《中国通史》

第五卷 中古时代·三国两晋南北朝时期(下册)·第十五章 祖冲之、范缜、郦道元 第一节 祖冲之

  
第十五章 祖冲之、范缜、郦道元 第一节 祖冲之 家世与生平

  祖冲之(429—500),是南北朝时期杰出的数学家、天文学家和机械发明家。字文远,范阳郡遒县(今河北涞源)人,刘宋元嘉六年(429)生于建康(今江苏南京)。曾祖父祖台之,东晋时曾任侍中、光禄大夫等要职。祖父祖昌任刘宋大匠卿,是主管土木工程的官员。父亲祖朔之为奉朝请,学识渊博,很受时人敬重。祖氏家庭的历代成员有较高的科学素养,大都对数学和天文历法有所研究。祖冲之自幼受到科学气氛的薰陶和良好的家庭教育,青年时代曾到华林学省专门从事学术研究。后来步入仕途,先后在刘宋朝和南齐朝担任南徐州(今江苏镇江)从事史、公府参军、娄县(今江苏昆山)令、谒者仆射、长水校尉等官职。任职期间,曾写过《安边论》等讨论屯田、垦殖等方面应采取的政策的政论性文章。晚年,齐明帝曾令他巡行四方,兴造大业,以利百姓,但因发生战争而作罢。这时他已是风烛残年,老死将至,不久后即于南齐永元二年(500)逝世,享年七十二岁。

  祖冲之从很小的时候起便对数学和天文学产生了浓厚的兴趣。他“专功数术,搜炼古今”,广泛收集从上古时代起直到6世纪他生活的时代止的各种文献资料,进行了认真的考察。他还“亲量圭尺,躬察仪漏,目尽毫厘,心穷筹策”,在公余之暇坚持进行天文观测和数学计算,积累了大量的新资料。经过深入研究,他终于在数学、天文学和机械制造、交通工具等领域,获得许多极有价值的新成果,攀登上了他生活时代的科学技术高峰。

   关于圆周率的计算

  祖冲之在数学方面的突出贡献是关于圆周率的计算,确定了相当精确的圆周率值。中国古代最初采用的圆周率是“周三径一”,也就是说,π=3。这个数值与当时文化发达的其他国家所用的圆周率相同。但这个数值非常粗疏,用它计算会造成很大的误差。随着生产和科学的发展,π=3就越来越不能满足精确计算的要求。因此,中外数学家都开始探索圆周率的算法和推求比较精确的圆周率值。在中国,据公元1世纪初制造的新莽嘉量斛(亦称律嘉量斛,王莽铜斛,是一种圆柱形标准量器,现存)推算,它所取的圆周

  

  

  

  

  

  

  

  古率“周三径一”,精确度有所提高,其中

  

  

  的理论依据。在这方面最先取得突破性进展的是魏晋之际的数学家刘徽。他在《九章算术注》中创立了“割圆术”,为计算圆周率建立起相当严密的理

  

  

  =3.1416,都很精确,在当时世界上是很先进的,至今仍在经常使用。继刘徽之后,祖冲之则将圆周率推算到更加精确的程度。据《隋书·律历志》记载,祖冲之确定了π的不足近似值3.1415926和过剩近似值3.1415927,π的真值在这两个近似值之间,即3.1415926<π<3.1415927精确到小数7位。这是当时世界上最先进的数学成果,直到约一千年后,才为15世纪中亚数学家阿尔·卡西(Al—

  

  

  于他得到这两个数值的方法,史无明载,一般认为是基于刘徽割圆术。通过现代计算验证,如果按照割圆术计算,要得到小数7位准确的圆周率值,必须求出圆内接正12288边形的边长和24576边形的面积,这样,就要对9位数进行上百次加减乘除和开方运算,还要选择适当的有效数字,保证准确的误差范围。对于用算筹计算的古代数学家来说,这绝不是一件轻而易举的事情,只有掌握纯熟的理论和技巧,并具备踏踏实实和一丝不苟的研究精神,才能取得这样的杰出成就。祖冲之的这项记录在中国也保持了一千多年。中国古代数学家和天文学家还往往用分数表示常量的近似

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  德国数学家奥托(V.Otto,1550(?)—1605)和荷兰工程师安托尼兹(A.Anthonisz,1527—1607)分别得到,后通称“安托尼兹率”,但这已是祖冲之以后一千多年的事情了。自从我国古代灿烂的科学文化逐渐得到

  

  

  的杰出贡献。

   关于球的体积公式及其证明

  祖冲之的另一项重要数学成就是关于球的体积公式及其证明。各种几何体的体积计算是古代几何学中的基本内容。《九章算术》商功章已经正确地解决了棱柱、棱锥、棱台和圆柱、圆锥、圆台等各种几何体的体积计算问题。

  

  

  (d为球的直径),是一个误差很大的近似公式。东汉科学家张衡曾经研究了这个问题,他试图通过先求出球与外切正方体的体积之比然后再来计算球体积,但没有得到正确的结果。魏晋时的刘徽则将球体积问题的研究推进了一大步。他指出,《九章算术》少广章所说球与其外切圆柱的体积之比为π∶4,这一结论是错误的,并且说明球与外切于球的“牟合方盖”的体积之比才是π∶4(两个底半径相同的圆柱垂直相交,其公共部分称为“牟合方盖”,好像两把扣在一起且上下对称的正方形的伞)。因此,只要求出牟合方盖体积,就可推算出球体积。然而,刘徽始终未能求出牟合方盖体积,所以也未能解决球体积问题。他在《九章算术》少广章开立圆术的注释中说,“欲陋形措意,惧失正理,敢不阙疑,以俟能言者”,实事求是的提出问题,留待后人去解决,表现了一位杰出科学家的虚心和慎重的科学态度。以后又经过近200年,祖冲之及其子祖暅才对于这一问题取得了突破。祖冲之父子通过对牟合方盖水平截面面积的分析,判定它的体积等

  

  

  

  

  

  

  

  

  一个重要原理:“幂势不同,则积不容异”①,即二立体如果在等高处截面的面积相等,则它们的体积也必定相等。这个原理现常被称为“祖氏公理”。在西方,这个原理也是一千年后才由17世纪意大利数学家卡瓦列里(F.B.Cavalieri,1598—1647)提出来的,并被称为“卡瓦列里公理”。这个原理很重要,它是后来创立微积分学的不可缺少的一步。

  《隋书·律历志》在叙述祖冲之圆周率之后说他,“又设开差幂,开差立,兼以正负参之,指要精密,算氏之最者也”①。据考证,这可能是指开带从平方和开带从立方法,即解一般形式的二次方程和三次方程,其中各项系数可正可负,在当时中国乃至世界上,要解决这类问题都是比较困难的。但因祖冲之的解法早已失传,现已无法了解其具体内容。祖冲之及其子祖暅的数学成就总结在《缀术》一书中。唐显庆元年(656)国子监添设算学馆,规定《缀术》为必读的“十部算经”之一,学习期限为四年,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,被选作数学教育的教材。可惜的是祖冲之的这部数学专着早已失传,其具体内容已无法详知了。

   对天文历法的研究

  祖冲之对天文历法的研究早在青少年时代就已经开始了。经过多年的实际观测和反复推算,他发现当时行用的何承天《元嘉历》已经与实际天象不合。例如按《元嘉历》算出的冬至时太阳所在位置与实测结果已差3度,冬至和夏至时刻已差1天,五星出没时间差40天,等等。这种情况显然是必须加以改变的。因此,他着手编制了一部新的历法,即后世所称的《大明历》。祖冲之在天文历法方面的成就,大都包含在《大明历》和为《大明历》所写的“驳议”之中。按祖冲之的自述,《大明历》“改易之意有二,设法之情有三”。所谓“改易”是指在历法计算中引进岁差和对闰周的改革,这是中国历法史上的重大进步,对后世产生了深远的影响。所谓“设法”是指推算上元积年时增加了一些条件,如甲子年,十一月初一为甲子日,日月合璧,五星联珠等,这在数学上对于同余式解法的研究有所推动,但对于历法的发展并没有太大的意义。

  祖冲之《大明历》的重要贡献是在历法计算中首先考虑了岁差的影响。冬至时刻太阳在黄道上的位置叫做冬至点。中国古代的天文学家最初认为,太阳在黄道上运行,从冬至点开始经过一个回归年又回到原来的冬至点,也就是说,冬至点是固定不变的。实际上,冬至点在恒星间的位置并不是固定不变的,它在星空中有极缓慢的移动,每年的移动值就叫做岁差。早在战国时期,中国天文学家把冬至点确定在牵牛初度,如当时行用的一种历法《颛顼历》,其冬至点距牛宿距星的赤道宿度不到1度。西汉末年刘歆发现当时的冬至点已经不在牵牛初度,而是在牛宿以西靠近斗宿的建六星附近。东汉天文学家贾逵、编䜣、李梵、刘洪等,通过实际观测和推算,进一步肯定了冬至点位置的变化,并指出当时的冬至点既不在牵牛初度,也不在建星附近,而是在斗21度。但他们并没有深究其中的规律,也没有认识到这一变化对于历法计算的影响。魏晋以后,天文观测日趋精密,对岁差现象的探讨也有所前进,其中最突出的就是东晋天文学家虞喜。虞喜认识到经过一个回归年之后,太阳并未在天上走一周天而回到原处,而是“每岁渐差”,明确指出了岁差现象,并提出“天自为天,岁自为岁”的新观点。他还给出了50年差1度的岁差值。其后何承天又给出了100年差1度的岁差值。但虞喜和何承天还都没有在历法中考虑到岁差。祖冲之不仅肯定了岁差现象的存在,指出“冬至所在,岁岁微差”,而且最早把岁差作为一个重要因素应用到历法计算中去,这对于提高所编制的历法的精度,是有重要作用的,并为后世历家所遵循。据《隋书·律历志》记载,祖冲之经实测确定当时冬至点已移到斗15度,经与后秦姜岌的观测值比较,发现不到百年冬至点已移动了2度,因而定岁差为45年11月差1度,并用于历法计算。根据现代观测,冬至点大约每年沿黄道西移50.2秒,换算成赤经则为大约78年西移1°,由此可知,虞喜、何承天与祖冲之的岁差值与实际值相比,还有较大的误差。尽管如此,岁差现象的发现,将太阳在黄道上运行一周的恒星年与反映四季变化周期的回归年这两个概念区别开来,并将岁差应用到编制历法中去,仍是中国历法史上具有划时代意义的重大进步。

  祖冲之《大明历》中另一项重要贡献是关于闰周的改革。中国古代天文学家长期采用19年7闰的闰法,用以调整回归年与朔望月的关系。北凉天文学家赵■首先提出600年间置入221个闰月的新闰周。但直到南朝何承天编制《元嘉历》时,仍未能接受改革闺周的新思想。祖冲之认为19年7闰确实不够精密,因而在他所编制的《大明历》中大胆地采用了改革闰周的思想,提出391年置入144个闰月的新闺周,突破了已经沿袭千年的闰法。祖冲之的这一数据,在相当长的时间内都是诸家历法中最好的结果。除引进岁差和采用新闰周外,祖冲之在《大明历》中还提出了交点月的概念并给出了交点月的数值。交点月的发现对于推算日食和月食发生的时间和位置等都有很重要的作用。根据《大明历》的数据推算,其交点月长度为27.21223日,与今测值27.21222日仅差十万分之一日。祖冲之还改进了前代关于木星公转周期的数值,得出木星(当时叫岁星)每84年超辰一次的结论,这相当于求出木星公转周期为11.858年,与今测值相同。他所采用的其他天文数据也都是相当精确的,如近点月为27.554688日,与今测值相差不到十万分之十四日;回归年长度为365.2428日,与今测值只差万分之六日;五大行星会合周期的数值也很精确,其中误差最大的火星也没有超过百分之一日,误差最小的水星已经接近与今测值相合。此外,他还发明了用圭表测量冬至前后若干天的正午太阳影长以定冬至时刻的方法,这个方法也为后世长期采用。

  《大明历》中有很多创造性的贡献,是当时最优秀的一部历法。祖冲之于宋孝武帝大明六年(462)上书刘宋政府,请求对新历进行讨论,予以颁行。但因遭到皇帝宠臣戴法兴的反对,参与讨论的人又畏惧戴法兴的权势,多所附合,所以尽管祖冲之写了一篇有理有据的辩驳文章,事情仍然拖了下来。等到大明八年,孝武帝打算于次年改元颁用新历时,却因孝武帝的去世而作罢。南齐武帝时,文惠太子萧长懋见到祖冲之《大明历》,曾建议齐武帝施行,后又因文惠太子的去世而被搁置起来。直到祖冲之去世后,他的儿子祖暅又于天监三年、天监八年和九年三次上书,请求梁朝政府颁行。经过实际观测检验,证实新历为密,这部当时最好的历法才在梁天监九年(510)正式颁用,实现了祖冲之的遗愿,但这已是祖冲之死后10年,《上大明历表》以后半个世纪的事情了。

  在祖冲之上书请求颁行《大明历》后,太子旅贲中郎将戴法兴曾对祖冲之和《大明历》进行了激烈的攻击。思想保守的戴法兴认为,历法中的传统方法是“古人制章”,“万世不易”①的,他责骂祖冲之引进岁差,改革闰周等都违背了儒家经典,是“削闰坏章”,“诬天背经”,宣扬天文历法“非凡夫所测”,“非冲之浅虑,妄可穿凿”。祖冲之则针锋相对地写出了一篇辩驳的奏章(现称“驳议”,亦有些学者称之为“驳戴法兴奏章”)。在“驳议”中,祖冲之用观测事实证明,由于岁差,当时所见的天象确实已和儒家经典中所反映的春秋以前的情况不同,而回归年的长度也的确比《四分历》要小。这类天文事实“非出神怪”,都是“有形可验、有数可推”的,只要进行精密的观测和研究,完全可以掌握日月五星的运行规律。“艺之兴因代而推移”,前代天文学家能够有所发现,有所前进,符合实际情况,得到人们的赞同。那么完全可以在前人的基础上“累功而求密”,因此,不应该“虚推古人”,“信古而疑今”,假如“古法虽疏,永当循用”,那还成什么道理!他在“驳议”中还写下了两句名言:“愿闻显据,以核理实”,“浮辞虚贬,窃非所惧”。为了明辨是非,他愿意彼此拿出明显的证据来相互讨论,至于那些捕风捉影毫无根据的贬斥,他丝毫也不惧怕。“驳议”是科学史上的名篇。这篇理直气壮,语句铿锵和才华横溢的论文,充分显示了祖冲之的实践精神,批判精神,创造精神以及实事求是和敢于坚持真理的可贵品质,这也是古往今来一切杰出科学家所共有的科学精神。当然,事物都是一分为二的。戴法兴虽然是骄纵专断的权臣,但他也是颇知古今的好学之士,因此他的看法也有一些可取之处。祖冲之是一位杰出的天文学家,但他也有缺点。例如关于上元积年问题,杨伟《景初历》和何承天《元嘉历》都有比较简单的处理方法,可是祖冲之却把诸如近点月、交点月以及五星运动周期等都列入了他的上元积年的考虑因素之内,以至把过去已经很复杂的上元积年计算搞得更复杂,所得数据也格外庞大。戴法兴的批评中就提到了这一点,并且指出要“省功于实用,不虚推以为烦也”,这种看法无疑是很正确的。

   对多种机械的研究

  祖冲之是一位博学多才的科学家,对于各种机械也有研究。他曾经设计制造过水碓磨(利用水力加工粮食的工具),铜制机件传动的指南车,一天能走百里的“千里船”以及类似于木牛流马的陆上运输工具。他还设计制造过漏壶(计时器)和巧妙的欹器。此外,祖冲之也精通音律,还写过小说《述异记》10卷。祖冲之着述很多,《隋书·经籍志》记载有《长水校尉祖冲之集》51卷,散见于各种史籍记载的有:《缀术》,《九章算术注》,《大明历》,《驳议》,《安边论》,《述异记》,《易老庄义》,《论语孝经释》等。但其中绝大部分着作都已失传,现在仅能见到《上大明历表》、《大明历》、《驳议》、《开立圆术》等有限的几篇,《太平御览》中还收有《述异记》的片断。为了纪念和表彰祖冲之在科学上的卓越贡献,人们建议把密

  

  

  “祖冲之星”,莫斯科大学里刻有世界着名科学家的雕像,其中就有祖冲之的雕像,中国历史博物馆等许多博物馆都有祖冲之的雕像或画像,在月球背面也已有了以祖冲之名字命名的环形山。

  祖冲之之子祖暅,字景烁,也是南北朝时期的着名数学家和天文学家,曾任梁朝员外散骑侍郎、太府卿、南康太守、材官将军、奉朝请等官职。在战乱频繁的年代里,祖暅的生活很不安定也不顺利,甚至坐过监狱,当过俘虏,但他始终没有放弃数学和天文学的研究工作。祖暅是祖冲之科学事业的继承者。在数学方面,他与父亲共同解决了球体积的计算问题,并提出了“幂势既同,则积不容异”的原理,现在称为“祖氏公理”或“祖暅公理”。数学名着《缀术》很可能是这父子两人共同劳动的成果。在天文历法方面,他三次上书梁朝政府建议改用《大明历》,终于被采纳颁行。他还曾亲自监造八尺铜表,测量日影长度,并发现北极星与北天极不动处相差1度有余,纠正了北极星就是北天极的错误观点。出于研究天文和准确计时的需要,他还研究与改进过当时通用的计时器漏壶,并撰有《漏刻经》1卷,现已失传。晚年曾参加阮孝绪编着《七录》的工作,负责天文、星占、图纬等方面的古籍。他还着有《天文录》30卷,也已失传,仅存若干片断,散见于唐瞿昙悉达修撰的《开元占经》等书中。祖暅之子祖皓,少传家业,也精通数学和天文学。梁朝时曾任江都令,广陵太守,深受百姓爱戴。侯景之乱时被俘,惨遭杀害。这个世代相传成绩卓着的科技世家至此也就无以为继了。

  

  ①《九章算术》少广章开立圆术李淳风注。

  ① “负”字原着为“员”,此据钱宝琮主编《中国数学史》校改。

  ①此段引文均见《宋书·律历志下》。

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