丁缓的常满灯

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  每次翻《西京杂记》都是一样的体验,一段又一段的只言片语,没头没尾,但是每一句讲述的事情都优美到直击心灵,却又难以理解,因而让人不敢相信。就像听到树林里传来一声歌唱,唱了一句就停住,好听得让你心里“咚”地一跳,你被深深吸引,但却不知道这句歌词是嵌在怎样的一支完整歌曲里,不知道那支歌的整首旋律,更不知道那支歌的经历,它卷入其中的人文氛围,唱这支歌的都是些什么样的男男女女,他们有过怎样的获得和失去——这就是读《西京杂记》的感觉。
  让这本书变得更有魅力的是,现代考古成果不断证明其中一部分内容的真实性,满城中山王墓的发掘就让大家恍然大悟,原来“汉帝送死,皆珠襦玉匣”说的是金缕玉衣。另外,联系现实,或者文献考证,也能搞清楚该书的一些条文,如“入水不濡”的“吉光裘”应该是指石棉布。这些研究成果证明了《西京杂记》并不荒谬,而是一册珍贵的史料摘录。
  该书有一条记载“常满灯、被中香炉”:
  长安巧匠丁缓者,为常满灯,五龙七凤,杂以芙蓉连藕
  之奇。又作卧褥香炉,又名被中香炉……
  其中,“被中香炉”出土了唐代实物,并引发了广泛的讨论。李约瑟《中国科学技术史》之《机械工程》一册中有专门一节《“卡丹”平衡环》,把这个话题发展为科学史研究,影响深刻。厉害的是,这位大学者在该节的一条注释里顺便解释了“常满灯”(汉译本252页,科学出版社一九九九年)。据注文中讲,他在斯里兰卡考古调查所博物馆看到了几件常满灯实物。考古学家在德底伽摩塔的上层房间的废墟中发现了它们,而该塔建于十二世纪,因此这几件常满灯被认定是十二世纪的文物。
  李约瑟简单地介绍了那几只灯的结构和运作原理,都是多灯头的悬灯,四周为放置灯芯的油碗,中间有一只大象作为储油罐,当灯碗内的油因燃烧而下降,“气泡上升的时候”,“大象的生殖器就作为油管向油碗注油”。他指出常满灯是利用了气压原理,但具体怎样形成“常满”的效果,却没有交代明白。这就意味着,仅仅凭这一条注文,我们还是无法理解丁缓的杰出作品。
  由于对伊斯兰文明的忽视,让我们难以注意到,常满灯的秘密记录在一本九世纪的里程碑式的工学著作《奇器之书》里,一千年来都在等着中国人的目光。《奇器之书》的作者为穆萨·本·沙克尔三兄弟,依次名为穆罕默德(八七三年去世)、艾哈迈德和艾尔哈桑,他们生活在阿巴斯王朝的盛期、英主马蒙统治的时代,是著名的巴格达“智慧宫”的重要成员。该书介绍了约一百件能制造奇妙效果的器具,不仅讲述每件器物的构造、制作过程,还解释运作的原理,并且配有内部结构图,在中世纪的伊斯兰世界备受赞誉,并有后世抄本幸运地流传至今。伊斯兰科技史学者唐纳德·R.希尔(Donald R.Hill)根据三份传世的阿拉伯文手稿,将这一重要作品翻译成英文并加以校注,这个英译本于一九七九年出版,让世界上更多的人从此有机会了解千年前的科技成就。
  说来你可能不信,《奇器之书》记录了三种常满灯,即95项、97项和76项。其中,95项(图一)最为简单,李约瑟在斯里兰卡看到的古灯就属于这一款式:
图一(希尔整理图)

  灯制,一旦注入之后即保持满盏,减少之后会随时补充。于是灯盏内始终满盛着油,不见减少,让看到的人以为灯焰没有消耗油。见图示,制作一根圆柱,顶部标为d。其上半截是一个空心球,亦即储油罐,用fsx来指代……d点开有孔洞,插入一支空心管dq,q端是封闭的,而d端为敞口。在管dq的腔里,再固定一支细(弯)管jb,由管dq的壁上穿出,形式如插图所标,其终端横伸到球腔里。这样,当油由d口注入,会穿过管dq,于管jb内上升,然后流到球罐fsx里。在球罐的侧畔固定一只正常样式的油灯ah,在灯的盏腔与球腔彼此接合的位置,一上一下开两个孔,孔e和孔z。由上方的孔e衔接一支细管el(向上斜举在球腔内部)。在灯盏内放一根粗灯芯。由d口注油,令其经管jb汇入球腔fsx。在如我们所愿注入适量油之后,打开孔z,油便会流进灯盏,直到淹没孔e——也可以不堵塞孔z,而是由其口接出一根上举的弯管。点燃灯芯,灯盏内的油便会慢慢燃烧,随着灯油消耗,孔e会露出油面,这时,空气经由管el进入球腔fsx,空气涌入多少,便会有多少(球腔内的)储油通过孔z涌出到盏碗里,直至孔e再次被埋没。如此,每当灯油将油消耗,孔e暴露,空气便能涌入储油罐,于是造成同等量的油流出,最终将管e封住。就这样反复不止。(据英译本,下同)
  如此完整的介绍,配着插图,让人顿悟灯油“常满”的奥秘,原来是利用气压原理,由附设在灯畔的储油罐间断地、有规律地向灯盏内补油。
  不过穆萨三兄弟没有止步于此,在接下来的96项中,介绍了一种能够自动出灯芯的灯,于灯盏内设置一组包括齿轮与带齿滑轨、滑轮、链条的联动装置,利用气压原理驱使这组装置隔一段时间就发生一次运动,让灯芯从灯嘴里冒出一截。随之,97项(图二)则是95款与96款的合体,构造也就复杂了许多:
  灯制,自动出灯芯,自动补油,让任何人看到都以为火焰既没有消耗油也没有消耗灯芯。这种灯被称为“神灯”。方法在于,造一座自动出灯芯的灯,我们对其复制(并加以调整),做出了图示,即内里有个转轮k,上挂链条k,链条一端固定着重坠s。我们再将自动补油灯的图示亦加以复制(即将两座灯结合在一起),但加装一根长管(由油灯盏腔接出,竖立在储油罐里),空气由这根管从油灯流通到灯柱上的储油罐jb里。链条要延伸到这根竖管内,并如图所示,在豎管的上方再设置一个小滑轮,让链条由其上绕过(然后垂在储油罐里),末端坠一个浮标t。浮标t的重量必须是垂坠s的两倍,它是浮于油面上。在储油罐与灯之间开两个孔,孔a以及孔j,由孔a接出一根细管ae,其终端出口为一只鸟头的喙。油灯的顶面板上开有孔f,该鸟头应该位于孔f之上方,这样,当油流过管ae后,会滴落入孔f,汇进盏腔。
图二(希尔整理图)

  须知,一旦通过孔l注油,油会落入管ls,再经管wz,涌进此管插入其中的储油罐。浮标t上升,重坠s下沉,在下沉过程中拉动链条,后者牵扯滑轮转动,引发齿轮与之一同运动。带齿轮的杆ms跟着滑动,让灯芯向方向x移动。
  注入足量油后,灯腔fb灌满了油,此时在众目睽睽之下点燃灯芯。油渐渐消耗,直到孔j暴露出来,空气通过孔j进入储油罐,油便从储油罐通过管ae进入灯盏,接着会有油滴从鸟喙滴落,直到管口j被堵住为止。随后,储油罐内的油平面逐渐下降,浮标t降低,拉动链条,重坠s上升,滑轮k和齿轮y转动,嵌装有灯芯线的曲杆向方向x转动,于是灯芯冒出。
  要明白,我们制作的是一只自动吐露灯芯的灯,但利用这些装置也可以造出一座标记时间的灯,每过一个小时,就掉下一个小球。这一方法无法达到绝对精确,但能大致精确。如果愿意的话,那么还可以做到每过去一天,浮标下沉能引发一个球落下,于是,任何人如果想知道自灯点起之后过去了多少时间,只要看看落球的数目,把一个球算作一天。信徒愿意使用这种灯——他们看到它,以为是一盏永恒的灯,灯焰永远不灭,油管里永远有燃料。他们就成了魔术师。在教堂里,基督徒把灯柱和储油罐都嵌在墙内,用墙体隐藏起来,只显露灯的部分,由此在观看者的眼里更显美丽。
  这个装置听起来就很神奇了,如果藏在墙内的储油罐很大,而灯焰又微弱的话,那么每添一次油之后,自动出灯芯、自动补油的机械化工作可以持续一段时间,按文中的说法,是可以几天都不添油而装置自行运作,在不明就里的人看来,真是一盏不需要外力就永远长明不熄的灯了,难怪古人称之为“神灯”。更让人惊奇的是,这种神灯还能改装成时钟,利用书中未加详解的办法,可以每隔一小时——大概是从吐灯捻的油灯嘴处——掉下一个小球,或者设定成每一天掉下一个小球。“阿拉丁神灯”的故事之能出现,大概是受了这类魔术灯的启发吧!
  然而你以为魔术到这一步就完了吗?不,没有,书中还有76项(图三),要复杂好多,实际上这一装置的首要目的是作为常满酒盆,但也可以用作油灯或熏炉,或供人或家畜的饮水器:
图三(希尔整理图)

  其制品为一只容器,这个容器应有美观的外形,我们以abf标示。内部用一片平板xl平均分割成上下两半,而其下半部lxf再用一片竖板SH隔开。在平板xl上开一个孔w,安装一个能朝上活动的阀门。在顶面ab开一个大洞j,在其中嵌入一个宽管jz,在将近管jz的底部升起管zd,延伸到近于顶部之处破壁而出。制作两个小箱khe和M,以一只管Mkh将二者相贯接,并把它们安排成如插图所示的样式。在管Mkh中间的下面,竖立一根立杆Ty,并在y点通过一个转轴令其与管相衔。管zd落入箱khe中。用一根杆ew把阀门w的塞子与箱khe的底部连在一起,这样,当箱M下沉的时候,箱khe就会升起,而阀门w也打开。在箱abx的顶面,由a点接出一根管as,此管穿过平板lx进入箱H——空气就是由这支管进出。制造一只箱tk,将其竖立在我们选中的地方,固定好之后,箱顶亦即盆缘需比管的s端略高——标为sh之处需与箱内的m处位于同一水平上。在水盆(即箱tk)之内安放一只鸟的雕像,由箱1HS伸出一根管tm,一路进入雕像的腿部,最终通到鸟喙,形成出口,如图所示。
  根据文字与插图应该清楚,酒或者油或者其他液体如果被注入容器顶部的孔j,会流进管jz,再经管zd,泄漏到箱khe中,又从箱khe通过管khM汇入箱M,接着从箱M溢出,落在容器abxl里。一旦中止注酒,箱khe变空,而箱M仍然是满的,便会下沉。于是箱khe上升,活阀w打开,液体流入容器1HS,随即进入水盆k。当酒或其他液体达到盆内的sh点、箱1HS内的s点,液体便被阻住,既无法流入水盆k也无法流入1HS,因为空气流出的通道,即管as,遭到了堵塞。须知,无论酒还是其他任何液体,一旦从水盆k舀出,导管的s端就会暴露出来,于是空气通过管ls进入箱abx,也就会有等量的液体由此箱流出。要明白,如果用一只点着灯芯的油灯替换掉水盆,那么每当灯油耗掉,便会有等量的油补回灯盏中。
  如此复杂的机关设计,不知实际操作的效果如何?可能机械专业的人才一眼就能看明白,也或者需要通过重建这套装置来加以检验。希尔并没有否定此款常满装置的可行性,只是指出原版插图中的一根管子的位置不对。
  这三则设计足以让我们明白,在古代世界,常满灯并非人们幻想中的奇迹,而是经过一代代能人巧匠不断研究形成的技术成果。实际上,95款常满灯并非穆萨三兄弟的首创,拜占庭的菲隆(公元前三世纪)、亚历山大城的希罗(公元前一0年至公元七0年)在各自的著作中都已经提到了它。因此,《西京杂记》中的相关记载不是信口雌黄,而是在某种程度上记录了历史真实——你可以怀疑是否真有丁缓其人,怀疑是否在西汉时、在公元前一世纪、在赵飞燕的时代中国人已经掌握了常满灯制作方法,你也可以认为,既然菲隆发明在前,那么常满灯是由西方传入的,但是,在《西京杂记》成书的年代,当时的中国人了解和见识过常满灯,那是可以肯定的。
  实际上,所谓丁缓制造常满灯,我们也无法证伪,没有什么方法去证明书中所言不可信。倒是一条条考古发现和文献考证反复教导我们,《西京杂记》的内容是可靠的史料。也就是说,我们其实没有任何理由否认书中的这一条资料。
  所以,可以动脑筋发散思维的倒是,丁缓的常满灯,究竟接近95款,仅仅能够自动补油,还是接近97款,能同时补油和吐灯芯?甚或更接近76款?须知,书中接着还提到丁缓的另一项能耐:“又作七轮扇,连七轮,大皆径丈,相连续,一人运之,满堂寒颤。”就是说这位天才工程师非常擅长使用滑轮、链条传输装置乃至齿轮装置制造大型的联动设备。97款,恰恰是齿轮、带齿轨、滑轮与链条的组合。所以,何以见得丁缓不是创造了一个类似结构的常满灯呢?
  据《西京杂记》,丁缓的常满灯“五龙七凤,杂以芙蓉连藕之奇”,具有那個时代流行的多枝灯形式,因此尺寸不会太小,至少应与目前出土的汉代多枝灯实物差不多,在一米上下。据此推测,这架灯像李约瑟见到的斯里兰卡古灯一样,环绕着储油罐分布多个灯头,也就是说,把中央的主灯杆扩大成储油罐,在罐式杆的外壁上附着多条立体的龙凤雕塑,于龙头、凤喙处做出灯盏,点亮灯芯。不过,龙凤数目如此之多,显示它可能是一架组合灯,即,灯头至少分为两层,甚至分更多层,上下错落分布,要做到这一点,可能需要至少两架常满灯上下叠置才行,在一架多灯头常满灯之上再固定另一架多灯头常满灯。另外也可能如97款一样,上层的一个乃至几个龙或凤头负责滴油。一条条呈飞翔腾降姿态的龙凤之间,还缠绕着莲花荷叶等装饰,就是这样的华灯,曾经照亮汉成帝的宫殿。如果你坚持《西京杂记》中描写的这种灯具是在夸张,那也该明白,如此的夸张是建立在坚实的技术基础之上的。
  也许,我们该做的是留意考古发现与文献,看看历史上是否还有其他常满灯的踪迹。97款也可以做成灯钟,内里利用了滑轮与齿轮,而《宋史·天文志》“皇祐漏刻”一节提到,古代有“轮漏”,或者便有着相似的结构。另外,李约瑟《中国科学技术史》第三卷《数学、天学和地学》中注意到,北宋人王普设计的刻漏有一处与众不同,给最低一级安置刻箭的受水壶添加了特殊装置:“即当刻箭上升到最高位置时,便把流水经过的管口堵塞了”,“不过这种装置不是用以控制水流,而是堵塞水流”。显然,这是反向应用了95款的构造和原理,每当受水壶内的水位让刻箭升至终点时,会堵住通空气的孔洞,于是进水管内的水无法再滴入受水壶。这时候,一个昼夜的周期正好结束,而刻漏拒绝继续运作,这就提醒相关的负责人立刻去调整漏壶,拔开受水壶壁低处的退水口,排清壶内的水。接下来,空气流通恢复,进水随着也恢复,新一轮运作便自动开始了,启动又一个十二时辰的计时。
  敏锐如李约瑟者,也没有醒悟到此般设计的原理与意义,表示:“并且这样做的目的也未全部弄清。”其实目的很清楚,就是利用气压原理,让漏壶在经过整整一个昼夜的滴流之后,在十二时辰终结的那一刻戛然而止,用这个方法,强迫管理者每天准时准点为受水壶排水,顺便对整套刻漏装置加以整理,由此保证新一轮计时顺畅地启动。用断流的方式为时间的流逝打点,说起来还真是别致。
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