2018年7月28日凌晨2时24分27秒（北京时间），今年的第二场月全食如期而至。生活在现代社会，我们早已习惯精确到分秒的日月食预报。我们可以用激光测距精确地丈量地月之间的距离；可以用从光学到射电不同波段的观测，精确地测量出太阳系主要行星的位置与速度。
在这些观测的基础上，我们有大型计算机，可以仔细计算各个行星之间的复杂摄动、近乎严格的推算出它们的轨道，进而以极小的误差，确定出一定时期之内太阳系各个天体之间的掩食现象。我们对此已经习以为常。
可我们是时候开始获得用科学计算预报日月食这种“通天”的能力的呢？三百年前？五百年前？
以天文学备受重视、高度发达著称的古代中华文明，在预报月食这件事上的纪录是1500年前：敦煌出土的文献《北魏太平真君十一年历日至十二年历日》，记录了公元451年的两次月食。但这并不是最早的。今天我想给大家介绍的，是这样一个极大颠覆认知的考古发现：一个2000年前的月食计算器——或者说，人类的第一台模拟计算机。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年左右，一队在此采集海绵的希腊潜水员意外发现一艘古代沉船，经鉴定大约是公元前100年左右沉没的。这里地处希腊与罗马的海上贸易航路附近，在这里发现一艘不幸的沉船并不是特别意外。但从船上打捞出来的众多遗物中，包含几个已经严重锈蚀的铜质碎片，像是某种特殊的机械结构，这就有点神奇了。此前乃至此后，人们都从未见过这么复杂的古代机械设计作品。
在反复几次搜查之后，人们一共找到了大大小小的82块残片。在最大的几块残片上，人们发现大量的齿轮以及精心刻画的沟槽，此外表面上还密密麻麻地刻着古代希腊文，像是这个机器的说明书。对这些残存铭文的解读，显示它的功能与天文有关。在过去的一个世纪中，对残片结构的研究与复原逐步印证着人们的猜测。
尤其是在2006年，考古学家使用X射线断层扫描技术对残片内部结构进行了完整的测绘，揭示出大量细节，为搞清它的结构和功能打下了基础。
对这些残片的分析表明，它包含两个大的组件。每一个上面都刻画着一个标记着刻度的螺旋线。而仔细数这些齿轮和刻度，几个神奇的数字出现在考古学家的手中：223、235、365……熟悉历法的人立刻可以看出，这些数字与太阳、月球运行的周期有着密切的关系。为了理解这是什么意思，我们首先需要复习一下关于天文历法的一些基本知识。
我们知道一年的长度是大约365又四分之一天，这又被称为“埃及历”。
由于年的日数必须是整数以方便使用，一般取365天，但每4年就会多积攒出来一天，我们采用每4年一闰日的方法进行调整。而如果想把月球圆缺变化的周期，也即“朔望月”的长度也考虑进来，跟太阳在天空中变化的周期配合，共同组成“阴阳历”，事情就要复杂一些。古人很早就发现，19个太阳回归年的长度，差不多正好是235个朔望月的长度，所以如果每年只设置12个月，19年下来会多出来235-12x19=7个月。
因此阴阳历的解决方案就是把这7个月按照一定的约定插入到19年中，这就是所谓的闰月。这样的19年我们叫做“默冬章”或者“默冬周期”。
如果我们认为每年都有365.25天，那19年会一共有365.25x19=6939.75天。仍然考虑到历法必须用整数，我们需要约定这样一个19年的周期一共有6940天。这样每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，我们需要减掉一天。还有一个和日月食非常相关的周期，叫做沙罗周期。我们知道由于月球轨道平面和地球公转轨道平面并不重合，并不是每次新月时都会发生日食、每次满月时都会发生月食。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。
月球在什么地方出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、满月的时候恰好出现在交点上，才能发生日月食。从地球上看过去，太阳、月亮仿佛这样运动（公版图片）。而当日月食发生的时候，月球离地球有多远，决定了月球看起来有多大，进而决定了这场日月食的时间长度。
月球经过同一个“交点”的周期叫做“交点月”，在轨道上经过近地点的周期叫做“近点月”。由于月球轨道的进动，这两个周期是不同的。
但巧就巧在，每223个朔望月、242个交点月、239个近点月，所需的时间几乎是一样的，大约是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，在地球上都会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，则是同一个地点发生两次非常相似日月食的周期。有了这些背景知识，那两个螺线的意思就显而易见了。
在安提基瑟拉机构中找到这些相关数字，明确的意味着这个机器是用来推算历法、计算日月食的。因此它可以称作已知最早的月食计算器。研究人员还发现，安提基瑟拉机构不仅可以计算月相、指导历法、推算日月食，还能模拟整个太阳系天体的运动，可谓功能十分强大了。遗憾的是由于出土时它已经严重锈蚀并且分裂为大量残片，这个精巧的机构中一部分子系统已经散佚。
这让研究人员着实费了一番脑筋，以下展示一些试图重建整个机构的原貌的研究成果。
例如 Edmund and Morgan 复原的结构设计：再如Evans等人复原的该机构对太阳系当时所知5颗行星的模拟运行系统：希腊亚里士多德大学 Kyriakos Efstathiou 教授所做、希腊国家博物馆收藏的复原设计：我国台湾成功大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复原：在2016年出版的一本专著中，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基础上，这基本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出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，这不得不让我们思考，在人类历史的大多数时期，发展并不总是线性向前的。伟大的文明可能毁于战火，文明的奇迹并不总能得以幸存。
不过科学家可以通过对比前后不同时期、不同文明的设计杰作，推测出当时的工程设计思想，可以利用现代工程学知识穷举可能的设计方案，从古人留下的残砖碎瓦中，还原历史的真相。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。