正文 十 科學技術(1 / 3)

科學技術的作用廣泛之至,生產、生活的各個領域中無處不在,難以劃定範圍。這裏隻就計算、曆象、地學、磁學等方麵舉幾個例子;而且不是講這些學科的原理,隻談與之相關的器物。

先說用於計算的器物。計算是處理數量關係的,是科技活動的基礎。我國直到宋代都用籌算。籌算用的工具叫算籌,它還有一個專門名稱叫“筭”。即清·段玉裁所說:“筭為算之器,算為筭之用。”宋代通稱為“算子”。算籌一般為竹質,也有木、骨、象牙或金屬的。最早大約用的是草莖。一般而言,越古老的時代人們越迷信,我國上古時代的人常進行占卜。卜是龜卜。占則是占筮,就是用蓍草的莖算卦。亦即《禮記·曲禮》所說:“龜為卜,蓍為筮。”蓍是菊科的鋸齒草,又叫叢蓍,生長緩慢,如果一叢蓍草有一百根莖,則稱作“靈蓍”,被認為占筮時會非常靈驗。古人用長短不同的蓍草莖“十有八變而成卦”(《易·係辭·傳》)。其參伍排比的方法,從形式上看確與籌算有類似之處,所以籌算的出現應與占筮有關。

漢代算籌的實物,如湖北江陵鳳凰山168號西漢墓所出竹籌長約七漢寸。廣州南越王墓出土的象牙籌,長度接近六漢寸。而陝西千陽出土的西漢骨籌,長13.5厘米,正合六漢寸。《鹽鐵論·貧富篇》說:“運之六寸,轉之息耗。”“六寸”指算籌,可見漢籌以六寸為常製。但算籌無須太長,長了並不方便,所以漸漸變短。河北石家莊東漢墓所出算籌的長度不到四漢寸。《數術紀遺》北周·甄鸞注說籌長四寸,反映的就是這一趨勢。再後來《隋書·律曆誌》說籌長三寸,就更短了。已發現的算籌一般隻有十根八根,不成一整套。按照《漢書·律曆誌》的說法,算籌以二百七十一根為一套,叫一握。後來數量減少,如元·耶律楚材在《湛然居士集》中所說,一套隻有九十一根。整套的算籌可以盛在算袋裏,這是一種長橢圓形的袋子。唐·段成式《酉陽雜俎》中提到墨魚的時候說:“昔秦王東遊,棄算袋於海,化為此魚。”清·周亮工《閩小記》中仍稱:“墨魚一名算袋魚。”可見它與墨魚的輪廓近似。唐代官員在腰間的革帶上佩算袋。此物流行的時間相當長,將來很有可能被發現。

籌算是十進製又是位值製。十進位,今天看來好像是天經地義,其實它不是自然的而是人為的。進位製不一定都是十進。我國的老秤一斤是十六兩。英國一英磅等於二十先令,一先令等於十二便士,一磅則等於二百四十便士。上世紀70年代以前,咱們國家去英國的人帶的多半是美金,還要在腦子裏換算成人民幣。買東西計價卻用磅、先令、便士,常常買不了幾件就給繞胡塗了。後來英國人也認識到這一點,1971年宣布改為一英磅等於一百便士,這就和十進製不矛盾了。而位值製就是一組數字中有個位、十位、百位等之別,同一個數字在不同的位置上代表的數值不同。位值製的概念並不是古代各國的記數法裏都有的。羅馬用I、V、X、L、C、D等字母代表1、5、10、50、100、1000等數字。123在我國的籌算中可以布作,在羅馬可不能寫成ⅠⅡⅢ,而要寫成CXXIII,因為他們不用位值製。

籌算在長期使用中演算方法逐漸簡化,產生了可以在一個橫列裏演算乘除的做法。宋代沈括說,數學的方法是,“見繁即變,見簡即用”。當各種簡捷算法出現以後,特別是“九歸歌訣”和“撞歸歌訣”等的產生,較繁的除法也變得容易了,從而使演算者覺得布籌改碼不夠方便,不夠得心應手。這樣便導致了算盤的發明。在電腦出現以前,算盤是一種構造極簡單而效率奇高的計算器。

清末,一般研究者都認為明代程大位的《算法統宗》(1592年)是刊載算盤圖的最早的著作。上世紀30年代,李儼指出,柯尚遷的《數學通軌》(1578年)中所載者更早。到了1957年,在日本內閣文庫中找到了徐心魯訂正的《盤珠算法》(1573年)中的算盤圖。以後又在美國哥倫比亞大學圖書館發現《新編對相四言》(1436年)一書,其中載有九檔算盤圖。1963年錢寶琮在《中國數學史》中又舉出國家文物局收藏的《魯班木經》(1425年)中的算盤圖。上世紀70年代在日本還發現了一部明刻本《魁本對相四言雜字》(1371年),在這部圖文對照的蒙學讀物中,已刊有上二珠、下五珠、中有橫梁的算盤圖。《魁本對相四言雜字》是洪武四年刻的,距離元代隻有幾年。目前雖未發現元代的算盤圖,但元代文獻中卻曾提到算盤。元·劉因《靜修先生文集》中有《算盤詩》。陶宗儀《南村輟耕錄》中記有拿算盤作的比喻,稱:“凡納婢仆,初來時曰‘擂盤珠’,言不撥自動。稍久曰‘算盤珠’,言撥之則動。既久曰‘佛頂珠’,言終日凝然,雖撥亦不動。”這段話雖然充滿歧視傭工的心理,但說明算盤在當時已是常見之物。再如元曲《龐居士誤放來生債》中也有“算盤”一詞,故元代已用算盤當無疑問。

問題是算盤的發明能不能上溯到宋代?證據是有一些,但不十分明確。如《清明上河圖》中所繪行醫的“趙太丞家”,在當門的櫃子上擺著一個長方形分檔之物,有學者認為它就是算盤。又如1921年在河北邢台宋巨鹿故城曾出土類似算盤珠之物。此城是北宋大觀二年(1108年)因黃河改道被淹沒的,發掘時出土包括木桌、木椅在內的日用什物多件。這枚木珠直徑2.11厘米,中有孔,但其孔略近三角形;所以有人認為它就是算盤珠。也有人對這兩個例子都表示懷疑。

在這裏還應當說明的是,籌算時代的算籌也可以布列在“算盤”上。盤上畫有方格,置於個位者是個位數,置於十位者是十位數,空位不置籌。見明·吳敬《九章詳注比類算法大全》(1450年)。此“算盤”是布籌所用,但也有在裏麵放算珠的。《算法統宗》卷末所載《算經源流》中,有一個宋、元、明三代數學著作的書目,其中有《盤珠集》和《走盤集》兩種,記為宋代的著作。從書名看,當與一種珠算算法有關,但二書今已失傳。又東漢·徐嶽《數術紀遺》中曾說:“珠算控帶四時,經緯三才。”甄鸞注:“刻板為三分,位各五珠,上一珠與下四珠色別。其上別色之珠當五,其下四珠各當一。”這種珠算仍是籌算時的輔助用具。木板隻分了格,很難說清它的運算方法。但其上一珠當五,則與籌算布籌時之“滿六以上,五在上方”相一致,而此製正為後來的算盤所繼承。故早期的珠算雖然沒有實物流傳,也不知其詳,卻無疑應是後來的算盤的先導者。可是從另一方麵也應看到,籌算和珠算隻求快捷,不留算草,以致抽象化的數學語言在我國未能充分發展,則是其不足處。

下麵說說天文曆法方麵的器物。

我國古代對於物候和以天象為標誌的農時非常重視,即所謂觀象授時。在對天象的觀測中,出現得最早,沿用得也最久的測象儀器是圭表。表是立於地麵的標杆,圭是平置的尺。表放在圭的南端,二者互相垂直。每當正午時,表影就落在圭麵上。太陽雖然每天東升西落,但在不同季節,出沒的方位和正午的高度是不同的,並有著周期變化的規律。用圭表測量、比較和標定日影的周日、周年變化,可以定方位、測時間、劃分季節,求得周年常數,進而製定曆法。圭表作為傳統天文學的一項主要觀測手段,從上古一直使用到清代。因此,中國古天文學或被稱為靠測影起家。

遠在西周初年,我國已有用圭表進行觀測的記事。《逸周書·作雒》說:“周公將致政,乃作大邑成周於土中。”這裏說的是周公為成王在洛陽地區營建成周城的事。城址選擇在“土中”,土中又稱“地中”。《周禮·地官·大司徒》:“日至之景,尺有五寸,謂之地中。天地之所合也,四時之所交也,風雨之所會也,陰陽之所和也。然則百物阜安,乃建王國焉。”鄭眾注:“土圭之長尺有五寸。以夏至之日,立八尺之表,其景適與圭等,謂之地中。”也就是說表高八尺,夏至這天中午影長為一尺五寸之處,就是地中。陝西寶雞所出《何尊》的銘文稱,成王“初遷宅於成周”時說,武王滅商後曾言:“餘其宅茲中國。”意思是要建都於天下的中心。這個中心既叫土中、地中,也叫中國,認為其自然條件無比優越。我們中國的名稱就是從這裏來的。

表高八尺,這個數值後來長期沿用。古代為什麼選用這樣一個數值呢?看來與人體的高度有關,古人大約是從觀測自己的身體的影子開始這項活動的。商和西周時,尺度短小,男子的身高約合當時的一丈,故有“丈夫”之稱。東西周之交,尺度加長,身高約合八尺;表高八尺大概就是這時定下來的。東周末以至秦漢時,一尺的長度已增到23厘米左右,所以就稱為“七尺之軀”了。

表高八尺,這是一個適中的數值。因為從理論上講,以圭表測影之法求二至,是能夠得出準確的結果的。但在實際觀測時卻遇到困難。正如清·江永所說:“測影之臬,不可過短,過短則分寸太密而難分;過長則取景虛淡而難審。”表低了,投影也短,長度量不精確;表高了,則影端虛淡,也不好測量。正式觀測所用之表,高度多為八尺。晉·郭延生《述征記》說,長安靈台之銅表“高八尺”(《三輔黃圖》卷五引),即是一例。

現存最早的圭表是1965年在江蘇儀征石碑村1號東漢墓出土的,銅質,表高19.2厘米,即漢尺八寸。它是當時正式的圭表縮小到1/10倍的袖珍件。雖然因為尺寸小,精度不高,但它把圭表合為一體,便於攜帶,是圭表的使用已相當普遍後的產物。而且由於它的表高正是八尺的1/10,也可以反證出漢代用八尺之表的記載是可信的。

我國古代以圭表測影之最重要的遺跡是河南登封的“測景台”,位於縣城東南15公裏的告成鎮(古稱陽城),相傳這裏就是周公測日影之處,至今仍保存著唐開元十一年(723年)南宮說所立“周公測景台”石表。因為這裏是所謂“地中”,千百年來,我國的天文工作者曾長期在此進行觀測。現存的測景台是元代郭守敬於至元年間(1294年前後)主持修建的。台高9.46米,台前有31.19米的石圭,俗稱“量天尺”,它實際上就是一座巨大的磚石結構的圭表。儀征銅圭表是八尺之表縮小到1/10,測景台卻將它放大了五倍,表高增為四十尺。這樣,“舊一寸,今申而為五,厘毫差易分別”(《元史·天文誌》)。但表影模糊的老問題卻更突出了。如何解決呢?郭守敬采取了一係列很巧妙的方法。首先,他不再測表端之影,而把表端改為由二龍“上擎橫梁”;日光照射橫梁的投影比表端投影易於分辨。其次,他在圭麵上加了一個叫“景符”的部件。此物用銅片製作,“中穿一竅,若針芥然”。日光通過針孔投射到圭麵上,大小“僅如米許”,其中橫梁的投影細如發絲,十分清晰。景符是利用光學中微孔成像的原理來顯示橫梁的投影,類似近代儀器中的微讀裝置。在郭守敬修建的這座測景台上,景符的設計是一個重大的突破。用這種方法測影,精確度可以達到±2毫米以內,相當太陽天頂距誤差的1/3角分;比此台建成後三百年內西方最精密的天文測量還要精確,其成就可以說是達到了人類用圭表測影的峰值。