仰望星空的十年,1500年前那个仰望星空的人(1)

祖冲之(429年-500年),字文远,南北朝时期杰出的数学家、天文学家。公元429年祖冲之生于建康,在良好的家庭环境中,从小“严谨治学,搜练古今,博采沉奥”,读书万卷。他进步很快,不久被延揽到政府的华林学省搞科研工作。以后又历任南徐州从事史、司徒府公府参军、娄县(今昆山)县令等职。他特别爱好研究数学、天文历法,经常观测太阳和其它星球的运行,并且做了详细记录,在科学发明史上有多项创举。

编制《大明历》

从刘宋元嘉六年(429)到大明五年(461),祖冲之32岁之前都在京城度过。受恩荫少年时进国子监读书,他博览群书,好学深思,为日后学术研究打下了坚实基础。

宋孝武帝刘骏(454—464年在位)时,延揽他进入华林学省,从事文史撰述和历算研究工作。这个职务使祖冲之有充足时间钻研学问,有机会发挥自己的才能。

南朝刘宋的时候,我国历法已经有了很大的进步,但祖冲之认为还不够精确。他“亲量圭尺,躬察仪漏,目尽毫厘,心穷筹策,考课推移,曲备其详”,终于编制出一部较为精密的新历法“大明历”(“大明”是宋孝武帝的年号),在改革闰法、应用岁差和求出“交点月”的天数等方面作出了贡献。他认为习惯沿用的19 年7 闰的办法不够准确,就经过研究,提出了 391 年中144 闰的新闰周,这在当时是最精密的;“大明历”中首次运用岁差测定每一回归年(即两年冬至点之间的时间)的天数,结果跟现代科学测定的只相差50 秒;他是我国第一个算出“交点月”(月亮连续两次经黄道和白道交差点之间所需时间)的人,他测定月亮环行一周的天数,数据跟现代科学测定的误差不到1 秒。这些,都是在靠摆弄小竹棍进行计算的情况下实现的。

《大明历》比以往的任何一部历法更为准确。但是遭到了太子的老师戴法兴的反对。当时祖冲之32岁,很年轻,职务又低;而戴法兴身居官位,位高权重,认为对祖宗制订的历法不可轻易更改。他的反对很有分量,但祖冲之却坚持真理,敢于挺身而出,与之进行辩论。尽管戴法兴理屈词穷,《大明历》还是没有被朝廷采纳。直到五十年后,祖冲之已去世十年,才由他的儿子祖暅之将它献给梁武帝萧衍。几经周折,直到梁天监九年(510),《大明历》才被朝廷正式颁布,前后施行了八十年。

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祖冲之在《大明历》中有很多创造性的贡献,是中国历法史上的重大进步。据当代学者研究,夏历(即农历)两千年来经过一系列改革,最重大的有五次,其中第二次重大改革,就是南北朝时期祖冲之编制的《大明历》,它是当时最优秀的一部历法,对后世产生了深远影响。月球上有一座环形山就用他的名字命名;紫金山天文台发现的第1888号小行星,被国际组织批准命名为祖冲之星。

计算圆周率

祖冲之在天文学上的杰出成就,是与他的数学天才分不开的。他在数学方面的贡献,首推计算出圆周率。在我国古代,如何计算圆周率是一大难题,秦汉之前的中国人只知道“径一周三”之说,汉朝刘歆开始用3.1547,东汉张衡则用和93/29 两个数值作圆周率。三国时刘徽曾发明用割圆术(圆内接正多边形)计算圆周率,他从圆内接正六边形、十二边形、二十四边形开始,到3072边形时,得出了相对近似的3.1427。祖冲之认为这是通往圆周率的近路,他决心在刘徽的基础上继续探索下去。

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祖冲之每天应付完公务,回家就在书房的地板上,对着直径一丈的大圆,进行十分艰巨的推算。他从圆内接正六边形算到圆内接正24576边形,每求一值,都要把同一运算程序反复12次,而每一次运算又包括对九位数字的大数字进行加减乘除及开方等11个步骤。《隋书·律历志》记载,祖冲之求出的圆周率,精确到小数点后七位:3.1415926<π<3.1415927。为了便于记忆和使用,他又确定了两个近似值和,分别称为密率(π = 355/113)和约率(π = 22/7),从而创造了圆周率精确度的世界记录。

祖冲之求得的这个圆周率,是当时世界上最精确的数值。德国数学家奥托在1573年重新得出这个近似分数,当时,欧洲人还不知道在一千多年之前祖冲之就己经算出来了。后来荷兰人安托尼兹也算出这个近似分数,于是欧洲人就把这个称为“密率”的近似分数叫着“安托尼兹率”。直到日本数学家三上义夫在20世纪中叶发现,中国《隋书》中所记载的祖冲之密率要比西方早一千多年,由他建议把约率和密率统称为祖率,得到了国际数学界的广泛认同。莫斯科大学还为他建立了塑像。

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祖冲之的数学成就不仅圆周率计算这一项,他写过《缀术》五卷,被收入著名的《算经十书》中。《隋书》评论“学官莫能究其深奥,故废而不理”,认为《缀术》理论十分深奥,计算相当精密,学问很高的学者也不易理解它的内容,在当时是数学理论书籍中最难的一本。在《缀术》中,祖冲之提出了“开差幂”和“开差立”的问题。

所用到的计算方法已是用三次方程求解正根的问题了,三次方程的解法以前没有过,祖冲之的解法是一项创举。祖冲之的儿子祖暅在我国数学史上第一次导出了正确的球的体积公式。国外在1000年后才由意大利数学家卡氏列利提出。唐显庆元年(656),国子监增设算学馆,规定《缀术》为必读十部算经之一,学习期限四年,是数学书中学习时间最长的一种。《缀术》还曾传入朝鲜和日本,被选作数学教材。可惜的是,祖氏父子编写的这部重要数学专著早已失传。

器械制造及文史著述

从南齐初年起,祖冲之又把精力转移到器械制造上。作为一名博学多才的科学家,祖冲之对各种器械有过研究。齐王萧道成命祖冲之修理一辆缴获的指南车。祖冲之改成铜制机件,使之“圆转不穷而司方如一”,相当成功。有个叫索驭的人不服气,萧道成叫两人各造一辆,选定日期在玄武湖旁乐游苑比试。祖冲之所造的指南车,左旋右转行进自如,上面的木人始终指向南方;而索驭那辆车指向不准,毛病百出,总是跑偏,远不及祖冲之,羞愧之下他当场砸毁机器,放把火烧了。

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指南车

祖冲之长期担任地方官,熟悉民间生产和生活情况。他看到老百姓单人或双人用手推的牵砻脱粒,又用手持或脚踩的石碓舂米,相当费力,就设计出利用水力来推动的碓磨。太湖流域地势低平,难以利用自然力,到南京后就制造成功了。他在乐游苑中,建造一个利用水力来加工粮食(脱粒或磨粉)的工具,名为水碓磨,大概就是后世水磨坊的前身,齐武帝萧道成为此专门亲临视察。

祖冲之还制造过一件巧妙的欹器。欹器是古人用来警诫自满的器具。器内没有水的时候,是侧向一边的。里面盛水以后,如果水量适中,它就竖立起来;如果水满了,它又会倒向一边,把水泼出去。这种器具,晋朝的学者杜预曾试制三次,都没有成功;祖冲之却仿制成功了。由此可见,祖冲之对各种机械都有深刻的研究。祖冲之将欹器献给太子,勉励他办事虚心谨慎。发明制造出许多具有实用价值的器械,是祖冲之在科学上的第三项成就。

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连环画《祖冲之》中的“水碓磨”

建武年间,齐明帝起用年近古稀的祖冲之兼任长水校尉,这是他一生担任的最高官职,祖冲之老骥伏枥,起草了《安边论》,提出“开屯田、广农殖”的主张,可惜连年战乱,未能实行。

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在齐梁文学风气的影响下,他把兴趣转到人文学科方面来,研究哲学、文学、音乐,写下了《易老庄义释》《论语孝经注》和志怪小说《述异记》等。后来连同数学著作《缀术》《九章术义注》等,由祖暅之合编成《长水校尉祖冲之集》五十一卷,可惜也失传了。祖冲之是一位学究天人、博古通今的大学问家。

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