它是人类的第一台模拟计算机，2000年前就能计算月全食

2018年7月28日凌晨2时24分27秒（海说神聊京时候），本年的第二场月全食将会如期而至。

糊口在现代社会，我们早已习惯切确到分秒的日月食预告。我们可以用激光测距切确地测量地月之间的距离；可以用从光学到射电分歧波段的不雅测，切确地测量出太阳系本家儿要行星的位置与速度。在这些不雅测的根本上，我们有年夜型计较机，可以细心计较各个行星之间的复杂摄动、近乎严酷的推算出它们的轨道，进而以极小的误差，确定出必然期间之内太阳系各个天体之间的掩食现象。

我们对此已经习觉得常。

可我们是什么时辰起头获得用科学计较预告日月食这种"通天"的能力的呢？

三百年前？五百年前？

以天文学备受正视、高度发财著称的古代中汉文明，在预告月食这件事上的记载是1500年前：敦煌出土的文献《海说神聊魏承平真君十一年历日至十二年历日》，记实了公元451年的两次月食。

但这并不是最早的。

今天我想给大师介绍的，是如许一个极年夜倾覆认知的考古发现：一个2000年前的月食计较器——或者说，人类的第一台模拟计较机。

^{Antikythera Mechanism. Credit: Marsyas}

它的名字，叫做安提基瑟拉机构（Antikythera Mechanism）。

安提基瑟拉岛是希腊本土与克里特岛之间的一个小岛。1900年摆布，一队在此采集海绵的希腊潜水员不测发现一艘古代沉船，经判定年夜约是公元前100年摆布沉没的。这里地处希腊与罗马的海上商业航线四周，在这里发现一艘不幸的沉船并不是出格不测。

但从船上打捞出来的浩繁遗物中，包含几个已经严重锈蚀的铜质碎片，像是某种特别的机械布局，这就有点神奇了。此前甚至此后，人们都从未见过这么复杂的古代机械设计作品。

在频频几回搜查之后，人们一共找到了年夜巨细小的82块残片。

^{T. Freeth et al. 2006}

在最年夜的几块残片上，人们发现年夜量的齿轮以及精心描绘的沟槽，此外概况上还密密麻麻地刻着古代希腊文，像是这个机械的仿单。对这些残存铭文的解读，显示它的功能与天文有关。

^{Philip Chrysopoulos}

在曩昔的一个宿世纪中，对残片布局的研究与回复复兴慢慢印证着人们的猜测。尤其是在2006年，考古学家利用X射线断层扫描手艺对残片内部布局进行了完整的测绘，揭示出年夜量细节，为搞清它的布局和功能打下了根本。

对这些残片的阐发表白，它包含两个年夜的组件。每一个上面都描绘着一个标识表记标帜着刻度的螺旋线。

^{T. Freeth et al. 2006}

而细心数这些齿轮和刻度，几个神奇的数字呈现在考古学家的手中：223、235、365……熟悉历法的人立即可以看出，这些数字与太阳、月球运行的周期有着紧密亲密的关系。

为了理解这是什么意思，我们起首需要复习一下关于天文历法的一些根基常识：

我们知道一年的长度是年夜约365又四分之一天，这又被称为"埃及历"。因为年的日数必需是整数以便利利用，一般取365天，但每4年就会多积攒出来一天，我们采用每4年一闰日的方式进行调整。

而若是想把月球圆缺转变的周期，也即"朔望月"的长度也考虑进来，跟太阳在天空中转变的周期共同，配合构成"阴阳历"，工作就要复杂一些。前人很早就发现，19个太阳回归年的长度，差不多正好是235个朔望月的长度，所以若是每年只设置12个月，19年下来会多出来235-12x19=7个月。是以阴阳历的解决方案就是把这7个月按照必然的商定插入到19年中，这就是所谓的闰月。如许的19年我们叫做"默冬章"或者"默冬周期"。

若是我们认为每年都有365.25天，那19年会一共有365.25x19=6939.75天。仍然考虑到历法必需用整数，我们需要商定如许一个19年的周期一共有6940天。如许每19年会多出来1/4天，也即每76年就会多出来一天。76年这个周期，我们叫做"卡利匹克周期"；在每个周期中，我们需要减失落一天。

还有一个和日月食很是相关的周期，叫做沙罗周期。

我们知道因为月球轨道平面和地球公转轨道平面并不重合，并不是每次新月时城市发生日食、每次满月时城市发生月食。月亮会经常从太阳或地球本影的上方、下方滑过，而"错过"一场日月食。

月球在什么处所呈现才可能发生日月食呢——在月球轨道平面（白道面）与地球公转轨道面（黄道面）有条交线，这条交线在月球轨道上有两个交点，只有月球在新月、满月的时辰刚好呈现在交点上，才能发生日月食。

^{从地球上看曩昔，太阳、月亮仿佛如许活动}

而当日月食发生的时辰，月球离地球有多远，决议了月球看起来有多年夜，进而决议了这场日月食的时候长度。

月球颠末统一个"交点"的周期叫做"交点月"，在轨道上颠末近地址的周期叫做"近点月"。因为月球轨道的进动，这两个周期是分歧的。

但巧就巧在，每223个朔望月、242个交点月、239个近点月，所需的时候几乎是一样的，年夜约是18年11又1/3天，这就是沙罗周期。

所以每一场日月食之前或者之后这么多天，在地球上城市发生一场极其相似的日月食。而沙罗周期的3倍，也即54年33天，则是统一个地址发生两次很是相似日月食的周期。

有了这些布景常识，那两个螺线的意思就显而易见了：

^{T. Freeth et al. 2008}

在安提基瑟拉机构中找到这些相关数字，明白的意味着这个机械是用来推算历法、计较日月食的。是以它可以称作已知最早的月食计较器。

研究人员发现，安提基瑟拉机构不仅可以计较月相、指导历法、推算日月食，还能模拟整个太阳系天体的活动，可谓功能十分壮大了。

遗憾的是因为出土时它已经严重锈蚀而且割裂为年夜量残片，这个精巧的机构中一部门子系统已经散佚。这让研究人员实在费了一番脑子，以下展示一些试图重建整个机构的原貌的研究当作果：

例如 Edmund and Morgan 回复复兴的布局设计：

^{Edmund and Morgan}

再如Evans等人回复复兴的该机构对太阳系那时所知5颗行星的模拟运行系统：

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

希腊亚里士多德年夜学 传授所做、希腊国度博物馆保藏的回复复兴设计：

^Efstathiou

我国台湾当作功年夜学的两名研究人员林建良、颜洪森也对此进行了研究。这是他们对月相演示子系统的回复复兴：

在2016年出书的一本专著中，他们更系统性地穷举了所有可能的48种设计方案，例如：

可以说在现有信息的根本上，这根基解决了安提基瑟拉机构留给我们的疑团。

我们以往印象中只会呈现在近现代的精巧的机械设计，竟然在古希腊时代就已经存在，这不得不让我们思虑，在人类汗青的年夜大都期间，成长并不老是线性标的目的前的。伟年夜的文明可能毁于战火，文明的古迹并不总能得以幸存。不外科学家可以经由过程对比前后分歧期间、分歧文明的设计佳构，猜测出那时的工程设计思惟，可以操纵现代工程学常识穷举可能的设计方案，从前人留下的残砖碎瓦中，还原汗青的本相。

更多关于安提基瑟拉机构的研究详情，请参考下列文献资料：

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当作果報告

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.

（本文中标明来历的图片均已获得授权）

出品：科普中国

建造：中国科学院国度天文台 刘博洋

监制：中国科学院计较机收集信息中间