第11章 祖衝之(1 / 3)

古代著名的科學家

祖衝之(429~500)是我國南北朝時代南朝的一位著名科學家。

從420年東晉滅亡到589年隋朝統一全國的一百七十年中間,我國曆史上形成了南北對立的局麵,這一時期稱作南北朝。南朝從420年東晉大將劉裕奪取帝位,建立宋政權開始,經曆了宋、齊、梁、陳四個朝代。同南朝對峙的是北朝,北朝經曆了北魏、東魏、西魏,北齊、北周等朝代。祖衝之是南朝人,出生在宋,死的時候已是南齊時期了。

當時由於南朝社會比較安定,農業和手工業都有顯著的進步,經濟和文化得到了迅速發展,從而也推動了科學的前進。因此,在這一段時期內,南朝出現了一些很有成就的科學家,祖衝之就是其中最傑出的人物之一。

祖衝之的原籍是範陽郡道縣(今河北易縣)。在西晉末年,祖家由於故鄉遭到戰爭的破壞,遷到江南居住。祖衝之的祖父祖昌,曾在宋朝政府裏擔任過大匠卿,負責主持建築工程,是掌握了一些科學技術知識的;同時,祖家曆代對於天文曆法都很有研究。因此祖衝之從小就有接觸科學技術的機會。

祖衝之對於自然科學和文學、哲學都有廣泛的興趣,特別是對天文、數學和機械製造,更有強烈的愛好和深入的鑽研。早在青年時期,他就有了博學多才的名聲,並且被政府派到當時的一個學術研究機關——華林學省,去做研究工作。後來他又擔任過地方官職。461年,他任南徐州(今江蘇鎮江)刺史府裏的從事。464年,宋朝政府調他到婁縣(今江蘇昆山縣東北)作縣令。

祖衝之在這一段期間,雖然生活很不安定,但是仍然繼續堅持學術研究,並且取得了很大的成就。他研究學術的態度非常嚴謹。他十分重視古人研究的成果,但又決不迷信古人。用他自己的話來說,就是:決不“虛推(盲目崇拜)古人”,而要“搜煉古今(從大量的古今著作中吸取精華)”。一方麵,他對於古代科學家劉歆、張衡、闞澤、劉徽、劉洪、趙歐等人的著述都作了深入的研究,充分吸取其中一切有用的東西。祖衝之另一方麵,他又敢於大膽懷疑前人在科學研究方麵的結論,並通過實際觀察和研究,加以修正補充,從而取得許多極有價值的科學成果。在天文曆法方麵,他所編製的《大明曆》,是當時最精密的曆法。在數學方麵,他推算出準確到六位小數的圓周率,取得了當時世界上最優秀的成績。

宋朝末年,祖衝之回到建康(今南京),擔任謁者仆射的官職。從這時起,一直到齊朝初年,他花了較大的精力來研究機械製造,重造指南車,發明千裏船、水碓磨等等,作出了出色的貢獻。

當祖衝之晚年的時候,齊朝統治集團發生了內亂,政治腐敗黑暗,人民生活非常痛苦。北朝的魏乘機發大兵向南進攻。從494年到500年間,江南一帶又陷入戰火。對於這種內憂外患重重逼迫的政治局麵,祖衝之非常關心。大約在494年到498年之間,他擔任長水校尉的官職。當時他寫了一篇《安邊論》,建議政府開墾荒地,發展農業,增強國力,安定民生,鞏固國防。齊明帝看到了這篇文章,打算派祖衝之巡行四方,興辦一些有利於國計民生的事業。但是由於連年戰爭,他的建議始終沒有能夠實現。過不多久,這位卓越的大科學家活到72歲,就在公元500年的時候去世了。

改革曆法

我國古代勞動人民,由於畜牧業和農業生產的需要,經過長時期的觀察,發現了日月運行的基本規律。他們把第一次月圓或月缺到第二次月圓或月缺每拉的一段時間規定為一個月,每個月是二十九天多一點,十二個月稱為一年。這種計年方法叫做陰曆。他們又觀察到:從第一個冬至到下一個冬至(實際上就是地球圍繞太陽運行一周的時間)共需要三百六十五天又四分之一天,於是也把這一段時間稱作一年。按照這種辦法推算的曆法通常叫做陽曆。但是,陰曆一年和陽曆一年的天數,並不恰好相等。按照陰曆計算,一年共計三百五十四天;按照陽曆計算,一年應為三百六十五天五小時四十八分四十六秒。陰曆一年比陽曆一年要少十一天多。為了使這兩種曆法的天數一致起來,就必須想辦法調整陰曆一年的天數。對於這個問題,我們的祖先很早就找到了解決的辦法,就是采用“閏月”的辦法。在若幹年內安排一個閏年,在每個閏年中加入一個閏月。每逢閏年,一年就有十三個月。由於采用了這種閏年的辦法,陰曆年和陽曆年就比較符合了。

在古代,我國曆法家一向把十九年定為計算閏年的單位,稱為“一章”,在每一章裏有七個閏年。也就是說,在十九個年頭中,要有七個年頭是十三個月。這種閏法一直采用了一千多年,不過它還不夠周密、精確。公元412年,北梁趙歐創作《元始曆》,才打破了歲章的限製,規定在六百年中間插入二百二十一個閏月。可惜趙歐的改革沒有引起當時人的注意,例如著名曆算家何承天在公元443年製作《元嘉曆》時,還是采用十九年七閏的古法。

祖衝之吸取了趙歐的先進理論,加上他自己的觀察,認為十九年七閏的閏數過多,每二百年就要差一天,而趙歐六百年二百二十一閏的閏數卻又嫌稍稀,也不十分精密。因此,他提出於三百九十一年內一百四十四閏的新閏法。這個閏法在當時算是最精密的了。

除了改革閏法以外,祖衝之在曆法研究上的另一重大成就,是破天荒第一次應用了“歲差”。

根據物理學原理,剛體在旋轉運動時,假如絲毫不受外力的影響,旋轉的方向和速度應該是一致的;如果受了外力影響,它的旋轉速度就要發生周期性的變化。地球就是一個表麵凹凸不平、形狀不規則的剛體,在運行時常受其他星球吸引力的影響,因而旋轉的速度總要發生一些周期性的變化,不可能是絕對均勻一致的。因此,每年太陽運行一周(實際上是地球繞太陽運行一周),不可能完全回到上一年的冬至點上,總要相差一個微小距離。按現在天文學家的精確計算,大約每年相差50.2秒,每七十一年八個月向後移一度。這種現象叫作歲差。

隨著天文學的逐漸發展,我國古代科學家們漸漸發現了歲差的現象。西漢的鄧平、東漢的劉歆、賈逵等人都曾觀測出冬至點後移的現象,不過他們都還沒有明確地指出歲差的存在。到東晉初年,天文學家虞喜才開始肯定歲差現象的存在,並且首先主張在曆法中引入歲差。他給歲差提出了第一個數據,算出冬至日每五十年退後一度。後來到南朝宋的初年,何承天認為歲差每一百年差一度,但是他在他所製定的《元嘉曆》中並沒有應用歲差。