食。而沙羅周期的3倍，也即54年33天，則是統一個地址發生兩次很是相似日月食的周期。

有了這些布景常識，那兩個螺線的意思就顯而易見了：

^{T. Freeth et al. 2008}

在安提基瑟拉機構中找到這些相關數字，明白的意味著這個機械是用來推算歷法、計較日月食的。是以它可以稱作已知最早的月食計較器。

研究人員發現，安提基瑟拉機構不僅可以計較月相、指導歷法、推算日月食，還能模擬整個太陽系天體的活動，可謂功能十分壯大了。

遺憾的是因為出土時它已經嚴重銹蝕而且割裂為年夜量殘片，這個精巧的機構中一部門子系統已經散佚。這讓研究人員實在費了一番腦子，以下展示一些試圖重建整個機構的原貌的研究當作果：

例如 Edmund and Morgan 回復復興的布局設計：

^{Edmund and Morgan}

再如Evans等人回復復興的該機構對太陽系那時所知5顆行星的模擬運行系統：

^{Evans J, Carman CC, Thorndike AS 2010}

希臘亞里士多德年夜學傳授所做、希臘國度博物館保藏的回復復興設計：

^Efstathiou

我國臺灣當作功年夜學的兩名研究人員林建良、顏洪森也對此進行了研究。這是他們對月相演示子系統的回復復興：

在2016年出書的一本專著中，他們更系統性地窮舉了所有可能的48種設計方案，例如：

可以說在現有信息的根本上，這根基解決了安提基瑟拉機構留給我們的疑團。

我們以往印象中只會呈現在近現代的精巧的機械設計，竟然在古希臘時代就已經存在，這不得不讓我們思慮，在人類汗青的年夜大都期間，成長并不老是線性標的目的前的。偉年夜的文明可能毀于戰火，文明的古跡并不總能得以幸存。不外科學家可以經由過程對比前后分歧期間、分歧文明的設計佳構，猜測出那時的工程設計思惟，可以操縱現代工程學常識窮舉可能的設計方案，從前人留下的殘磚碎瓦中，還原汗青的本相。

更多關于安提基瑟拉機構的研究詳情，請參考下列文獻資料：

Lin & Hong 2016, Decoding the Mechanisms of Antikythera Astronomical Device

林建良、顏鴻森 2011，安提基瑟拉機構之系統化復原設計研究當作果報告

M. Edmunds, P. Morgan 2000, The Antikythera mechanism: still a Mystery of Greek astronomy.

T. Freeth et al. 2006,

T. Freeth et al. 2008,

Evans J, Carman CC, Thorndike AS 2010, Solar Anomaly and planetary displays in the

Antikythera Mechanism.

（本文中標明來歷的圖片均已獲得授權）

出品：科普中國

建造：中國科學院國度天文臺劉博洋

監制：中國科學院計較機收集信息中間