古代探索宇宙的故事

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古代探索宇宙的故事
祖冲之,字文远,范阳郡遒县（今河北涞源）人.公元429年生于建康（今江苏南京）一个官宦人家,虽原籍北方,但几代祖先都在江南做官且通晓历法.祖父掌管土木工程建筑,父亲也学识渊博.他从小有机会接受家传科学知识,青年时代进入专门研究学术的华林学省学习研究.祖冲之曾作过州从事史,公府参军,县令,最高官至长水校尉,享受四品俸禄,公元500年去世.
祖冲之是中国古代一位伟大的数学家和天文学家,生平著作很多,内容也是多方面的.在数学方面的论著,不幸均已失传.在历代国内外的各种图书目录中,可以见到他所写的数学著作的书名有“缀术”6卷,“九章算术义注”9卷,“重差注”1卷.在天文历法方面,他编制成“大明历”,并为大明历写了“驳议”.在古代典籍的注释方面,祖冲之有“易义”、“老子义”、“庄子易”、“释论语”、“释孝经”等著作,但亦均失传.文学作品方面他著有“述异记”10卷,在“太平御览”等书中可以看到这部著作的片断.
从青年时起,祖冲之便对天文学和数学发生了兴趣.他把从上古时起直至他生活时代的各种文献、记录、资料,几乎全部搜罗来进行研究,并且亲自进行精密的测量和仔细的推算.正像他自己所说的那样,“亲量圭尺,躬察仪漏,目尽毫厘,心穷筹策”.他对刘歆、张衡、郑玄、阚译、王番、刘徽等科学家的工作进行了仔细研究,一一驳正了他们的错误,导出了许多极有价值的结果.准确到7位有效数学的园周率数值便是人所共知的例子.
园周率π的计算,标志着一个国家和民族的数学水平.中国古代也和世界上任何文化开发较早的国家和地区一样,人们最早使用的园周率是3.这一误差很大的数值一直沿用到汉代.入汉以后,对园周率的改进吸引了不少科学家的注意,都作了一些工作.最为重要的是魏晋时期的数学家刘徽,他用“割园术”计算出的园周率为3.14.
关于祖冲之在园周率方面的工作,其史料仅见于《隋书·律历志》中还记载说,祖冲之还给出了园周率的两个近似分数值：
密率：π=355/113,小数点后6位准确,
约率：π=22/7,小数点后2位准确.
在欧洲,1100多年后才算得355/113这一数值,被称为“安东尼兹率”.日本数学家三上义夫在1912年提出应称π=355/113为“祖率”.
关于祖冲之是如何算得如此精密的结果,没有任何史料流传下来,这是非常遗憾的.不过根据当时的情况判断,祖冲之用的仍是刘徽的“割园术”.果真如此的话,祖冲之需要计算出园内接正12288边形和正24576边形的面积,要进行加、减、乘、除、开方等运算达130次以上,每次运算都要精确到9位数字,可以想象,在当时用罗列算筹来计算,是需要何等的精心与超人的毅力. 关于球体体积的计算,是祖冲之及其儿子祖（日桓）在数学方面又一项了不起的成就.祖氏父子根据刘徽在“九章算术注”中担出的正确方法,求得了球体体积公式
球体积=4/3πγ3.
在导出球体积公式的过程中,祖氏父子总结出了所谓的“祖氏原理”.在西方这一原理被称为“卡瓦列里原理”,但它的发现者意大利数学家卡瓦列里（B．Cavalieri 1598～1647）比祖氏父子要晚1100多年.
祖冲之在天文历法方面的成就,大都包含在他所编制的大明历和为大明历所写的“驳议”中.祖冲之通过精密的观察测量,发现当时奉行的由前辈著名天文学家何承天所编制的元嘉历有不少错误,于是着手编制大明历,公元462年编成,时年只有33岁.祖冲之对历法的编制做出了很多创造性的贡献,大明历是这个时代一部最好的历法,但是却遭到皇旁宠臣的反对.直到祖冲之死后10年,由于他儿子祖（日桓）的坚决请求,经过实际天象的校验,大明历才得以正式颁行.
东汉时期,也就是距今约一千八百多年前(公元117年),一台利用水力推动运转的大型天文仪器――“水运浑象”在东汉的京都洛阳制造成功.相隔二十年后(公元138年),安置在京都洛阳的又一台仪器――“候风地动仪”,准确地报告了西方千里之外发生的地震.这标志着人类开始了用仪器记录研究地震的新纪元.
这两台著名仪器的发明者就是张衡——我国东汉时期伟大的科学家、文学家.张衡对中国古代的天文学、地震学和机械力学作出了杰出的贡献,传说他还制造过指南车、记里鼓车等,因其机械制造水平很高,被尊称为“木圣”.
张衡生平
张衡,字平子,章帝建初三年(公元78年),诞生于南阳郡西鄂县石桥镇一个破落的官僚家庭(今河南省南阳市城北五十里石桥镇).祖父张堪是地方官吏,曾任蜀郡太守和渔阳太守.张衡幼年时候,家境已经衰落,有时还要靠亲友的接济.正是这种贫困的生活使他能够接触到社会下层的劳动群众和一些生产、生活实际,从而给他后来的科学创造事业带来了积极的影响.
当时的南阳是经济和文化都很发达的地区,有“南都”之称.张衡在这样的环境熏陶下,加上他自幼刻苦好学,在青少年时代就已经为后来从事文学和科学事业打下了良好的基础.
由于家中的经卷典籍慢慢地不能满足张衡的求知欲望了,于是从十六岁开始,他便离乡游学,广结学者名流.他曾到汉朝故都长安一带,游览了当地的名胜古迹,考察了周围的山川形势、物产风俗、世态人情.后来他又到了当时的首都洛阳,就读于最高学府——太学.并成为学识比较渊博的学者.当时,地方上曾经推举他做“孝廉”,公府也多次招聘他去做官,但都被他拒绝了.
张衡自幼就对文学有特殊的爱好和研究.他的文学作品很多,风格也各不相同.有的形式短小,重在抒情,如《归田赋》.有的气势磅礴,广写景物,如《二京赋》；有的特色突出,独树一格,如《四愁诗》、《同声歌》等.
和帝永元十二年(公元100年),二十三岁的张衡应邀回乡出任南阳太守鲍德的主簿,掌管文书工作.并在办理政务之余,潜心于文学创作.他以游学长安和洛阳的见闻作为素材,先后花了十年功夫,精心雕琢、反复修改,于安帝永初元年(公元107年)写成著名的《东京赋》和《西京赋》,总称为《二京赋》,为人们广为流传,他画的画也很出色.
后来,鲍德调任,张衡便辞职回家.掌握朝政的皇亲邓骘为了笼络士人,几次派人邀请张衡作他的幕僚,以增强自己这一派的势力.但张衡一方面厌恶外戚专权,一方面想专心钻研学问,都坚决地拒绝了.
在张衡三十四岁的时候,他的研究兴趣逐渐转到哲学和自然科学方面.他很喜爱扬雄的哲学著作《太玄经》.《太玄经》的内容涉及天文、历法、数学等方面,引起了他很大的兴趣.《太玄经》里的一些朴素的唯物主义观点也给了张衡以很大的启发.
安帝永初四年(公元111年),张衡应征进京,先后任郎中、太史令、公车司马令等低、中级官职.其中担任太史令时间最长,前后达十四年之久.太史令是主持观测天象、编订历法、候望气象、调理钟律(计量和音律)等事务的官员.在他任职期间,对天文历算进行了精湛的研究,做出了重大的贡献.
汉朝时,关于天体运动和宇宙结构的学说已经出现了三种：盖天说、浑天说和宣夜说.盖天说又称天圆地方说,认为天是圆的,像一把张开的伞,地是方的象一个棋盘；浑天说认为天地的形状像一个鸡蛋,天与地的关系就像蛋壳包着蛋黄；宣夜说认为天没有一定的形质,日、月、五星(金、木、水、火、土五大行星)等都飘浮在气体中.
张衡根据自己对天体运行规律的认识和实际观察,认真研究了这三种学说,认为浑天说比较符合观测的实际.他继承和发展了前人的浑天理论,大胆地对天象提出了许多新的见解.
张衡在西汉耿寿昌发明的浑天仪的基础上,根据自己的浑天说,创制了一个比以前都精确、全面的多的“浑天仪”.创制了一个能够精确在表演浑天思想的“浑天仪”.
浑天仪是一个可以转动的空心铜球.铜球外表刻有二十八宿和其他一些恒星的位置；球体内有一根铁轴贯穿球心,轴的两端象征北极和南极.球体的外面装有几个铜圆圈,代表地平圈、子午圈、黄道圈、赤道圈,赤道和黄道上刻有二十四节气.凡是张衡当时知道的重要天文现象,都刻在了浑天仪上.
为了使“浑天仪”能自动转动,张衡又利用水力推动齿轮的原理,用滴壶滴出来的水力推动齿轮,带动空心铜球绕轴旋转.铜球转动一周的速度和地球自转的速度相等.这样,人们坐在屋子里,便能从浑天仪上看到天体运行的情况了.
从公元89年到140年,东汉都城洛阳和陇西一带,共出现过三十三次地震.特别是公元119年,洛阳和其他地区连续发生了两次大地震,促进了张衡加紧对于地震的研究.他终于在公元132年,发明并制造出了我国第一架测报地震的仪器——地动仪.
张衡制造的这台地动仪,相当灵敏准确.公元138年的一天,地动仪精确的测知距离洛阳一千多里的陇西发生地震,表明他的精密程度达到了相当高的水平.欧洲在1880年才制造出类似的地震仪,距张衡已经晚了一千七百多年.
在气象学方面,张衡还创造了一种测定风向的仪器——侯风仪,又叫相风铜鸟.是在一根五丈高的杆顶安放一只衔着花的铜鸟,可以随着风向转动.鸟头所对的方向就是风向.这个仪器和欧洲装在屋顶上的候风鸡相似,但是后风鸡是在十二世纪才出现的,比起张衡的候风仪晚了一千年.
张衡一生为我国的科学文化事业作出了卓越的贡献,是我国古代伟大的科学家之一.他谦虚谨慎、勤学不倦.“如川之逝,不舍昼夜”,几十年如同一日,在所从事的事业中表现出了一丝不苟、精益求精、不畏强权、勇于进取的研究风格.而他不慕名利的高尚品德更值得我们学习.
永和四年(公元139年),张衡请求告老还乡不准,又被调到朝中做尚书,但只任职一年就与世长辞了,终年六十一岁.
《灵宪》
张衡一生所著的天文学著作,以《灵宪》最为著名.这是一部阐述天地日月星辰生成和它们的运动的天文理论著作,代表了张衡研究天文的成果.它总结了当时的天文知识,虽然其中也有一些错误,但还是提出了不少先进的科学思想和独到见解.
例如,在阐述浑天理论的时候,虽然仍旧保留着旧的地平概念,并且提出了“天球”的直径问题,但是张衡进一步明确提出在“天球”之外还是有空间的.他说：“过此而往者,未之或知也.未之或知者,宇宙之谓也.宇之表无极,宙之端无穷”.就是说,我们能够观测到的空间是有限的,观测不到的地方是无穷无尽,无始无终的宇宙.这段话明确地提出了宇宙在时间和空间上都是无穷无尽的思想,是十分可贵的.
张衡在《灵宪》中指出月亮本身并不发光,月光是反射的太阳光.他说“夫日譬犹水,火则外光,水则含景.故月光生于日之所照,魄生于日之所蔽；当日则光盈,就日则光尽也”(景就是影,魄指月亮亏缺的部分).他生动形象地把太阳和月亮比做火和水,火能发光,水能反光,指出月光的产生是由于日光照射的缘故,有时看不到月光,是因为太阳光被遮住了.他这种见解在当时是十分新鲜的,也是正确的.
同时,张衡还进一步解释了月食发生的原因.他说：“当日之冲,光常不合者,蔽于地也,是谓暗虚.在星则星微,遇月则食.”这段话的意思是：“望月”时,应该能看到满月,但是有时看不到,这是因为日光被地球遮住的缘故.他将地影的暗处叫做“暗虚”,月亮经过“暗虚”时就发生月食,精辟地阐述了月食的原理.至于“在星则星微”一句,说的是星星碰上“暗虚”就隐而不见了.
现在看来这种说法是不正确的.由于星星距地球极为遥远,又大都是发光的恒星,不象月球一样属于行星,因此没有任何一个星星会进入地球的影子之中而失去了光芒.这是张衡的不足之处.这也可以看出在当时的水平下,古人的研究不可能作到尽善尽美.今人也一样,做任何事情的时候都不可能将事情作的绝对正确,但一定要最大程度的正确反映客观现实.
此外,张衡在《灵宪》中还算出了日、月的角直径,记录了在中原洛阳观察到的恒星二千五百多颗,常明星一百二十四颗,叫得上名字的星约三百二十颗.这和近代天文学家观察的结果是相当接近的.
在张衡的另一部天文著作《浑天仪图注》里还测定出地球绕太阳一年所需的时间是“周天三百六十五度又四分度之一”,这和近代天文学家所测量的时间365天5小时48分46秒的数字十分接近,说明张衡对天文学的研究已经达到了比较高的水平.
祖冲之,一行,郭守敬的生平介绍,主要功绩和发明,主要著