北宋慶歷二年（1042年），年僅22歲的蘇頌與后來的北宋名臣王安石同榜考中進(jìn)士，從此踏上了仕途。蘇頌先后擔(dān)任過館閣?？?、集賢校理等官職，負(fù)責(zé)編定書籍，這份“編輯”工作他一干就是9年。這9年間，蘇頌博覽皇家藏書，積累了淵博的知識(shí)，為他之后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

元祐元年（1086年），蘇頌奉命去檢驗(yàn)太史局的各種渾儀 。他發(fā)現(xiàn)這些儀器只能單獨(dú)使用，無法相互配合，于是就想制造一種能將渾儀、渾象和報(bào)時(shí)裝置結(jié)合在一起的綜合性儀器。蘇頌找到吏部官員韓公廉共同研制新儀器。韓公廉不僅精通數(shù)學(xué)，而且擅長(zhǎng)制作“機(jī)巧之器”。他根據(jù)“總工程師”蘇頌的構(gòu)想，寫出了《九章勾股測(cè)驗(yàn)渾天書》，從理論上證明了這種構(gòu)想是可行的，然后做出了一座水輪驅(qū)動(dòng)裝置的木模型。蘇頌認(rèn)為韓公廉的設(shè)計(jì)很有可取之處，又在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)意見。

經(jīng)過反復(fù)論證和不斷改進(jìn)，新儀器的設(shè)計(jì)方案終于敲定了。元祐二年（1087年）9月，宋哲宗批準(zhǔn)了有關(guān)制造新天文儀器的奏請(qǐng)。蘇頌召集了一批能工巧匠，開始了將模型變成實(shí)物的研制歷程。從元祐三年到元祐七年（1088年-1092年），一座高約12米，寬約7米，集渾儀、渾象和報(bào)時(shí)器為一體的高臺(tái)式建筑終于完工了。因?yàn)樵撗b置可利用水力自動(dòng)運(yùn)行，所以蘇頌將其命名為“水運(yùn)儀象臺(tái)”。觀測(cè)、演繹天象以及計(jì)時(shí)的功能，是現(xiàn)代天文臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)配置。水運(yùn)儀象臺(tái)同樣具有以上三項(xiàng)功能，因此可算得上是現(xiàn)代天文臺(tái)的鼻祖了。

后來，蘇頌又專門為水運(yùn)儀象臺(tái)寫了設(shè)計(jì)說明書——《新儀象法要》。該書不僅講述了建造水運(yùn)儀象臺(tái)的原因和經(jīng)過，還用圖解的形式詳細(xì)介紹了它的總體構(gòu)造和各個(gè)部件。該書是我國(guó)現(xiàn)存最早的水力運(yùn)轉(zhuǎn)天文儀器專著，書中的結(jié)構(gòu)圖是現(xiàn)存最古老的機(jī)械圖紙，真實(shí)地反映出當(dāng)時(shí)的天文學(xué)和機(jī)械制造技術(shù)水平。

水運(yùn)儀象臺(tái)解構(gòu)

一、功能機(jī)構(gòu)

上層為渾儀，用來觀測(cè)天體

九塊活動(dòng)的屋板，雨雪時(shí)閉合，防止對(duì)儀器的侵蝕，觀測(cè)時(shí)可以自由拆開，是現(xiàn)代天文臺(tái)可以開合的球形臺(tái)頂?shù)谋亲妗?/p>

中層為渾象，用來演示天體運(yùn)行

天球在機(jī)輪的帶動(dòng)下會(huì)旋轉(zhuǎn)，一晝夜轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，真實(shí)再現(xiàn)了星辰的起落等天象的變化。

下層為司辰，用來自動(dòng)報(bào)時(shí)

門里裝置有五層木閣，利用木人敲擊出不同的聲音來定時(shí)報(bào)時(shí)，利用舉牌木人來顯示時(shí)刻。

【五層木閣解析】

第一層木閣，負(fù)責(zé)全臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)時(shí)。

時(shí)初，左門紅衣木人搖鈴;時(shí)正，右門紫衣木人扣鐘;每過一刻，中門綠衣木人擊鼓。木人動(dòng)作由晝時(shí)鐘鼓輪控制。

注：古代一天分成12個(gè)時(shí)辰，1個(gè)時(shí)辰大約是我們現(xiàn)在的2個(gè)小時(shí)。每個(gè)時(shí)辰又分為時(shí)初和時(shí)正，時(shí)初、時(shí)正的報(bào)時(shí)就和我們現(xiàn)在鐘表的整點(diǎn)報(bào)時(shí)一樣。

第二層木閣，負(fù)責(zé)報(bào)告時(shí)初、時(shí)正。

紅衣、紫衣木人各12個(gè)，執(zhí)時(shí)辰牌依次寫著子初、子正、丑初、丑正等。時(shí)初，紅衣木人拿著時(shí)辰牌出現(xiàn);時(shí)正，紫衣木人拿著時(shí)辰牌出現(xiàn)。木人的動(dòng)作由晝夜時(shí)初正輪控制。

第三層木閣，負(fù)責(zé)報(bào)告時(shí)刻。

綠衣木人96個(gè)，執(zhí)刻數(shù)牌依次寫著初刻、二刻、三刻、四刻等。每到一刻，綠衣木人持刻數(shù)牌出現(xiàn)。木人的動(dòng)作由報(bào)刻司辰輪控制。

第四層木閣，負(fù)責(zé)晚上報(bào)時(shí)。

逢日落、黃昏、各更、破曉、日出時(shí)，擊鉦木人擊鉦報(bào)時(shí)。木人的動(dòng)作由夜漏金鉦輪控制。

第五層木閣，負(fù)責(zé)晚上報(bào)時(shí)。

紅衣木人11個(gè)，綠衣木人30個(gè)。逢日落、黃昏、各更、破曉、日出時(shí)，紅衣木人持牌出現(xiàn)。各籌（點(diǎn)），綠衣木人持牌出現(xiàn)。木人的動(dòng)作由夜漏司辰輪控制。

二、動(dòng)力機(jī)構(gòu)

1.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)就是水運(yùn)儀象臺(tái)的心臟。它的運(yùn)行依靠水力驅(qū)動(dòng)，只要水不斷就生生不息。

2.樞輪頂部和邊上附設(shè)一組杠桿裝置，相當(dāng)于鐘表中的擒縱器。

3.樞輪直徑達(dá)3米多，有72條木輻，連接著36個(gè)水斗和鉤狀鐵撥子。

渾儀、簡(jiǎn)儀和渾象

中國(guó)是世界上很早就對(duì)周天恒星的位置進(jìn)行精密測(cè)量的國(guó)家之一。這一切成就與以渾儀、簡(jiǎn)儀和渾象為代表的天文儀器分不開。

渾儀是我國(guó)古代的一種天文觀測(cè)儀器，其發(fā)明時(shí)間可追溯到漢武帝太初改歷期間，其發(fā)明者為來自巴郡的落下閎。渾儀的設(shè)計(jì)構(gòu)想是建立在渾天說的基礎(chǔ)之上，因而得名“渾儀”。東漢天文學(xué)家張衡擔(dān)任太史令期間，曾制作過一架渾儀，并將其安置在大名鼎鼎的靈臺(tái)上。然而，不論是落下閎的渾儀，還是張衡的渾儀，后人都只知其名而不知其具體結(jié)構(gòu)。第一架有明確結(jié)構(gòu)描寫的渾儀是孔挺渾儀。根據(jù)《隋書·天文志》記載，這是一架銅制儀器，由內(nèi)外兩重結(jié)構(gòu)組成。歷代天文學(xué)家在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，從而發(fā)明出各不相同的渾儀。北宋是制作渾儀最多的一個(gè)朝代，從至道元年（995年）到宣和六年（1124年）共制造了7架大型渾儀，水運(yùn)儀象臺(tái)就是其中之一。

在北宋沈括之前，歷代天文學(xué)家對(duì)孔挺渾儀的改進(jìn)主要是施行加法：結(jié)構(gòu)從之前的二重加到了三重;除了先前就有赤道環(huán)，又陸續(xù)加了黃道、白道等環(huán)。這些“加”固然代表了古人對(duì)天文學(xué)的認(rèn)識(shí)在不斷增加，但同時(shí)也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、制作和操作更困難、環(huán)與環(huán)互相遮擋等弊病。在這種背景下，沈括對(duì)渾儀施行了減法：取消了白道環(huán)，調(diào)整了黃道、赤道和地平環(huán)的位置，并將它們做成扁平環(huán)，以減少對(duì)視線的遮擋。

沈括之后，明代天文學(xué)家郭守敬又對(duì)渾儀進(jìn)行了徹底的改造和簡(jiǎn)化。他不僅取消了白道環(huán)和黃道環(huán)，還將渾儀拆成了赤道經(jīng)緯儀和地平經(jīng)緯儀兩部分，從而形成了簡(jiǎn)儀，也就是簡(jiǎn)化版的渾儀。至今我們?nèi)阅茉谧辖鹕程煳呐_(tái)看見郭守敬版的簡(jiǎn)儀。當(dāng)然，這并不是郭守敬的原作，而是明英宗正統(tǒng)二年（1437年）根據(jù)郭守敬所制簡(jiǎn)儀仿制的。明清兩代的欽天監(jiān)都曾用它來觀測(cè)天象。

渾象是一種表現(xiàn)天體運(yùn)動(dòng)的演示儀器，類似于現(xiàn)代的天球儀。從外觀來看，它就是一個(gè)可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓球，球面上標(biāo)有星宿、赤道和黃道等天文信息。渾象的發(fā)明者是西漢天文學(xué)家耿壽昌，東漢時(shí)張衡又對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。據(jù)《晉書·天文志》記載，張衡曾制作了一座用水力驅(qū)動(dòng)的天球模型，也正是這座水運(yùn)渾象，催生了蘇頌發(fā)明水運(yùn)儀象臺(tái)。

水運(yùn)儀象臺(tái)是中國(guó)古代天文學(xué)和天文儀器技術(shù)的集大成者，成功地將渾儀、渾象、時(shí)鐘三合一。其頂部的九塊活動(dòng)屋板、渾儀的四游儀窺管和擒縱控制樞輪的“天衡”系統(tǒng)，都是世界首創(chuàng)。也正因此，水運(yùn)儀象臺(tái)被譽(yù)為中國(guó)古代第五大發(fā)明。

英國(guó)科學(xué)家李約瑟認(rèn)為：水運(yùn)儀象臺(tái)可能是歐洲中世紀(jì)天文鐘的祖先。瑞士鐘表界的權(quán)威刊物《百達(dá)翡麗》也表示：水運(yùn)儀象臺(tái)里邊裝置了全世界第一個(gè)擒縱器，而歐洲運(yùn)用這個(gè)原理制造鐘表則是在中國(guó)這個(gè)擒縱器問世3個(gè)世紀(jì)以后的事情了。