水運儀象台是北宋科學家蘇頌皇帝設計。
蘇頌利用水車原理，水動力，做成今天鐘錶一裝置，用來報時，齒輪牽動天球儀天象觀測儀，來校正時間。
水運儀象台總共有三層：中間是渾象，天球儀。
上面是渾儀，天象觀測儀，（要上二樓才看得到）。
正面最底層報時木閣。
總共有五層：最上面一層開了三個小門，每逢奇數鐘點，紅色木偶會搖鈴。
偶數鐘點，換紫色木人敲鐘。
而每隔十五分鐘，中間綠色木人會擊鼓。
木閣第二層是二十四小時報時系統，每點會木人舉牌顯示當時時間。
第三層是報時刻裝置，每隔十五分鐘會有木人輪流舉牌站門內。
第四層和第五層是晚上報時用。
第四層木人於日落到日出之間，敲鐘三十八次。
第五層木人，則配合第四層鐘聲，執牌顯示夜晚時間。
國立自然科學博物館展示水運儀象台是蘇頌所撰「儀象法要」文獻內容研究復原而成，為世界第一座功能完備原尺寸木樣模型。
原件北宋時期蘇頌和韓公廉人設計製作。
『水運儀象台』『水運』二個字指是它利用水做動力來運轉整座天文觀測設備。
中國天文學家及觀天者認為「天是運行」，是地運息。
因此，一種且有規律可配合地球自轉跟蹤裝置，用水來做運轉力量。
『水運儀象台』『儀』字指是渾儀。
中國人向來崇尚「天人合一」，是一個民族，於進行瞭解方式觀看天象，而利用座標技術、觀測技術觀測工具統稱「儀」。
『水運儀象台』『象』字指是渾象。
觀測用「渾儀」置放於最上層，有許多環圈層層，包括地平圈、赤道圈、黃道圈、……，配合可以活動「窺管」來觀測天體位置。
渾象外面球體形狀星圖，模擬星空運行，而人們坐在渾象裡面進行星象觀測。
現代天文台基本配備需有觀測、模擬星象及計時功能。
因此，水運儀象台可稱得上是現代天文台鼻祖。
蘇頌水運儀象台可以説是一座自動化天文台，全部結構可以分成三層，上層是渾儀，中層是渾象，下層是計時系統動力系統，它利用水力來帶動報時系統、渾儀及渾象這三樣東西，使它們能轉動。
元祐（1086年）蘇頌檢驗太史局渾儀時，決心要儀、渾象和報時裝置結合。
蘇頌拜訪吏部守官韓公廉，取得張衡、張思訓「儀器法式綱」。
元祐三年（1088年）開始動工，元祐七年（1092年）「水運儀象台」竣工。
水運儀象台外形類似於天文台，12米，7米，上下分三層；上層是渾儀（天體測量之用），中層是渾象（天體運行演示），下層是司辰（自動報時器），全程用水力推動，可報時，李約瑟指這是歐洲天文鐘直接祖先。
蘇頌於紹聖初年著《新儀像法要》一書，詳述水運儀象台整體功能、零件150多種，60多幅插圖。
水運儀象台原件靖康禍（1127年）時，金兵水運儀象台掠往燕京（北京）置於司天台，金朝貞祐二年（1214年），金遷開封，不便運輸丟棄，而南宋時蘇攜保存手稿無人理解其中方法而無人能仿造。
中華人民共和國成立後，清華大學機械工程學家劉仙洲於1953年是1954年發表《中國原動力方面發明》、《中國傳動機件方面發明》兩篇關於此儀動力研究論文。
英國科技史學者李約瑟此儀動力有研究，1956年於《》雜誌發表論文。
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水力機械鐘安堤基瑟拉儀早在紀元前就出現了，但奇怪的是，西方後千年時間裡，沒有結合這兩種齒輪技術，發明隨著天體運轉水力天文鐘。
結果水力天文鐘，既不是出現拜占庭帝國，不是阿拉伯帝國，而是萬裏之外中國！本文為系列文章，上一篇請見：什麼？阿拉伯帝國學風開放，搞出第一台可編程機器？│《電腦簡史》 齒輪時代（七）只要轉動安提基瑟拉儀拜占庭日晷儀，可以計算過去到未來，任何一天天體位置。
但是只要沒人轉動，它們會動作，所以沒辦法呈現當下天象，像時鐘告訴你目前時刻。
既然西元前三世紀，克特西烏斯發明出機械水鐘，那麼以此基礎，加一些齒輪指針進去，讓它們天體運行，一台會自己運轉天文鐘？看一眼能知道目前天體位置。
説奇怪，雖然自動機器計算天體位置，這兩種齒輪技術有了，但是「水力天文鐘」隔後才出現。
知道是因為兩種技術沒有交匯一起，或者早期確有發明，只是毀損失傳了。
總之史料，水力天文鐘記載不是古希臘，拜占庭帝國或阿拉伯世界，而是中國。
《後漢書》中提到東漢太史令張衡，於西元 126 年發明瞭渾天儀。
許多人相信這水力天文鐘，但其實天儀這名詞，完全沒有解釋其功能構造，説水力推動。
是因為後來《晉書．天文志》中，進一步描述渾天儀用空心銅球代表圓天，上面蝕刻各個星宿，演示星象運行；而原文中有「漏水轉之」這幾個字，引發後人設想天儀是水力推動。
無論渾天儀是否靠水力轉動，它這麼曇花一現。
直到六百年後，唐朝一行和尚（俗名張遂）梁令瓚，於 723 年打造出名為「水運渾天」水力天文鐘。
《舊唐書．天文志》它有這樣描述：「注水激輪，令其自轉，一日一夜，天轉一週。
置二輪絡天外，綴日月，令得運行。
」表示星象，日月各自有獨立齒輪帶動運轉。
是，後面提到有兩個報時木人，「每一刻擊鼓，每辰撞鐘」。
如果書中言屬實，水運渾天既能模擬日月星辰運行，能夠時時主動報時，那確稱得上水力天文鐘無誤。
可惜《舊唐書．天文志》沒有進一步描述它內部構造，無驗證這部水力天文鐘是否可以運轉。
北宋時，來自四川張思訓於 979 年設計了「渾儀」。
據《宋史‧天文志》所載，張思訓特地改用水銀取代水，如此不怕冬天水結冰，使得天文鐘無法運轉。
此外，他設計了花俏報時方式：有七個木偶每一刻鐘會搖鈴、扣鐘、擊鼓，有十二個木人輪流時辰跑出來舉牌報時。
但地，書中沒有解説其構造。
張衡渾天儀、一行和尚水運渾天、張思訓渾儀，見於文獻之中，缺乏實際構造描述，因此斷定其偽。
目前公認中國水力天文鐘，是北宋時期福建閩南人蘇頌，發明「水運儀象台」。
蘇頌出生於 1020 年，二十三歲王安石同榜中了進士後，到江蘇縣令，三十四歲時調任到專門收藏典籍集賢院。
他集賢院九年期間，研讀各種領域書籍，學識因而擴展，藥學、算學、工程到天文地理，無所。
1086 年蘇頌轉任吏部尚書，檢驗各項天文儀器後，決定建造一部功能、自動運行天文鐘。
他下屬韓公廉一起著手設計，後歷時六年終於打造出水運儀象台。
雖然水運儀象台復存，但所幸蘇頌留下一本寫《儀象法要》，裡面記載內部構造零件尺寸，而且還附有圖示。
圖索驥，復原水運儀象台後，確實可以運作（台中自然科學博物館有個一一模型）。
水運儀象台高達十二公尺，共有三層。
觀測用「渾儀」置放於最上層，有許多環圈層層，包括地平圈、赤道圈、黃道圈、……，配合可以活動「窺管」來觀測天體位置。
中間那一層是「渾象」，主體是一顆齒輪帶動圓球，上面繪製了各個星座，轉完一圈一天，配合繞著圓球經緯圈，演示天象實際變化。
最下層是報時裝置，分為五小層，每層各有數目一小木人，會現身舉著牌子顯示目前時刻，若晚上會敲更。
水運儀象台動力機制克特西烏斯機械水鐘類似，是利用虹吸原理，讓水量傾瀉而下推動水車，水車帶動齒輪前進一格，推動渾象圓球轉動，同時轉動報時裝置。
所以只要定期加水，能運轉，如實模擬天象。
想像蘇頌可以憑空發明如此複雜齒輪裝置。
許蘇頌集賢院時，藏書中發現渾天儀、水運渾天、渾儀裝置圖解；張思訓渾儀過了一百年可能還無缺，蘇頌可直接研究（水運儀象台木人報時方式，渾儀相似了）。
若是如此，中國水力天文鐘，是漢、唐、宋一路傳承下來，完全是中國自己發明。
不過，蘇頌是得藉助於阿拉伯帝國天文知識。
這個成語出自《莊子》秋水篇。
戰國時，公孫龍認學問、口才高人一等，可是聽到莊子言論大惑不解。
他一位朋友説，是他眼界狹小，有如管子看天，只能看到天空一小部分，以為天空這麼小。
後來「以管窺天」演變成一個成語，比喻見識。
談到這裡，讓我們造兩個句吧。
沒讀幾本書，説自己瞭解明史，猶如以管窺天，所知了。
這篇討論新冠肺炎論文，只是以管窺天，並沒看到問題全貌。
成語「以管窺天」，常和「蠡測海」並用。
蠡，指用葫蘆做瓢。
瓢測量海水，能測得完嗎？蠡測海，是比喻見識。
成語「蠡測海」，是個比喻，什麼科學意義。
成語「以管窺天」則不然，用來窺天「管」，是古人天文觀測儀器啊！古時沒有望鏡，只能肉眼觀看星空。
肉眼觀測大範圍天象尚能應付，觀測天象敷需要了，所以古人想出一個辦法，竹管管孔來縮觀測範圍，這種觀測天象管子，特稱「窺管」。
窺管能「窺」出什麼呢？，能夠消除側光影響，一些較暗的星，看起來變亮了。
小朋友可以做個實驗，手握出個孔洞，湊近一隻眼睛，望向遠處目標，是不是看得了。
窺管可以增加亮度，還可以觀測星星經度和緯度，這得談談古代天文觀測儀器渾儀。
西元前 1 世紀，古人發明瞭渾儀。
渾儀 1 3 金屬環構成，外重是，內重可以轉動，窺管嵌於其中。
後來環數加多，構造變得複雜，但基本原理是。
以來，天文學家假想「天」是個球體——天球，做為觀察星空。
假想中天球，是地球為中心、向外擴充無限大球面。
地球南北極，向外擴充，成為天球南北極；地球赤道，向外擴充，成為天球赤道。
地球有經緯度，天球有經緯度，稱為赤經、赤緯。
《隋書．天文志》，當時渾儀上窺管，長 8 尺，有直徑 1 寸圓孔。
觀測時，轉動內層環，窺管導某一星星，微調，環上刻度，可以定出這顆星星天球上座標，它經緯度。
本文為系列文章，上一篇請見：邁向商用化——電腦產業形成│《電腦簡史》數位時代（十五）二次大戰後，電腦全面使用真空管後，速度提升，隨著需要大量計算企業多，電腦前景看似一片光明。
不過電腦上線運作後，真空管先天缺陷終於曝露出來，阻礙電腦產業發展。
真空管是靠加熱燈絲而產生遊離電子，電子吸引做為正極金屬片而產生單向電流。
於燈絲電極會耗損，真空管壽命原本不長；即使是電腦生產真空管，狀況下過能兩千個時。
更何況進行運算時，真空管開開關關，燈絲因此燒斷而提早報銷。
一部電腦有幾千個真空管，只要有一、二個掉，會影響整體電路運作。
UNIVAC 例，故障間隔 (MTBF, Mean Time Between Failures) 時間超過 24 時；美軍 ENIAC 真空管超過一萬七千個，MTBF 只有 12 時。
而發生問題，要排除故障耗費時間，得花幾個時才能找出損壞真空管，予以換。
電腦如果動不動得停機檢修，不僅效益大打折扣，會影響作業，誰想花錢購置電腦惹來內部抱怨。
博斯想到可以利用這個特性偵測無線電波。
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如今我們知道，這革命性電子元件電晶體。
它解決了可靠性問題，而且降低成本、縮小體積、提升速度，讓電腦改頭換面，並催生出各種電子產品，人類文明從此邁入新紀元。
電晶體之所以能帶來革命性改變，乃它是奠基於一種革命性材料——半導體。
要知道電晶體如何發明，得知道什麼是半導體。
顧名思義，半導體具有半導電性物體。
但何謂半導電性？我們知道元素有電子數，原子核為核心，內而外分佈於殼層。
外層電子能量，其中最外層電子稱為「價電子」，所處能階稱「價帶」。
價電子束縛原子內，所以無法導電，獲得能量躍遷到「傳導帶」才能導電。
傳導帶價帶能量差距稱為「能隙」，導電性取決於能隙大小。
金屬能隙，傳導帶價帶有部分重疊，所以導電性；反之，絕緣體能隙，價電子無法跨越，因此無法導電。
半導電能隙介於金屬絕緣體之間。
能隙大小價電子個數有關。
每個殼層可容納電子數有上限，價電子殼層接近填滿狀態，，需要多能量才能激發價電子跳到傳導帶；價電子，脱離束縛，跑到傳導帶。
金屬價電子超過 3 個（過渡金屬除外），很形成電子，移動。
絕緣體有 5 個或以上價電子。
碳、矽、鍺、錫、鉛 IV 族元素有 4 個價電子，是半狀態，導電性介於導體絕緣體之間，屬於半導體。
IV 族元素如果摻雜其它元素，導電性會跟著改變。
例如磷摻到矽裡面，因為磷有 5 個價電子，其中 4 個矽共用後，多一個價電子，跑到傳導帶成電子，這種半導體稱為 n 型 (n 代表 negative)。
矽如果摻是有三個價電子硼，只差一個價電子狀態，猶如有個「電洞」讓電子落入陷阱。
旁邊電子掉進這個電洞後產生一個電洞，形成骨牌效應，另一個角度看，像是帶正電電洞會移動，因此稱為 p 型半導體 (p 代表 positive)。
摻雜，化合物可能形成半導體。
半導體發現，與 IV 族元素無關化合物。
1833 年，法拉第有一次做電力實驗時，無意間將燈火靠近硫化銀，結果發現導電能力大增；移走燈火，導電性隨著温度下降而降低。
金屬高温時，導電性會變差，硫化銀相反，令法拉第異。
硫化銀一種半導體。
高温之所以增加半導體導電性，是因為熱能會讓多價電子躍遷到傳導帶，因此增加了導電性。
金屬原本需一點能量能產生電子，集體正極方向移動。
但電子如果吸收多能，反而四處竄，原本定向性受到破壞，導電能力隨下降了。
法拉第雖然發現半導體這個特性，無法瞭解其中原理。
時距離道爾吞提出原子説不到 30 年，是否有所謂基本粒子受質疑，無想像原子內部有電子原子核。
因此法拉第發表這個奇特現象後，不了了之，沒有人想到導體絕緣體之外，有一種半導體。
下次半導體躍上枱面，是四十年後。
1874 年， 24 歲德國物理學家布勞恩 (Ferdinand Braun) 研究各種硫化物導電性時，將硫化鉛接上電，發現檢流計指針紋風不動。
他試著調換負，結果指針馬上有反應。
這奇怪了，一個物體導電性應該是，怎麼會因為負接法，一下是絕緣體，一下是導體？單向導電性是半導體另一項特性。
硫有 6 個價電子，所以硫化鉛是 n 型半導體，情況下，電子只能從硫化鉛正極移動，會另一個方向測不到電流。
地，於當時原子構造（湯姆森於 1897 年才發現電子），不知如何解釋這個奇特現象。
大家毫無頭緒，單向導電性看不出有何用途，因此布勞恩發表實驗結果後，並沒有激起任何漣漪。
半導體受到忽視，要等到赫茲於 1888 年發表無線電波實驗後，硫化鉛這類半導體礦石引起大家興趣。
赫茲實驗吸引很多人投入無線電波研究，印度科學家博斯 (Jagadish Chandra Bose) 是其中之一。
他發現 IV 族元素礦石不但有單向導電性，而且遵守歐姆定律：電流電壓成正比。
當施予礦石電壓於某個臨界值時，電流微乎其微；一但超過臨界電壓，電流突然增加。
博斯想到可以利用這個特性偵測無線電波。
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只要接收裝置施以電壓，讓無線電波產生感應電壓超過臨界電壓，電流會出現變化，能呈現無線電波。
1894 年，博斯金屬天線一端與硫化鉛表面接觸，做成無線電偵測器（稱「檢波器」），接收到一英哩之外無線電波，這中間隔了三道磚牆。
馬可尼 (Guglielmo Marconi) 這一年發明無線電報系統，兩年後他和博斯倫敦會面，不過博斯商業應用，馬可尼合作。
馬可尼沒有採用博斯這個技術，而是利用感應電流產生磁場變化，來吸引金屬屑或發出聲響，作為判斷電波。
事實上，博斯自己後來改用別種技術設計檢波器，因為礦石檢波器確不是光。
礦石中雜質分佈並勻，不是每次金屬線接觸硫化鉛表面能形成迴路，往往得嘗試多次才能找到「熱點」，得到訊號。
儘管如此，AT&T 工程師匹卡德 (Greenleaf Pickard) 仍看好礦石檢波器潛力，試圖找出收訊效果礦石。
1902 年，匹卡德檢測一塊礦石熱點時，懷疑施加電流造成背景雜訊，於是伸手拿掉部分電池，結果雜訊馬上消失，無線電訊號變得許多。
這時他看了一眼器材，發現他小心電池接線弄掉了，礦石檢波器需要電，可以接收無線電。
這個現象完全違背過去認知，於是匹卡德專心研究有哪些礦石不用電可以檢波器。
他花了三、四年時間測試上千種礦石，發現有 250 種可以做為天然檢波器，其中熔融後矽（原本來製造石英玻璃）收訊效果最佳。
匹卡德進行實驗這段期間，無線電正在發展另一項應用：傳送聲音。
當時電話是技術，可以聲音轉換音頻訊號，但音頻是波形，無線電波是脈衝電波，因此只能靠長／、有／無來代表摩斯密碼，傳送音頻訊號。
1900 年，加拿大發明家範信達 (Reginald Fessenden) 發明一種交流發電機，終於能產生波形無線電波（稱為「載波」，波形規律正弦波）。
原本規律載波音頻疊加後，變成起伏變化無線電波，電波振幅大小便代表音訊變化。
這種調變電波振幅技術稱為「調幅」(Amplitude Modulation, 簡稱AM)，現在 AM 廣播所用技術。
調幅無線電到了接收端，還得「解調」才能原成音訊。
，於天線接收無線電波後，所產生感應電流是交流電，因此反方向電流去掉，成為單一方向直流電；這個步驟稱為「整流」。
接著濾掉其中載波，留下音頻訊號。
範信達直到 1904 年才做出有整流功能檢波器，並於 1906 年聖誕夜發送 AM 廣播到大西洋上美國軍艦。
不過範信達發明檢波器製造，需要調校，適合專業人士使用。
而半導體單向導電性可以將交流電整流為直流電，這類礦石可直接做為無線廣播檢波器。
1906 年，匹卡德獲得矽石檢波器專利，並隔年創立公司，製造耳機收聽礦石收音機，銷售大眾。
於價格、體積小巧需要電，因此受歡迎。
礦石收音機成史上第一個半導體商品；誰會想到如今半導體各種電子產品密不可分，但是不用電為訴求。
匹卡德於 1906 年申請專利這一年，美國專利局收到另一項影響專利申請，那德佛瑞斯特 (Lee De Forest) 改良新型真空管。
原本弗萊明 (John A. Fleming) 於1904 年發明真空管只有負兩，德佛瑞斯特金屬柵格擋金屬片燈絲之間，變成、負極，多了「柵極」(Grid) 三極管。
柵用來控制電流大小。
柵極施以負電壓，產生電場電子相斥，部分電子擋下，抵達正極金屬片，電流變小了。
負電壓，擋下電子，電流；柵極像家裡水龍頭，不用動到水管閥門，可以各自調節水流大小。
德佛瑞斯特原本設計三極管只是調節電流，他想到六年後，這項設計發掘出放大訊號功能。
原本只有二極管時，若要調整電流大小，正極電壓有幅度改變，如前面水管比喻，沒有水龍頭話，只能源頭閥門控制水量。
例如要讓電流 12 mA 減半降為 6 mA，電壓要 110 V 降到 60 V；但若使用三極管，改變正極電壓，只要柵極施以 -2 V 電壓可以了。
三級管電壓變化只需二級管 1/25 ，能達到效果（若搭配阻抗，相差能到百倍以上），像水龍頭那樣，轉動一點點，出水量很多。
如果讓柵做訊號輸入端，正極做為輸出端，那麼原本訊號，會放大成訊號。
紐約倫敦相隔，無線電波無法地表弧度直接送達，大氣電離層反射到地面。
然而一年四季、晴雨晨昏，大氣條件，電波影響大不相同。
因此若要維持越洋電話全年，通訊設備要能夠收發波長無線電波。
不過真空管高頻（短波）表現不是，如何克服這個問題成為貝爾實驗室首要任務。
貝爾實驗室於 1925 年成立，初期工程師大多從 AT&T 轉調過來，歐偉 (Russell Ohl) 是其中之一，他無線電興趣學時期。
1914 年第一次世界大戰爆發，當時大學二年級歐偉，課堂上第一次聽到礦石收音機發出聲音，而且是大西洋英國船隻，遭到德國潛艇攻擊發出的求救訊號，從此他無線電深深著迷。
歐偉原本 AT&T 負責短波研發，1927 年轉到貝爾實驗室後繼續這個項目。
他們無線電電波推向頻率，但遇到瓶頸跨越。
當其他同事執著於真空管時，歐偉於 1935 年決定頭開始，一一檢視過去無線電各種實驗與論文，中發掘可行方案。
後他目標瞄準礦石收音機矽石，相信這才是解答。
礦石收音機不是真空管淘汰嗎？同事與主管認為歐偉異想天開，但他認為只要去除矽石中雜質，能收發頻率無線電波。
歐偉自己多次嘗試矽粉製造，卻不得其果，後於 1939 年找到具有冶金專長同事，高温熔製方法精煉出高純度矽。
1940 年 2 月 23 日，歐偉決定檢測一塊去年製出的矽石，他同事説，這塊矽石奇特，每次測導電性。
歐偉仔細檢查這塊矽石，發現中間有條裂痕，他猜想這導電性不一致原因，原本不以意。
但他接上示波器，赫然發現矽石枱燈照射下，會產生電流。
光電效應是會產生電流，但那是紫外線照射金屬，而這顆 40 W 燈泡發出的是可見光，矽的導電性不如金屬。
雖然美國發明家弗裏茲 (Charles Fritts) 曾於 1884 年硒鍍上金箔，做成太陽能電池，但這樣光伏效應 (Photovoltaic effect，稱「光生伏應」) 轉換效率非常低，只有 1% 左右。
歐偉測到電壓，超過當時所知光電效應光伏效應十倍以上，是項前所未有發現。
歐偉找主管，同時和同事繼續深入研究這塊矽石。
他們發現電流總是裂痕上半部流往下半部，而會反向而行。
進一步分析發現，裂痕兩邊含有雜質，上半部含有少許硼，而下半部雜質是磷。
他們推測應該是這塊矽石高温熔化，冷卻過程中，磷下沉得，硼下沉得，裂痕出現地方這兩種元素阻隔開，以致矽石上、下半部各有不同雜質。
歐偉推測電流兩邊雜質所致。
磷有 5 個價電子，而硼有 3 個價電子，白熾燈泡照射下，磷多餘電子激發而過裂痕，填補含硼那矽石電洞，而產生電流。
這類似電池負極提供電子正極，於是歐偉「n型」、「p型」來稱呼這兩種矽石，然後劃分兩邊裂痕——這兩種半導體接觸面——叫做「p-n 接面」(p-n junction)。
這幾個名稱沿用到現今半導體。
半體體基本名稱不但源自歐偉命名，如今我們懂得利用摻雜來改變半導體導電性，是他這次發現。
不過歐偉而言，他只想研究無線電波，發現半導體光伏效應只是，他沒有能力深究其中原理。
半導體後續研究貝爾實驗室另一個團隊接手，這羣有量子力學背景物理學家將釐 p-n 接面奧秘，進而發明改變世界電晶體。