1900 年春天，一群海绵潜水员躲避地中海的一场猛烈风暴。风暴平息后，他们在克里特岛和希腊大陆之间的安提基西拉小岛附近的当地水域潜水寻找海绵。偶然间，他们发现了一艘装满古希腊宝藏的沉船，从而引发了历史上第一次大型水下考古行动。在希腊海军的一艘炮艇的监督下，为了阻止盗贼，到 1901 年初，潜水员已经开始打捞一系列精美的古希腊文物——精美的青铜雕塑、精美的玻璃器皿、珠宝、双耳瓶、家具配件和餐具。

他们还发现了一块不起眼的块状物，大小与一本大字典相当，可能是因为它呈绿色，暗示是青铜。当时人们并不认为它有什么了不起的。但现在，它被公认为迄今为止从古代世界发现的最重要的高科技物品：一台古希腊天文计算机器，被称为安提基西拉装置。

安提基西拉机械装置的发现表明，古希腊人已经达到了以前无法想象的技术水平。尽管这台机器的残骸清楚地展示了它的独创性，但要准确了解它的功能和工作原理，却一直是一代又一代学者的难题。现在，新的证据为该机械装置的工作原理提供了新的理解。在这里，我们看到了新重建的正面（左侧）和背面（右侧）的数字重建，以及其复杂齿轮的分解图。图片：Tony Freeth 2020。

在被打捞数月后，该物体裂开，露出了里面硬币大小的微型齿轮。这是一个惊人的发现：没有人想过古希腊会存在如此精密的齿轮。如今，原始装置仅剩三分之一幸存，分成 82 块碎片，以字母 AG 和数字 1-75 表示。这是一个可怕的 3D 拼图，杂乱无章，各个部件不完整且严重腐蚀。多年来，各种学者都试图利用这些零碎的元素来推断该机器的用途。最近应对这一挑战的是一支多学科科学家团队，我就是其中的一员：伦敦大学学院 (UCL) 安提基西拉研究团队。该团队是在成像专家 Lindsay MacDonald 和材料科学家 Adam Wojcik 邀请我加入 UCL 后成立的。我们与考古冶金学家 Myrto Georgakopoulou 以及两名博士生（钟表学家 David Higgon 和物理学家 Aris Dacanalis）合作，拓宽了我们的专业知识。我们的两名学生都为我们的研究做出了重要贡献。我们利用新的想法和对所有数据的仔细检查来挑战先前的研究，并创建了第一个满足所有证据的模型。

这艘船可能在公元前 65 年左右沉没，船上载有一系列引人注目的文物，现藏于雅典国家考古博物馆，包括这尊青年青铜雕像、哲学家青铜头像和这只玻璃碗。（未按比例显示。）图片：Tony Freeth 2020。

从一开始，该装置就引发了激烈的争论，人们争论它是用于追踪星星的星盘还是导航设备。事实证明，这两种说法都是错误的，但揭开该机器的秘密将是一个漫长而艰难的侦探故事，其中既有重大错误，也有令人惊讶的进展。

第一个真正的启示来自 1905 年的德国语言学家阿尔伯特·雷姆。在他未发表的研究笔记中埋藏着一些非凡的想法。雷姆阅读了该装置上关于从地球上看星星升起和落下的铭文，他还发现了关键的天文周期——月球的 19 年和 76 年周期以及 223 个月的日食周期。雷姆还提出了一个激进的观点，即该装置是一台天文计算机。他提出了一个开创性的想法，即它包含行星齿轮——即安装在其他齿轮上的齿轮——这种复杂程度对于古希腊来说似乎是令人难以置信的。此外，雷姆还提出，古代世界已知的所有五颗行星（水星、金星、火星、木星和土星）都以环形系统显示在装置正面。他根本没有足够的证据来证明他的直觉，而雷姆对内部机械结构的理解完全是错误的。然而，一个多世纪后，他的惊人想法成为了伦敦大学学院安提基西拉研究小组创造的新型机器模型的核心。

安提基特拉机械装置残存的碎片与本研究特别相关。这些碎片使用多项式纹理映射（PTM，一种数字成像技术）和镜面增强技术进行成像。这些字母指的是碎片的官方名称，因此碎片 A 的正面和背面显示在左侧。图片：惠普 2005 年。

在雷姆与数据不足作斗争的五十年后，英国物理学家德里克·德·索拉·普赖斯开始了长达 20 年的研究之旅，最终发表了著名的论文《 希腊人的齿轮 》（1974 年）。他意识到，要理解这一机制，迫切需要新的数据来指导他处理零碎而混乱的证据。

普莱斯的大部分进展都基于机械装置碎片的 X 射线，这些碎片由查拉兰博斯和艾米丽·卡拉卡洛斯收集和分析。这些碎片使人们能够识别出 30 个幸存的齿轮：碎片 A 中有 27 个，碎片 B、C 和 D 中各有一个。几乎所有齿轮都是完整的，所以他们需要估计每个齿轮上最重要的齿数——这对于了解齿轮计算器的工作原理至关重要。从这些 X 射线中，普莱斯发现了一个至关重要的事实：雷姆在机械装置铭文中确定的月球 19 年周期可以通过其齿轮计算出来。

尽管普莱斯取得了巨大进步，但他也犯了很多错误，只对行星提出了一些未解决的建议。普莱斯于 1983 年去世，伦敦科学博物馆机械工程馆馆长迈克尔·赖特接手了这个挑战，他在研究齿轮装置方面拥有丰富的经验。虽然普莱斯发现了太阳-月亮系统的部分工作原理，但赖特着手重建齿轮装置和行星显示器。

碎片 19，使用 PTM 和镜面增强技术拍摄。突出显示的数字是 76、19 和 223，它们代表 Rehm 确定的月球太阳周期。图片：惠普 2005 年。

在这里，停下来思考一下古希腊人是如何看待宇宙的，会很有帮助。他们的观点（几乎）完全以地球为中心，并被一种错误的信念所主导，即太阳、月亮和行星都在“恒星”的背景下围绕地球旋转。从地球上看，行星似乎以令人困惑的方式在恒星的背景下移动。这甚至反映在现代单词“行星”的古希腊词源中： planetai，意为“漫游”。例如，从地球上看，金星有时在太阳前面，有时在太阳后面。它大部分时间似乎在天空中向西移动，与太阳的方向相同，但有时金星会在恒星的静止点上静止不动，然后向东回转并到达另一个静止点，然后再次恢复向西运动。这个朔望周期——即它相对于太阳的周期——一次又一次地重复。所有行星的运动都类似，这给古代天文学家带来了一个核心问题。正是由于人们没有意识到行星围绕太阳运动，行星的运动才显得如此难以解释。

碎片 A 的 X 射线，由 Charalambos Karakalos 于 1970 年拍摄。齿轮的齿已被标记，以便计数。图片来源：美国哲学学会 1974 年

公元前一千年，巴比伦人发现了行星的“周期关系”，即将整数个朔望周期等同于整数年数。以金星为例，他们发现行星每八年经历五个朔望周期。然后，他们可以利用这些周期关系预测行星在天空中的未来位置。古希腊人在此基础上提出了解释行星运动的几何理论。这些理论非常适合在齿轮计算机中机械化行星的可变运动。这是一个革命性的想法：借助这台机器，只需转动手柄即可计算出古希腊天文学理论的结果。

德里克·德·索拉·普莱斯利用这些 X 射线获得的信息，制作出了安提基西拉装置模型。图片来源：马尔科姆·柯克，1970 年

伦敦大学学院团队研究了赖特的开创性工作。他发现了主驱动轮上有轴承和其他结构的证据。这个四辐齿轮在碎片 A 的正面很显眼。它由输入手柄转动，每年旋转一次，从而带动所有其他齿轮运动。赖特判断，主驱动轮上一定有一个广泛的行星齿轮系统。根据这一证据，他提出，该机器的主要用途之一是计算行星的位置，行星的位置显示在机器的正面。受中世纪天文钟的启发，赖特还在对安提基西拉装置进行重建时引入了一种被称为“销槽从动件”的装置。当与齿轮一起使用时，这些装置可用于模拟行星的反向循环。

凭借极大的独创性，他成功地为该装置建造了一个天文馆，可以跟踪日期、太阳、月亮和五颗行星。他认为输出结果显示为机器正面的指针系统，以指示它们在黄道十二宫中的位置。2002 年他发表的研究成果是安提基西拉研究的一个里程碑，尽管随后他的模型受到了多次挑战。

当我第一次研究安提基西拉装置时，许多问题仍未得到解决。因此，在 2000 年，我提议对安提基西拉装置进行新的研究，以获取更多数据来解决悬而未决的问题。经过多年的努力，终于获得了所有必要的许可，这项工作终于在 2005 年由一支英希研究团队与雅典国家考古博物馆合作完成。

我们的工作采用了两种高科技、无损技术：微焦点 X 射线计算机断层扫描 (X 射线 CT) - 高分辨率 3D X 射线；以及多项式纹理映射 (PTM) - 一种用于查看表面特征的数字成像技术，由 Tom Malzbender（当时在惠普公司）发明。2005 年，一台来自 X-Tek Systems（现归 Nikon Metrology 所有）的 8 吨重的 X 射线机被引入雅典国家考古博物馆的地下室。当时 X-Tek Systems 的所有者 Roger Hadland 制作了一台特殊的 X 射线机原型，并带领一支顶级专家团队扫描了安提基西拉装置的所有 82 个碎片。结果彻底改变了我们的知识。

新的 X 射线 CT 带来了两个重要发现。我确定，下背部的一个表盘根据 223 个月的周期预测日食，Rehm 在铭文中认出了这个周期。实现这一功能的齿轮装置涉及背部一个被忽视的 223 齿齿轮，这在任何以前的模型中都不起作用。然后，我惊讶地发现该装置如何计算月球的可变运动（由其绕地球的椭圆轨道引起）。Wright 敏锐地观察到两个行星齿轮如何相互作用以表示可变运动。最终，他放弃了这一观察，因为它不符合他的模型，但我意识到这个装置可以模拟月球的运动。这个想法还涉及 223 齿齿轮——因此这个齿轮现在有两个基本功能。该系统的运行令人惊叹不已。

古希腊金星运动的本轮模型，基于“八年五个朔望周期”这一不准确的周期关系。该图以地球为中心，显示太阳（黄色）和金星（蓝色）。图片：Tony Freeth 2008。

X 射线 CT 扫描还带来了另一个重要发现：碎片内埋藏着大量新铭文，这是 2000 多年来首次可以阅读。对于伦敦大学学院安提基西拉团队来说，至关重要的是，这些文字在封面和封底都提到了行星。封底基本上充当了用户手册，描述了该装置所基于的原理，包括雷姆观察到的周期。更重要的是，对装置正面显示屏的描述，由当时与我一起工作的古代天文学教授亚历山大·琼斯 (Alexander Jones) 破译。这段铭文描述了宇宙的模型，其中太阳用指针表示，行星的环系统和标记珠指示每个行星。现在，伦敦大学学院团队知道，要重建该装置，他们必须重建这个环状宇宙系统，而之前的尝试都失败了。

封面铭文的 X 射线 CT 扫描揭示了大量有关行星的新信息。每颗行星都有一个部分，列举了它们的会合周期中事件之间的天数以及行星的会合周期（以年为单位）。例如，金星需要 584 天才能回到相对于太阳的同一位置 - 这个数字可以在封面铭文中读出。2016 年，琼斯在铭文的金星部分发现了 462 年的周期，在土星部分发现了 442 年的周期。这些是惊人的数字，在以前的古代天文学研究中是未知的。显然，伦敦大学学院的团队需要将这些周期纳入金星和土星的传动装置中。

总而言之，UCL 团队面临多个问题：我们获得了金星和土星的两个新周期，但水星、火星和木星的周期却缺失；机构前部的齿轮大部分丢失；恢复齿轮系统的可用空间非常狭窄；碎片 D 中有一个不明原因的齿轮，它有 63 个齿和一个附着的圆盘；主驱动轮辐条上一个神秘的块似乎根本没有意义。

确定缺失的行星周期关系非常困难，但对于重建丢失的齿轮来说却至关重要。正如我们所见，公元前一千年的古巴比伦天文学家已经发现了大量行星周期。金星再次是一个很好的例子。巴比伦人知道金星的简单周期——八年五个朔望周期，可以表示为 (5, 8)——但他们也意识到这非常不准确。从这个起点开始，他们发现了一个更准确的周期关系 (720, 1151)。那么为什么安提基西拉机械的设计者不利用这个周期呢？答案很简单：1,151 是一个质数，因此任何计算这个周期的齿轮系都需要一个有 1,151 个齿的齿轮，这使得它太大而无法放入安提基西拉机械中。设计师聪明绝顶，反而找到了金星的周期关系（289，462），可以将其分解为小的素因数，从而可以使用足够小的齿轮来计算周期，以适应该装置。金星的周期为 462 年，这令人大吃一惊，因为此前在巴比伦或希腊天文学中都未曾发现过。

2005 年进行的 X 射线 CT 检查的两个显著结果样本。它们显示了封底铭文的一部分，这是该设备的用户手册。这段摘录描述了行星在正面的显示方式。图片：尼康 X-Tek 系统 2005。

关键问题是，设计师是如何发现这个周期的？伦敦大学学院的团队找到了一种基于古希腊数学的巧妙方法，将已知的巴比伦周期结合起来，产生更好的周期。受幸存的齿轮系中存在共享齿轮的启发，该团队提出了一个关键想法，即这也可能是行星机构的一个特点。在行星周期中使用共享的素数因子将允许齿轮在机构之间共享，从而最大限度地减少所需的齿轮数量。这些想法不仅解释了新发现的金星和土星周期，而且还允许生成其他三颗行星的缺失周期。现在，这些周期可以纳入所有行星的齿轮系中。

伦敦大学学院团队为水星和金星设计了紧凑的五齿轮机构。对于金星，他们发现了一种设计齿轮的方法，可以精确匹配主驱动轮辐条上的轴承，还包括碎片 D 中的神秘 63 齿齿轮。水星的类似机制也符合所有现存证据。对于火星、木星和土星，伦敦大学学院团队发现了巧妙的七齿轮机构，其概念基于之前研究中建立的精美月球机制。使用共享齿轮，通过行星周期的选择确保，这些齿轮可以塞进可用的狭小空间。

假彩色 X 射线 CT 图像（右图）显示了一些齿轮的布局。例如，中间的两个小齿轮将月亮的变化运动传递到前面的黄道十二宫表盘。图片：尼康 X-Tek 系统 2005。

早期模型错误地使用指针来指示行星——这一想法与封底对环系统的描述相矛盾。古希腊文献不仅规定行星排列成环系统，还规定行星必须按照特定的宇宙顺序显示：地球、月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星。为了将行星显示在同心环上，行星的齿轮系统需要以非常特殊的方式输出。例如，火星的自转是通过将输出齿轮传动到一个管子上来计算的，管子上连接着一个用于显示火星的环。火星管外面是另一个显示木星的管子，再外面是另一个显示土星的管子。这样，行星的位置就可以显示在嵌套管子系统上，并以同心环的形式显示。

2005 年工作的一项重要成果是能够阅读新近可见的文本，包括装置前后盖的元素。我们在这里看到：(a) 安提基西拉装置分解的计算机模型；(b) 前盖铭文的 X 射线 CT，显示它如何划分为行星，并突出显示金星的数字 462 和土星的数字 442；(c) 后盖铭文的 X 射线 CT，描述宇宙显示如何排列成环。图片：尼康 X-Tek 系统 2005。

有一个基本问题尚未解决。先前的尝试无法将环形系统与月相装置相协调，后者在中心的半镀银球上显示月亮的不同相位。月相由月亮和太阳的位置差决定——但要计算这一点，月相装置需要月亮和太阳的输入旋转。由于嵌套管道系统，这显然是不可能的。为了充分理解这个问题，必须意识到，正如该机制计算月亮的可变运动一样，它还计算太阳的可变运动——所谓的真实太阳 （ 这与平均太阳相反 ，平均太阳只是太阳的平均位置，基于太阳的恒定旋转）。

月亮输出在中心轴上。真正的太阳位于从中心开始的第三个输出管上，因此水星和金星的输出管会妨碍真正的太阳旋转到达月相装置。伦敦大学学院团队找到了解决这一困境的巧妙方法。主驱动轮的一根轮辐上有一个块，上面穿孔以安装附件，这在以前从未被理解过。这个块可以将 第二个 太阳旋转（ 即平均太阳）直接传输到月相装置​。（使用平均太阳 而不是 真实太阳 的准确性损失 可以忽略不计。）这个关键想法使 Cosmos 实现了环形输出系统。

为了完善该系统，团队添加了一个假想的龙针（中世纪天文学术语），它是一种长而双头的指针，指示月球的节点，显示何时可能发生日食。虽然没有直接的实物证据证明龙针的存在，但它的传动装置解释了主驱动轮辐条上的一个突出轴承，这个想法在主题上将前后表盘联系在一起。

碎片 D 中有一个不明齿轮，有 63 个齿，如 X 射线 CT 所示。图片来源：尼康 X-Tek 系统 2005。

伦敦大学学院团队开始组装整个系统。太阳、行星和月球节点的所有齿轮都塞进了由柱子和连接板界定的狭窄空间。最终形成了美丽的宇宙环状显示，还有一个额外的好处，那就是它大大增强了机器计算的天文结果。

图中显示了太阳和月亮的位置以及月相。月亮的年龄（以新月后的天数表示）可通过太阳环上的月亮指针读取。该团队推测行星的会合事件（例如合相、静止点和最大距角）都标记在行星环上，并与封面铭文中的信息相关联。当龙针足够接近太阳指针时，它会指示日食的可能性。

新款 Cosmos 表款的前环显示。行星由半宝石标记珠显示，还有月亮（显示其相位）、太阳、节点线和日期的指针。中心是地球，上面附有代表月亮的半银球。除此之外，圆环代表水星、金星、太阳、火星、木星和土星。图片：Tony Freeth 2020。

2021 年 3 月，伦敦大学学院安提基西拉研究小组在《自然科学报告》上发表了一篇激进的论文，展示了这一新的重建。我们的模型是第一个符合所有物理证据并与刻在装置本身上的科学铭文中给出的描述相符的模型。这台机器是古希腊辉煌的杰作，它显示了太阳、月亮和行星，从而可以计算它们未来的位置和事件，例如可能发生的日食。

宇宙齿轮系统的计算机爆炸图。请注意左侧面的元素，最左侧是中央的地球和代表月球的半银色球体，后面是一系列管子组成的环系统，代表行星和太阳。以这种方式显示行星和太阳使月球齿轮的创建变得复杂。图片：Tony Freeth 2020。

正如我们在文章中所写：“我们的工作表明，安提基西拉装置是一个美丽的概念，通过精湛的工程技术，它变成了一件天才的装置。它挑战了我们对古希腊人技术能力的所有先入之见。”很少有其他考古发现能创造出如此艰难的线索、如此丰富的发现历史和如此异常复杂和精密的结果。安提基西拉装置改写了技术史。