《时间之问15》安提基特拉机械-百年结局

内容梗概：经过一百年的持续研究，安提基特拉机械有了新的发现。几个研究团队的竞争也越来越激烈。大功率的三维CT扫描技术和表面图像处理技术让人们窥探到安提基特拉机械精密的内部结构和表面更多的神秘文字。有了安提基特拉机械装置，不管是谁，只要随意转动手柄，他就可以向前或者向后看到未来的日子天空上的情景，他甚至可以成为时间的主宰。

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一周以后，老师和学生在同一餐厅碰面了。上次他们聊到Wright有了竞争对手，他们是数学家Freeth和天文学家Edmunds。

谷歌2017-05-17为纪念安提基特拉机械的发现而做的涂鸦logo

“Freeth和Edmunds为什么会对安提基特拉机械感兴趣？”学生问道。

“其实，早在1998年英国Caddiff大学的Edmunds就读到了Price关于安提基特拉机械的文章。他是一个天体物理学家。但是他立刻被这个新玩意吸引住了，于是他和老朋友数学家Freeth谈起了这件事情。”老师说道。

“Freeth怎么说？”

“Freeth虽然是个数学家，但对拍摄纪录片更感兴趣，他觉得可以把安提基特拉机械拍成一部纪录片。如果安提基特拉机械的研究能有新的发现，那么拍出来的纪录片会更有吸引力！”

“哦，看来每个人研究这个机械的动机都不一样。”

“但是当Freeth开始阅读Price的论文时候，他发现论文里有很多可疑之处。Freeth同Wright一样，也质疑Price用非常复杂的齿轮组合来完成简单计算的做法，因为这不符合越简洁越好的工程设计原则。”

“如果不是像Price设想的那样，古希腊人想让这个机械实现什么功能呢？”

“嗯，Freeth想弄清楚这个机械装置究竟是做什么的。他越思考、就越投入、越迷恋，甚至变得有些心神不宁。作为一个数学家，Freeth认为机械设计的背后是一定是数学，他必须解开这背后的数字之谜。但是为了弄清楚数字，他必须得到更清晰的机械内部图像。”

“哦，绕了一圈，又回到了原来的问题上。”

“嗯，后来证明Freeth的思路是对的，他在Wright那里碰了壁，于是只好自己想办法。幸运的是他想找到一种更加清晰可靠的成像方式。Freeth读到了两篇关于图像技术的学术文章，一篇是在《Nature》上，一篇在《New scientist》上。在《Nature》的封面上，一张彩色图片展示了一条金鱼清晰可辨的内部器官。”

用特殊X光成像的金鱼内部结构

“哇，真漂亮，是怎么拍的？” 学生问道。

“作者声称使用了一种断层X射线扫描技术，有点类似医学CT。Freeth马上给作者写信，作者回复说他们的技术不适合安提基特拉机械，但是推荐了一家公司X-tek ，Freeth立刻联系了这家公司。这是一家进行X光成像研究的公司，他们答应帮忙扫描安提基特拉机械的扫描要求。”

“那Freeth读到的第二篇文章呢？”

“第二篇文章来自于《New scientist》杂志，这种技术能够帮助辨认远古时代已经模糊不清的文字，例如古巴比伦的刻在泥板上的楔形文字，它能把模糊的图像转变为轮廓清晰的字符。就像羊皮纸写了之后又擦洗掉，仍遗留了痕迹，这些机械上的铭文虽然历经腐蚀，但是仍然留下了细微的痕迹。”

“哦，它是怎么做到的？”

“这个仪器在不同角度对模糊的文字照射，采集反射回来的光线，把不同角度得到图片进行数字计算和处理，就可以创造出一种非常逼真的物体的图像。它需要50个灯泡阵列来照射物体，每个灯泡逐次开启，获得不同角度反射回来的不同强度的光。然后把这些图像输入计算机，由软件处理。Freeth给惠普公司主管写信联系询问，经过一番波折，惠普公司也同意加入。”

通过不同反射角度的光线来识别文字 来源于HP实验室

“嗯，还算顺利。”

“工欲善其事，必先利其器。现在Freeth有了两个利器，一个技术可以得到机械内部清晰的图像，另一项技术可以解读之前看不到的机械表面的文字。”

“这下Freeth可以去扫描机械了吧？”

“还不行，还有两个关键问题没有解决。”

“什么问题？”

“一个是资金，一个是博物馆方的进入许可。”

“哦，是啊，我差点忘记了没有钱是万万不能的。”

“他们先设法筹集到了足够的经费以资助这样研究，接下来的挑战就是如何获得进入博物馆的许可。”

“现在进入博物馆很难吗？”

“是的，因为之前已经有Price, Wright和Bromley先后进入博物馆对安提基特拉机械进行扫描，博物馆认为似乎没有必要进行新一轮扫描，而且担心这过程中对机械造成损害。”

“原来如此，那Freeth该怎么办呢？”

“他想单凭自己一个人的力量是不够的，于是他成立了一个国际团队，拉入了许多希腊的学术重量级人物，一起说服博物馆。但是博物馆*终的答复还是“不行”。后来他们改变了策略，开始做文化部的工作，因为**能修改博物馆决定的是希腊文化部。经过努力，副部长Moussas先生被说服了，但是只给了2005年9月份的两周的时间供他们扫描。”

“扫描技术、资金、进入许可，每一件事情终于安排妥当了?”

“嗯。这时距离进入博物馆只有短短4个月的时间了，但X-tek公司的扫描设备却出了问题。”

“怎么了？”

“X-tek研发了一种新技术，能够结合X射线和CT技术产生物体的三维图像，呈现出每一个细节。这需要对每一个物体进行许多次照射才能得到一幅完整的图像。Free th曾经认为这是扫描安提基特拉机械的*终利器，X-tek也说可以。但是当X-tek真正得知要在几个月之后开始扫描时，他们意识到要立刻着手开始认真准备了，这时他们发现了一个之前忽略的问题。”

“什么问题？”

“X-tek的原理是要发射一束高能量的X射线，X-tek公司*高可以做到225kV，但是他们发现，要保证安提基特拉机械图像的清晰度，所需的能量是现有*大能量的两倍，也就是电压翻倍，而这样的机器目前根本不存在！”

“为什么需要这么大的能量？”

“因为他们使用了一种微焦距的X射线CT技术。一般的医学图像需要70kV的电压，保证辐射的安全剂量。但X-tek可以产生更高的电压来提高精度。例如把手放到一支蜡烛前，会在墙上有个模糊的影子；但如果把手放在一个很强的射灯前，影子边缘会非常好清晰。”

光源和影子：1.光源越强，影子越清晰；2.光源离物体越近，影子越大；3.光源越小，影子越清晰。

“原来如此，所以需要更高能量的X射线？”

“对。”

“哦，这让我想起了以前我们讨论祖冲之和郭守敬测量日影时，冬至时影子比较模糊，郭守敬发明了“景符”来使光线聚焦，从而使得影子边缘更加清晰。” （ 《时间之问》第6周B 祖冲之：翩翩才俊还是山羊胡老头？）

“确实如此。”

“还有没有其它办法让影响更清晰？”

“**X光源要非常靠近被照物体，你想想看，如果把手放到蜡烛很近的地方，影子越大是不是？”

“同意。”

“其次光源越小，影子越清晰。你还记得郭守敬为了提高测量日影的精度，在圭表上架设一根横梁。因为太阳本身不是一个无限小的点，而是一个圆盘，太阳的上边缘和中心点的影子是不同的，会造成重影和测量误差，所以郭守敬用一个很细的横梁作为参照，就可以避免太阳本身的发光面积引起的重影。”

郭守敬为了提高测量日影的精度，在圭表上架设一根横梁。因为太阳本身不是一个无限小的点，而是一个圆盘，会造成重影和测量误差。

“嗯，我想起来了，那X-tek公司也要面对同样的问题，他们是怎么解决的呢？”

“在郭守敬的例子里，他没有办法改变太阳的大小，所以使用了横梁；但在X-tek面对的问题里，他们是可以改变X射线光源的大小的，只要把发光源做到很小，只有几个微米，也就是1毫米的千分之一，这样就不会有重影了。”

“有意思，古人和现代人面对的是同样的问题，但都因地制宜、提出了不同的解决思路。” 学生露出了喜悦的微笑。

“所以我们才花这么多时间来讨论古人，因为他们比我们更早就面对了这些问题，甚至还提出了非常有创意的思路。” 老师靠在椅子上说道。

“嗯，同意，古人的智慧是一座宝库。”

“为了让影子更清晰，还需要更强的光源，这也是X-tek公司*急迫的任务，要把电压翻倍，提高到450kV。”

“X-tek能做到吗？”

“X-Tek公司评估了一下发现，要研发这样一个新机器需要2年时间，根本来不及在9月前研发出来。于是他们告诉Freeth，我们实在做不到，想礼貌地退出。但是他们得到的是Freeth直白的回复：不--行！现在没有退路，你们必须做出来！ 接下来安提基特拉研究小组成员对X-tek公司轮番电话轰炸和劝说：现在我们都在一条船上，谁也不能轻言退出。我们经过5年努力好不容易得到了进入博物馆的许可，这千载难逢的机会绝不能错过！”

“X-Tek公司答应留下来继续研发了吗？”

“嗯，他们把公司的所有研发力量都投了进去，准备在几个月里研究出一个新的能量加倍的X光机，为此他们甚至拒绝了找上门来的其它合同。”

“哦，他们真是豁出去了，但是怎么才能把电压加倍呢？”

“急中生智，他们想到一个非常巧妙的方法，既然不能直接产生450kV的电压，那能不能把一个正225kV和一个负225kV电压然后串联在一起组成一个450kV？只要把两个发射源背靠背地放置，一个发射正电压，另一个发射负电压，*终把两个电压合在一起，就是二倍的电压。”

“嗯，这想法很妙，听起来似乎可行。”

“可是说起来容易，做起来难。负电压很容易实现，但是正电压实现起来却异常困难。他们要重新设计一个电子枪，一个高压发生器，一个新的控制器既能单独控制两个电压又能让它们并排运行，还有其他人帮忙设计软件。”

“时间来得及吗？”

“马上就到扫描的日期了，Freeth还在焦急地等待X-tek的新机器。九月到了，X光机仍旧没有组装好。此时Wright已经发表了一些新的研究成果，他正有条不紊地解决一个又一个难题。留给Freeth的时间不多了，他担心当他们开始进入博物馆研究时，已经没有什么问题留给他们解决了。”

“那惠普公司的图像系统呢？”

“那边还好，惠普的图像系统和他们的50个灯泡已经准备好了，来到了雅典，他们先进入博物馆开始成像。5天之内他们拍摄了4000多张照片，这些照片清楚显示了机械表面的铭文。”

经过HP公司的图像系统处理后，机械表面的铭文变得非常锐利清晰

经过HP公司的图像系统处理后，机械表面的铭文变得非常锐利清晰

“哇，这些图片拍得太锐利了，连笔画的细节都那么清晰！安提基特拉机械的表面不再有秘密可言了，只剩下内部结构了，那X-tek公司做得怎么样了？”

“X-tek团队仍然在半夜里忙碌着，幸运的是Freeth说服了博物馆在十月份给他们额外两周时间。”

“哦，还有希望。”

“离十月越来越接近了，可是顽固的高压发生器仍然不能正常工作。绝望之下，X-tek的一个工程师把X光机的电缆拔掉，再重新插上。突然一声爆响，像是开枪的声音，一个大火花，电缆烧毁了，所有人吓了一跳！”

“哇，出了什么故障？有人被电到了吗？”

“庆幸的是没有人受伤，工程师们都围了过来：奇怪，怎么会有这么大的电压，仔细查看发现有个电阻不小心接错了，所以电压的读数比正确数值小很多，这意味着实际的电压本身就已经很高，达到了450kV。这样当第二个期限到来时，他们终于调试好了机器。”

“哦，因祸得福。”

“接下来是把机器运到雅典，这又成了心头之痛。要知道这个家伙身形巨大，重达九吨！他们先花了几个小时才打包好机器，清晨装上卡车。卡车必须把翻斗倾斜，才能把机器装上去。终于上路了，开了五天之后到达意大利，然后装船，驶向雅典。到了雅典，发现博物馆周边的街道太窄，而卡车太长，费了九牛二虎之力，动用了警察封路，*后才运到博物馆。”

“一路曲折，接下来顺利吗？”

“接下来的一周，连线，组装，调试，一切OK。”

“终于可以开始扫描了吧？”

“嗯，他们小心翼翼地把安提基特拉机械碎片固定在一个缓慢旋转台子上，一小时才转一圈。一圈拍3000多张图片。接下来，计算机花费了一个小时来处理图像，*后工程师把图像显示在一台计算机屏幕上，周围站满了伸长脖子、望眼欲穿的研究人员。”

“结果怎样？”

“房间里一片寂静。**出现的机械表面的图像，一切正常。但*关键的是内部的图像。接下来工程师缓缓切入到机械内部。起先图像有些模糊，但是突然出现了一个非常清晰锐利的齿轮图像，就像是风把流沙吹走，从沙堆里冒出来一组精美的齿轮，接着是更深处的齿轮组。它们排好队，依次在不同的位置显露出真容！团队爆发出一阵热烈的掌声和欢呼声。”

“这一刻值得庆祝！”学生说道。

安提基特拉机械内部的图像

安提基特拉机械内部的图像

“Freeth觉得一刹那间和这个机械建立了某种联系，甚至是和研制机械上的古人建立了联系。”

“那机械内部情况是怎么样的呢？”

“内部的金属结构并不像研究人员想象的那么复杂，有些稀疏。每一个齿轮，手柄，插销都历历在目，清晰可辨，细节令人窒息。团队尽可能地不停工作。每晚他们在酒吧轻松一下大家喜气洋洋。”

“有什么新发现？”

“与以往的成像不同，这次CT成像显示出大量隐藏的铭文。每次扫描产生36G大小的数据，*后他们得到了1T数据。”

“这些铭文是哪种语言写的？”

“是希腊文，一位希腊研究人员Yanis负责解读铭文。为了解读机械上的文字，他拍照然后检测不同的波长或颜色。”

“他解读出什么？”

“**解读出来的是一个词：SPIRAL，意思是螺旋。研究人员猜测，这些铭文实际上是安提基特拉机械的操作指南或使用说明书。他们很兴奋，这证明了Price之前认为的这些是同心圆是错误的，应该是螺旋。螺旋分成235份，代表默冬周期19年中的某个月，用来补充指示日期的前面板。因为后面板可以指示出这是19年中的哪一年和哪一个月。”

机械后面板的圆圈不是同心圆而是螺旋，上下各有一个

“还有什么发现吗？”

“前面板新发现的文字有“水星”和“金星”，意味着它有指示行星的功能。后面板上的文字有19，76，这应该是默冬周期以及四个默冬周期。后面板下部有数字223，还有神秘的8和16。在碎片D上有字母ME，这代表什么意思，是“默冬”吗、还是制作人的首字母？研究人员一时还不清楚。 ”

“但这次识别出了很多新文字吧？”

“对，*终识别的文字比以前翻了一倍，达到了2000个。”

“除了文字识别，研究团队还在研究什么？对了，不是新发现了一个碎片吗？”

“ 对。这个新碎片被命名为F，这个碎片上显示了后面板的下半部分也是一个螺旋，经过仔细计算，这个螺旋分成了223份，而不是Wright此前认为的218份。”

“这有什么意义呢？”

“还记得我们说过的沙罗周期吗？每过一个沙罗周期，太阳、地球和月亮的相对位置就重复出现，所以日食和月食也重复出现。每个沙罗周期是223个朔望月。”

“哦，这意味着它可以预测日食和月食的发生？”

“很有可能！当然这种说法要在安提基特拉机械上找到相应的证据才行。我们先回顾一下日食和月食是怎么发生的。以月食为例，它总是发生在满月时，也就是所谓的“望日”，所以每两个月食之间的天数一定是朔望月（29天半多一点）的整数倍。”

“嗯，同意。”

“同时，太阳在黄道面上运行，月亮在白道面上运行，要想让地球刚好处于太阳和月亮之间、挡住月亮发生月食，就要黄道面和白道面刚好相交才行，相交会产生两个点，每两次经过相交点所需的时间是一个交点月，是27天多一点。所以每两个月食之间的天数一定是交点月的整数倍。”

“对，我想起来了，我们以前说过。”

“经过一段时间，恰好是整数倍的朔望月和整数倍的交点月，月食就会重复出现。这个时间就是沙罗周期。所以，沙罗周期一定是整数倍的朔望月和整数倍的交点月，而满足这个条件的恰好是223个朔望月或242个交点月，即223个朔望月=242个交点月。”

机械背后的下半部分的螺旋分成223份，用来指示沙罗周期

“我记得沙罗周期还有个特点，它不是天数的整数倍，而多了三分之**。”

“没错，看来你想起来了。沙罗周期是6585又三分之**。这意味着下一次“食”比上一次延迟8个小时。所以古希腊人提出了把三个沙罗周期拼起来，组成一个54年的周期。这样的周期包含的天数就是整数。所以知道了这个规律，我们甚至可以预测月食发生的时刻，而不仅仅是哪**。”

沙罗周期 (from NASA)

“哇，古希腊人可以做到如此精确。”

“这个机械的奇妙之处在于，任何人即使不懂天文，他只要摇动日期，就可以得知多久之后的某**某一时刻有日食和月食。”

“可是怎么把日食月食出现的日期和时刻显示出来呢？”

“这是个好问题。我们刚才说了机械后面板的下半部分也是一个5圈的螺旋，分成223个小格子，每个格子就是一个朔望月。有些小格子旁边写了字符，经过推断，字母Sigma代表SELENE，意思是月亮，表示这个月有月食，字母H代表HELIOS，意思是太阳，表示这个月有日食。日食总是发生在朔日，而月食总是在望日，所以日食月食发生的日期就确定了。”

“那发生的时刻呢？”

“小格子上还有一个符号Omega或者P，代表小时，而后面紧跟的数字表示日出后多久出现日食、或者日落后多久出现月食的时刻。”

“哇，真神奇。可是，沙罗周期不是多出了三分之**，也就是8个小时吗？每次日食月食都比上一次推迟8个小时，怎么去校准这8个小时呢？”