東方的天地智慧

東方的天地智慧(2007-03-30 00:07:27)中國是天文科學最早萌發的國家之一，他們很早就懂得通過天文觀測來確定季節、時間和方位。　　大約在4500年以前，人們就從東、南、西、北四個方向觀察天象，後來又懂得了用星宿 （亮星）的位置來確定播種的季節，通過天文觀測和農耕的實踐逐步懂得四季的劃分。　　古人對農時的推算和掌握，也逐步從經驗中提升出來。在堯帝時就有了初步的曆法，史書曾記載堯派人觀測天象、制定曆法、預報季節的情況。　　到了夏朝時，就有了專管天文的官員。公元前24世紀中國夏朝發生了一次戰爭，夏朝皇帝仲康下令讓胤國之君為主帥去征討羲氏、和氏兩個人。　　仲康征討羲、和二人的原因是：二人沉湎於酒，玩忽職守，使時間發生了錯誤，所掌握日月不夠準確。結果「廢時亂日」，「昏迷於天象」，本應預報的日食沒有報准。　　依照夏朝之法，預報早於或晚於日食發生時間，均要受到殺頭的嚴厲制裁。可見，當時的中國在天文學上的成就了。　　在這時，人們已經能夠靠北斗星來確定方位，用其他恆星確定季節，甚至在原始山洞的石壁上面，就畫有大熊星座 （北斗星）的圖畫。　　早在夏代，就出現了天干記日法，用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸十個天干進行十進位的記日，把十天分為一旬。　　而到了商代，就出現了干支記日法，用十個天乾和十二地支相互配合組成甲子、乙丑、丙寅等六十干支。這標誌著六十進位的形成。到了周代，又出現了用圭表測日影來確定冬至、夏至的時刻，同時還用12地支把一天分為12時辰。　　商、西周時期對天文觀測已十分重視，考古學家證明，公元前13世紀的甲骨卜辭中就有了月食、新星爆發的記載。《詩經》中就開始提到28宿的名字。其中有好幾處描述過金星，金星又叫啟明星，長庚星等。　　到了春秋戰國時期，天文學有了比較大的發展。如甘德、石申分別著有　　《天文星占》和《天文》等書，書中記載了數百顆恆星的方位。　　甘、石二人還發現了行星的順行和逆行，並測得了火星的運行周期為1.9年，現在測得是1.88年；木星為12年，現在測得是11.86年。可見當時天文學已發展到一定的高度。　　在長沙馬王堆出土的帛書《五星占》中，記錄了從公元前246年到公元前177年間木星、土星和金星的位置和它們在一個會合周期內的動態表。　　金星會合周期為584.4日，比現在測得值僅小0.48日；　　土星會合周期為377日，比現在測得值小1.09日。　　在《春秋》一書中，共記載了37次日食，這是世界上最早的科學的天象記錄。魯文公14年（前613）就有「星隕如雨」的記載，這也是最早的關於隕石雨的記載。　　關於彗星的觀測，《春秋》中也有記載：魯文公14年，「『秋七月』有星索入北斗。」這是世界上最早的一次關於哈雷彗星的記錄。　　上面這些都說明春秋戰國時，我國的天文觀測成就是很大的，同時也給後人留下了極為寶貴的資料。　　和春秋時期天文學相聯繫的是曆法，到春秋後期，採用了一年為365.25日，19年7閏，這種曆法叫古四分曆。古四分曆比真正的年長度每年多11分鐘。　　由於農業生產的需要，春秋戰國時期還逐步形成了對24節氣的劃分，平均15天設置一個節氣，這實質上是不自覺地根據太陽的位置和視運動來確定的一種曆法。　　到了秦、漢時期，我國的天文學的發展主要表現在三個方面，即天文觀測、天文理論和曆法。　　這個時期對天象觀測的記錄很多，其中最偉大的科學成就是關於太陽黑子的觀測。　　太陽黑子實際上是太陽表面漩渦狀的低溫區。我們知道，太陽是個熾熱的大火球，表面溫度也有6000°C左右。在這樣　　的溫度下，所有的物質都氣化了，分解為比較簡單的元素。　　在太陽燃燒的過程中，會產生局部的溫度不均勻區域，這些區域的溫度會低於附近區域的正常溫度而產生氣漩，這些氣漩產生後能存在一定時間，這就是太陽黑子。　　黑子並不是真正的黑色，只不過溫度低一點，看上去發暗罷了。現在世界上公認最早的黑子記錄，是中國西漢河平元年（前28年）三月所見的黑子現象。　　據《漢書·五行志》記載：「……日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。」這段文字把太陽黑子出現的時間、形狀、大小、位置都描述得十分清楚。　　其實，我國還有比這更早的黑子記載，早在公元前140年的《淮南子》一書中就有這樣的描述：「日中有 鳥。」所謂的「 鳥」也就是太陽黑子的形狀。　　古人們觀測太陽黑子，全靠目力。只有利用日赤無光、煙霧蔽日之際，或是太陽近於地平線，朦朧不清之中，以及利用盆中裝油使日影映於盆中的方法，才能觀望和記錄。　　從漢代後的1600多年裡，我國關於黑子的記錄超過100次。中國人的精確黑子觀測，得到了外國學者的讚揚。中國古人測天的精確，十分驚人。黑子的觀測，遠在西人之前大約2000餘年。　　的確，直到1610年，義大利天文學家伽利略才利用望遠鏡觀測到太陽上有黑斑這一現象，才在歐洲天文學界引起轟動。　　我國的祖先們不但記錄了最早的太陽黑子現象，而且還記錄了公元134年出現的新星，這是人類第一次對新星的記載。　　《後漢書·天文志》中還記載了公元185年出現超新星，「客星出南門中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至後年六月消」。　　中國歷史上在1700年以前曾有90個新星記錄，其中可能有11顆超新星，24史中有100多次太陽黑子記錄，這些極有價值的科學的天文記錄，都出於秦漢時期。　　秦漢時期對日食、月食、黑子、隕石雨、彗星、新星、超新星的記錄都比較全面而準確，反映了當時精細而高超的觀測水平。　　秦漢時期的天文科學理論在天文觀測的基礎上已經形成。當時的天文科學理論有三種：　　1.蓋天說。其系統化和數學化的論說則見於《周髀算經》。這一學說認為半圓形的天在上，拱形的大地在下，日月星辰附在有實體的天上，但不能轉到地的下面去。　　這一學說有許多自相矛盾之處，後來被天文觀測的事實所否定。　　2.渾天說。這一學說經耿壽昌、楊雄等人的努力，到張衡時就逐步形成了比較完善的理論。　　張衡認為：「渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞中黃，孤居於內，天大而地小，天表裡有水，天之包地，猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮。」　　他們還認為，無限的天體繞地球運行，「宇之表無極，宙之表無窮。」渾天說實質上是地球中心宇宙論。　　3.宣夜說。由東漢時期的郄萌加以系統化，他認為「日月眾星，自然浮生虛空之中，其行止皆須氣焉」。天是無限的「高遠無極」，各種天體靠氣的作用在無限的空間浮動。　　宣夜說缺乏對天體運動規律的具體說明，還只是一種猜測性的理論，所以它的影響不如渾天說。　　秦漢時期，天文學的觀測和理論成果主要用於制定和完善曆法體系，其次還用於占卜、算卦等。　　公元前104年，漢都城長安貼出了招募天文歷算家來京制歷的通告，接著從全國不少地方徵募到20多人，其中有鄧平、落下閎、唐都等人。　　他們在公孫卿、壺遂、司馬遷等人的主持下，討論制定了《大初歷》。這是我國流傳至今的第一部完整的曆法，於漢武帝太初元年 （前104）到東漢章帝元和2年 （公元85）間頒布實行。　　《太初曆》第一次以沒有中氣的月份為閏月，推算出135個朔望月有23　　43　　次食季的交食周期。它規定：一個月為29　　 天，平年 12個月，閏年加1月，　　81　　7　　　　　　　　　　　　　 385　　19年中加7個月。這樣計算，每年就是12　　 月，相當於一回歸年是365　　　天。　　19　　　　　　　　　　　　 1539這一曆法根據當時的天文知識，把月份、閏月、季節排布得非常合理，但用現代測量值來比較，回歸年的長度的誤差比較大。　　秦漢時期，在天文、曆法發展的同時，地學知識也逐步地發展起來，用于軍事目的的地圖和地形圖在中國出現得非常早。如在長沙馬王堆三號漢墓中曾出土三幅繪在帛上的地形圖、駐軍圖和城市圖。這些圖的比例在8萬至18萬分之一，畫得精細準確。　　秦漢時代典型的地理科學著作是《漢書·地理志》，全書分三部分，第一部分和第三部分記述了前人的地理學著作，由此可以看出中國地學研究的久遠歷史。　　第二部分記錄了漢代的疆域、行政區劃分，以及山地、河流、物產、水利工程、官辦廠礦、軍事要塞、廟宇、古迹等。此外還記載了湖泊、天然氣、鹽鐵礦等方面的詳細位置。這是一部科學價值很高的地學著作。　　與天文學和地學發展相聯繫的是氣象科學，由於農業生產和軍事活動的需要，人們日益注意天氣的變化，開始對雨量、風速和風向、濕度等進行定量測量。　　他們把風力分為8級：8級，拔樹；7級，折木飛沙；6級，折大枝；5級，折小枝；4級，墜葉；3級，搖枝；2級，鳴條；1級，葉動。　　他們創造性地發明了「懸炭識雨」的晴雨計，還用琴弦的弛張來測晴雨，王充《論衡》中說：「天且雨，琴弦緩。」　　王充和董仲舒等人還用水的循環和五行說解釋風、雲、雨、霧、雷、電、雪、雹的成因。上述事實，說明秦漢時期我國人民在勞動實踐中積累了相當的氣象科學知識。　　張衡與天文學　　張衡，字平子，東漢建初三年（78年）誕生於河南南陽郡西鄂縣石橋鎮的一個沒落的官僚家庭。祖父張堪是地方官吏，張衡幼年時期，家境已經衰落。　　但貧困的生活並未影響張衡對學業的進取，張衡學習十分勤奮，史書上形容他到了「如川之逝，不舍晝夜」的程度。加之南陽是經濟和文化都發達的地區，這樣的社會環境使他得以開闊眼界。　　只讀經卷典籍滿足不了張衡的求知慾望，從17歲開始，他便離開故里，踏上求師問學的旅途。　　他曾到漢朝故都長安一帶考察了兩三年，遊覽了當地的名勝古迹，考察了當地的山川形勢、物產風俗、世態人情，足跡遍及廣大的渭河平原。　　後來他又到了當時的京都洛陽，求知若渴的張衡進入了當時的最高學府——太學學習。他虛心好學，勤奮努力，進步很快，終於成為學識比較淵博的學者。　　這時候，地方上曾經推舉他做「孝廉」，公府也多次招聘他去做官，但他不為所動，一心扎進知識的海洋里。他對天文、地理、數學等無不潛心研究，在各方面均取得了很大成績，深得許多名士的讚許。　　和帝永元12年（100年），23歲的張衡為了謀生，應邀回鄉出任南陽太守的主薄，掌管文書工作。在這期間，他勸太守減輕對老百姓的剝削，還採取了一些發展農業的措施，所以南陽境內連年豐收。　　張衡在他29歲那年，完成了兩篇著名的文學作品：《東京賦》和《西京賦》。他以很大篇幅無情揭露諷刺了京師中帝王貴族「取樂今日，遑恤我後，既定目寧，焉知傾 」的腐朽寄生生活，受到了勞動人民的歡迎而傳誦於世。　　公元111年，張衡應徵進京，先後任郎中、太史令、公車司馬令等低、中級官職。其中擔任太史令時間最長，達14年之久。　　太史令是主持觀測天象、編訂曆法、候望氣象、調理鐘律等事務的官員，在他任職期間，對於天文歷算進行了精湛的研究，為天文學做出了重大的貢獻。　　我們前面說過，漢代已形成了三種關於天體運動和宇宙結構的學說，即蓋天說，渾天說和宣夜說。　　張衡根據自己對天體運行規律的認識和實際觀察，認真研究了這三種學說，認為渾天說比較符合觀測的實際，並在前人研究的基礎上，對渾天說加以修正和完善。　　在此期間，張衡創製了一個能夠精確地表演渾天思想的「渾天儀」，並且寫出了《靈憲》、《靈憲圖》、《渾天儀圖注》等天文學著作，成為渾天學說的代表人物之一。　　公元117年，一台利用水力推動自動連轉的大型天文儀器—－「水運渾象」 （即渾天儀）在京都洛陽製造成功。　　這台儀器的主體是一個大空心銅球，上面布滿了星辰，球的一半隱沒在地平下面，另一半顯露地面，就像人們看到的天穹一樣。　　儀器靠漏壺流水的力量推動齒輪系，帶動銅球緩慢地運轉著，一天旋轉一周。到了晚上，人們從儀器上可以看到星辰的起落，和實際天象完全相合。儀器的表演在當時引起了極大的轟動。　　渾天儀，類似於現在的天球儀。這台儀器用精銅做成，主體是一個球體模型，代表天球。球體可以繞天軸轉動，天軸與地球面有兩個交點，一個是北極，一個是南極。　　在天球的表面上遍列有28宿和其他恆星。球面上還有赤道圈和黃道圈，　　1兩者成24度夾角，分列有24節氣，從冬至起點，把圓周分為365 度。　　球體外面有兩個圓環，一個是地平圈，一個是子午圈，和地平斜交成36度，就是說北極高出地平36度，這是洛陽地區的北極仰角，也是洛陽地區的地理緯度。　　渾天儀是有明確記載的世界上第一架用水力發動的天文儀器，其中應用的齒輪系和凸輪機構在當時可以說是極其複雜的，渾天儀實質上可以認為是天文鐘。在1800多年前，我國能夠製造出這樣複雜而精巧的儀器，是很值得自豪的。　　張衡最重要的天文學著作是《靈憲》，它是一部闡述天地日月星辰生成和它們的運動的天文理論著作，代表了張衡在天文學中的豐碩成果。　　在《靈憲》中，他提出了一些獨到的見解。他指出，月亮並不會發光，月光是反射的太陽光。「月光生於日之所照，魄生於日之所蔽；當日則光盈，就日則光盡也。」　　張衡還在這部科學的著作中說明了月食的道理：「月光生於日之所照……當日之沖，光常不合者，蔽於地也，是謂暗虛，在星則星微，遇月則月食。」　　就是說：望月的時候，月光常常沒有了，這是因為被地影遮了的緣故。地影叫做暗虛，星碰上暗虛則變暗，月亮轉動到暗虛處，就發生了月食。　　此外，張衡還在《靈憲》中算出了日、月的視直徑，記錄了在中原洛陽觀察到的恆星2500顆，這與近代天文學家觀察的結果也是相當接近的。他還測出了地球繞太陽一年所需的時間是「周天三百六十五度又四分度之一」，和近代天文學家所測得的時間為365天5小時48分46秒這一數字極為接近。　　這時，張衡對天文學的研究已經達到很高的水平，可以說是前無古人，在當時的世界科學史上，無疑是一流的水平。　　在張衡造出渾天儀的同時，他還製造了一種可以顯示月相的儀器「瑞輪寞莢」，它與渾天儀聯動，從每月初一起，每天轉出一片木葉，可以反映出月亮的盈虧。它實際上是世界上最早的機械日曆。　　地動儀和候風儀　　東漢時期，我國的地震比較頻繁，據記載，從公元92年到125年間，共發生了26次比較大的地震。地震區有時大到幾十郡，引起地裂山崩，江河泛濫，房屋倒塌，給人民的生命財產造成很大損失。　　據說，有一年冬天，一團團陰慘慘的烏雲，在天空中沉重地、徐徐地移動。一小塊一小塊沉思般的冷冷的天空，不時地從烏雲縫裡向下探視。　　大地沉沒在泥濘和潮濕的空氣里，散落在各處的村落、河谷、遠方的森林和高山，像死一般蒼白，顯得十分悲慘。一些像死人眼睛般的黑黝黝的大水塘，在田野里閃閃發光。　　人們不知道，一場災難即將降臨。　　入夜，大地開始震顫，人們不知怎麼回事，用被子死死地蒙住頭，不一會兒，房屋開始搖晃。忽然狂風大作，一霎時，飛沙走石，撲天蓋地，地震來了。　　只聽得一聲聲巨響，牆倒屋塌，村莊頓時亂了套，雞飛狗跳，人聲哀叫。接著，狂風扯天扯地地疾走，四面八方的亂卷，扭折了樹枝。吹掀了屋草。　　慌亂中的人們不知所措，人們賴以躲藏的居住之地頃刻成了平地，砸死砸傷無數，那些僥倖從房中逃生的人又陷入寒冷之中。　　據統計，有一個村莊1600餘人，被房屋砸死900餘人，凍死餓死600餘人，只有10餘人的命得以保住，但也是奄奄一息了。　　作為一個關心國計民生的學者，張衡對地震有了不少親身體會，他不能對這滿目瘡痍的震後殘景熟視無睹。於是，他暗下決心，一定要製造出預報地震的儀器。　　經過長期研究，並汲取了當時民間預報地震的經驗，陽嘉元年（132年），張衡終於發明了世界上第一台測定地震方位的儀器——候風地動儀，在人類與地震的鬥爭史上，又寫下了光輝燦爛的一面。　　公元138年二月初三日，一台新安置的青銅儀器上正西方向的龍嘴中的小球突然「當」地落到了下面的銅製蟾蜍口中，於是發生了開頭敘述的一幕——千里之外的隴西地區發生地震。　　這台青銅儀器就是張衡製造的候風地動儀，人們通過它有史以來第一次準確地測知地震，開始了用儀器研究地震的新紀元。　　張衡的地動儀是以「精銅鑄成」，「圓徑八尺」，「形似酒樽」，上有隆起的圓蓋，儀器的外表刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形。　　儀器內部中央立著一根起慣性擺作用的銅質「都柱」，柱旁有八條通道，稱為「八道」。道中安有「牙機」，即控制含吐銅球的發動機關。　　儀器外面周圍鑄有八條龍，頭朝下，尾朝上，按八個方向排列，龍頭和內部通道中的發動機關相連，每個龍頭嘴裡都銜有一個銅球，隨時準備吐出。　　對著龍頭，八個銅蟾蜍蹲在地上，個個昂頭張嘴，準備承接銅球。當某個地方發生地震的時候，地動儀內部的「都柱」就發生傾斜，觸動「牙機」，使發生地震方向的龍頭張開嘴巴，吐出銅球。　　當銅球與銅蟾蜍相碰的時候，會發出很大聲響。於是人們便知道哪個方向發生地震。史書記載說：「一龍發機，而七首不動。尋其方向，乃知震之所在。」　　張衡地動儀的製造成功，是世界地震史上的一件大事。它是利用物體的慣性來拾取大地震震波，進行遠距離測量的，這個原理到現在仍然沿用。　　在國外，過了1000多年，直到13世紀，古波斯才有類似儀器在馬拉哈天文台出現，18世紀，歐洲才出現利用水銀溢流出來記錄地震的儀器。這是後話，暫且不提。　　渾天儀和候風地動儀是張衡的兩大發明創造，但是他的貢獻並不止這些。他是個博學多能，全面發展的科學家。　　除上述成就外，他在數學方面也很有研究，他算出來圓周率比10的平方根3.16多一點兒。現在看來，這個數字不夠精確，可是印度和阿拉伯的數學家算出同樣的結果來，比他晚了400年到600年。　　張衡還創造了世界上第一架觀測氣象的儀器——候風儀。他在五丈高的桿頂上安一隻銜著花的銅鳥，可以隨著風轉，鳥頭正對著風來的方向。　　這架儀器和歐洲裝在屋頂上的候風雞相仿，但是歐洲到了12世紀才有候風鳥的記載，比張衡晚了1000多年。張衡還造成了當時只是在傳說中有過的指南車和記里鼓車。　　對於張衡的成就，漢代崔瑗就作出了公正的評價：「數術窮天地，製作侔造化。瑰辭麗說，奇技偉藝；磊落煥炳，與神合契。」　　在我國河南南陽縣石橋鎮上，有一座樸素而又肅穆的墓圜。在黃土堆起的墳墓前，樹立著一方不高的石碑，上面刻寫著：　　如此全面發展之人物，在世界史中亦所罕見，萬祀千齡，令人景仰。　　這是中華人民共和國第一任國家科學院院長郭沫若為張衡新立的墓碑題的詞，這也是人民對他的評價。　　如今，無論是炎黃子孫，還是五湖四海的國際友人，來到這座墓圜，都會對這座黃土肅然起敬，因為那中間安睡著一位曾為祖國和人類作出過巨大貢獻的大科學家。　　張衡的肖像現在懸掛在世界上許多著名大學和天文台的廳堂牆上，他的名字出現在世界各大圖書館的科技史典籍中，他為人類作出的貢獻，人們永遠不會忘記。　　1970年，國際天文學組織用他的名字為月球上一座環形山命名；1977年，又把他的名字賦予了太陽系中一顆編號為1802的小行星，這一切，都是為了表達今人對中國古代這位科學巨人的崇敬。　　古今中外，享有如此殊榮的，實不多見，而他，是當之無愧的。　　卓越的祖沖之　　到了三國兩晉南北朝時，我國天文學方面進一步發展，這表現在三個重大發現：　　1.歲差的發現。這是由劉歆、何承天、祖沖之等人發現並推算出來的。由於太陽、月球和其他行星對地球赤道突出部分的攝引，會使地球自轉軸的方面不斷發生微小變化。　　這種變化的結果，使春分點沿黃道向西緩慢移動，速度是每年50.24角秒，約25800年運行一周，這種現象叫歲差。　　歲差的發現是這一時期天文曆法方面的最大成就，雖然它在計算方面不夠精確，也沒有做出理論說明。　　2.發現大氣的消光現象。由於消光現象的存在，使日「初出，地有游氣，以厭日光，不眩人目，即日赤而大也」。　　3.第三個發現是太陽、五星視運動的不均勻性。這是北齊民間天文學家張子信觀測到並提出的。　　除對以上三個重要發現外。對日食的推算和觀測也有很大進步，對年和月的準確長度的推算也比以前更精確了。　　例如，祖沖之算出一年為365.2428148日，比現在推算的值僅差46秒。還有對星圖、渾儀的研究和製造也有很大的進步。　　這一時期比較著名的人物是我國著名的天文學家、數學家祖沖之。　　在南北朝時的宋朝朝廷，一個有著正義感的科學家正在舌戰群儒，他義正詞嚴地表明自己觀點，用不可辯駁的事實駁倒另一方，他就是下文中要敘述的人物——祖沖之。而對方，是宋孝武帝劉駿的得力幹將、寵臣——戴法興。　　祖沖之曆數了 《大明法》的優點，並直言不諱地說：「科學，來不得半點虛偽，歲差是客觀存在的，如果你把古人的曆法當作聖旨，只能是一葉障目，不見泰山。」　　戴法興認為自己丟了面子，惱怒地說：「什麼？我是一葉障目嗎？請你問問諸位大臣，我不見泰山嗎？」　　眾位大臣不敢得罪戴法興，紛紛指責祖沖之，說他是「狂妄自大，目無尊長，如此下去，國將不國了。」　　戴法興見眾人倒向他一邊，威嚴地說：「曆法是古代傳下來的，不能改動，改動了就是褻瀆上天，叛祖離道。」　　祖沖之並未被他的大話所嚇倒：「你不要拿古人來壓人，古人也是根據實踐來制定曆法的，俗話說，人無完人。誰也不可能是聖人，所以，你要想駁倒我，請擺出事實來，空話是嚇不倒我的。」　　祖沖之窮寇緊追，而戴法興卻說：「曆法是關係到生產和生活的大事，非是你那妄自尊大之人所能勝任的，你不要 『妄可穿鑿』，否則，真是『削閏壞章』。」　　雙方口槍舌戰，互不相讓，一個提出要擺事實，講道理，而另一個則拿古人來壓制對方。這到底是怎麼一回事呢？　　祖沖之 （429～500年），字文遠，祖籍范陽人 （今河北省淶水縣人），是我國南北朝時期的一位非常傑出的科學家。他在天文曆法、數學、機械製造等領域都有卓越的貢獻。　　更可貴的是，在科學活動中，他敢於推翻前人的陳舊學說，勇於向頑固守舊勢力進行堅決的鬥爭，表現出了追求真理、獻身科學的大無畏的戰鬥精神。　　祖沖之生活在南朝的宋、齊兩代。波瀾壯闊的農民起義，摧毀了兩晉的反動統治，沉重地打擊了「上品無寒門，下品無土族」的門閥士族制度。　　在宋初二三十年間，長江流域的農業發展比較快，手工業活躍，科學技術也獲得比較大的進步。祖沖之就是在這樣的環境中開始他的科學活動的。　　祖沖之年輕時候沒有上過什麼學校，也沒有得到過什麼名師指教，但是他學習非常刻苦勤奮，尤其對天文、數學具有濃厚興趣。　　他廣泛搜集、認真閱讀了前人關於天文、數學等浩繁著述，卻從不盲目接受，而是「親量圭尺，躬察儀漏，目盡毫釐，心窮籌策」，進行精確的測量和仔細的推算。　　祖沖之在深入研究天文曆法的過程中，發現古代的黃帝歷、顓頊歷、夏曆、殷歷、周曆、魯歷 （統稱六歷）都是後人偽托的，而不是那個時代的真正曆法。　　他並且認為這些曆法都出自「漢初周末，理不得遠」，決不是遠古時期的。近代有人用科學方法計算，所得結果完全證實了祖沖之1500年前的論斷。　　祖沖之發現，前代曆法已經誤差很大，曆法推算與實際天象之間，出現了越來越大的差距。　　例如，當時使用的 《元嘉歷》，日月所在的位置差了3度；冬至和夏至那天的日影都提前了1天；推算金、木、水、火、土五大行星的出現和隱沒，有的竟和實際差了40天。　　祖沖之想到，如果繼續照搬那種與實際天象不合的曆書，就不能準確地確定一年中的節氣、朔望和閏月。於是，他下定決心，創製新曆法。　　祖沖之在總結勞動人民豐富經驗的基礎上，通過自己的親身實踐，批判地繼承和發展了前代天文學家的研究成果，終於在公元462年編成了大明曆。此時，他才36歲。　　大明曆是當時比較先進的曆法，其中有不少創造。　　一是大明曆最早把歲差引進曆法。我國古代天文學家認為，太陽圍繞地球旋轉一周又會回到原來的出發點（指太陽的視運動），但實際情況如何呢？　　由於日、月和行星的吸引，地球自轉軸的方向發生了緩慢而微小的變化，因此這一年的春分到下一年的春分，從地球上看，太陽並沒有回到原來位置，而是逐漸向西移動，（也即歲歲西移），這就叫歲差。　　由於春分點西移，全部24個節氣的位置也在移動。那麼，原來的曆法就已經過時，就要重新制定。　　歲差這個概念最早是東晉天文學家虞喜提出的，並且確定了50年退一度的數值，但並沒有被應用到以後制訂的曆法中。　　祖沖之通過親身的長期觀測，證明了歲差的存在，並且首先把歲差運用到《大明曆》中去。　　由於曆法中考慮了歲差，回歸年和恆星年才有了區分。回歸年是太陽連續二次經過春分點所需要的時間，又叫太陽年，就是日常生活中所說的「年」。　　恆星年是太陽連續二次經過某一恆星所需要的時間，就是地球繞太陽公轉的一個真正周期。回歸年要比恆星年短20分23秒。　　祖沖之還確定歲差每45年11個月相差1度，這個數值雖然還不夠精確，但是祖沖之通過考慮歲差而使曆法的編製建立在更科學的基礎上，在我國曆法發展史上是一個重大的進步。　　祖沖之在 《大明曆》中作出的另一項重大改革是修改閏法。　　東漢以前的曆法，為了調節陰曆和陽曆每年日數的不同，全都採用19年加7個閏月的辦法。三國以後，由於天文學的發展，觀測更加精密了。　　但是，大多數天文學家仍然墨守陳規，繼續使用這種已經沿襲好幾百年的傳統方法。祖沖之發現，如果按照19年加7個閏月的數據，那麼，每200年就要相差1天。　　因此，要想使曆法更精確，就必須對閏法進行改革。於是，他吸取了北京天文學家趙 在600年中加入221個閏月的先進經驗，採用了391年加144個閏月的新閏法。　　在當時以及後來相當長的一段時間內，祖沖之的這個數據比起其他各家曆法的閏法要精確得多。從這個時期開始，改革閏法也成為以後每次改革曆法所必須考慮的問題。　　按照祖沖之的推算，一回歸年的長度是365.24281481日，遠比前人的數據準確，誤差只有50秒左右。直到公元1199年，楊忠輔制統天曆以前，它一直是最精確的數據。　　祖沖之在曆法上不僅進行了上述兩項重大改革，其他方面也取得出色成就。比如在曆法計算中第一次引入了交點月。　　所謂交點月，是月亮沿白道 （月亮在天球上運行的路線）運行的時候，由一個黃白交點（黃道是太陽在天球上運行的路線，黃白交點就是黃道與白道的交點）環行一周的時間。　　祖沖之推算出一交點月是27.21223日，和現代數據27.21222日相差不到一秒鐘。由於日食和月食 （統稱交食）都發生在黃白交點附近，準確求得交點月，就可以準確預測日月食。　　此外，祖沖之測定木星的公轉周期是11.858年，和現代測定值11.862年很接近。在大明曆中，他還計算出五大行星的會合周期，其中水星和木星的會合周期也接近現代的數值。　　在古代儀器和設備十分簡陋的情況下，如果沒有長期的實際觀測，以及實事求是，精益求精的科學態度，要想取得這樣的成就，那是根本做不到的。　　公元462年，祖沖之上書給劉宋孝武帝，請求將《大明曆》准予頒布實行，但是遭到了以戴法興為首的頑固守舊保守勢力的強烈反對和謾罵。　　戴法興是個車馬盈門、權大勢重、顯赫一時的人物，他站在保守、唯心的立場上，提出種種謬論，對《大明曆》橫加指責，肆意攻擊，妄圖一舉扼殺祖沖之的革新精神和《大明曆》的科學成就。　　對此，祖沖之根據他淵博的知識和豐富的實踐經驗逐一加以駁斥，展開了本文前面敘述的那一幕，這也是我國曆法上一場著名的大辯論。　　這場辯論實質上是革新和守舊、科學與迷信的尖銳鬥爭，由於戴法興顯赫的地位，朝中百官多附和他。但祖沖之毫不畏懼，理直氣壯地據理力爭，寫出了一篇非常有名的駁議《辯戴法興難新曆》。　　在這篇駁議中，他引用前人的經驗和自己測算的結果，說明《大明曆》的改革是有科學根據的。這充分表現了祖沖之追求真理的科學精神。　　戴法興把攻擊的矛頭直指向《大明曆》中最重大的改革——採用歲差。他反對祖沖之的「冬至所在，歲歲微差」的科學論斷，堅持「日有恆度，而宿無改位，古歲冬至皆在建星 （星名）」的陳腐觀點。　　針對 《大明曆》的另一項重大改革——改革閏法，戴法興說什麼「古人制章」，「萬古不易」，是「不可革」的。並誣衊道：「非沖之淺慮，妄可穿鑿。」　　戴法興就是這樣抬出了神化的「天」，僵死的「經」，妄圖把祖沖之壓倒。面對戴法興的猖狂挑戰，祖沖之進行了有力的駁斥。　　祖沖之針鋒相對地回答說：「不可信古而疑今。」並以有力的論據說明了過去的曆法或因測量不精或因推算不準而不夠精密，因此，改革曆法，勢在必行。　　祖沖之還以 《大明曆》來推算從元嘉13年 （436年）到大明3年 （459年）這23年間發生的4次月食的時間和太陽在天空中的位置，結果完全符合實際。　　而抱著老皇曆的戴法興推算的結果和實際情況卻相差10度。在事實面前，戴法興理屈詞窮，但是仍然蠻橫地宣稱：「古歷儘管有錯，也不能改革。」　　對此，祖沖之予以有力的駁斥，指出：日月五星的運行有一定的規律，　　「非出神怪，有形可檢，有數可推」，不是什麼神仙鬼怪搞的，通過觀測研究，是可以推算的，明知古歷有誤差，還偏要使用，成何道理！　　由於戴法興的頑固阻撓，一直到梁武帝天監9年 （510年）才被正式頒布採用。這已是祖沖之死後10年的事情了，也是《大明曆》編成以後近50年的事情了。　　祖沖之還是一個著名的機械專家，他曾經設計製造了水碓磨，是當時世界上先進的糧食加工機器；還製造了當時已經失傳的指南車；並做成了歷史上有名的能日行百餘里的「千里船」，在我國造船史上譜寫了矚目的一頁。　　祖沖之除了以上的重大成就外，在數學方面還獨有建樹，他對圓周率π研究，超過了當時任何國家的研究成果。　　祖沖之充分汲取了古代科學文化的豐富營養，敢於在前人成就的基礎上，標新立異，通過自己的刻苦努力，加以發揮創造，不斷攀登前人未曾攀登過的高峰。這對今天的我們，仍有借鑒意義。　　祖沖之在天文歷學、數學、機械製作等方面的卓越成就，將永遠放射出絢麗奪目的光彩。　　最早的地圖　　三國兩晉南北朝時期，對地學的研究也有很大的進展。著名的著作有：譙周的《三巴記）、顧啟期的《婁地記》、李叔布的《齊州記》、葛洪的《幕阜山記》等。　　這一時期的地理學家很多，最著名的有地圖學家裴秀，他以「一分為十里，一寸為百里」的比例繪製了全國地圖，開全國地圖研究之先河。　　裴秀是我國古代傑出的地圖學家，而且也稱得上是世界上最偉大的地圖家之一。他是在1700多年前，就創立了繪製地圖必須遵循的六條基本規則，成為世界上最早的地圖學理論，對於後世地圖的繪製產生了重大影響。　　公元223年，裴秀生在一個世代官宦的家庭里，河東聞喜 （今山西聞喜縣）人，字秀彥。早年，受過很好的教育，8歲就可以寫出很出色的文章。　　由於他的才學和品行，大將軍曹爽任命他為黃門侍郎，後來，又晉陞為掌管司法的「廷尉正」。　　由於他「博學強記，無文不精，孝敬父母，忠於朋友，品格高尚，遠近知名」，深得執掌大權的司馬昭的賞識和信任。　　公元257年，司馬昭出兵征討蜀國諸葛誕，34歲的裴秀作為參謀人員也參加了這次軍事行動。在行軍打仗中，由於一時都離不開地圖，地圖的作用，給裴秀留下了深刻的印象，並圓滿地完成了這次任務。　　通過這次隨軍作戰和實地考察，使裴秀逐漸認識到地圖的重要性，為他後來創編系統的繪圖方法打下了良好的基礎。　　司馬炎當了晉國的皇帝後，便任命裴秀為司空。司空，就是掌管工程的官職，也負責管理國家的地圖和戶籍。　　為了做好這一工作，裴秀一方面參與國家的軍政大事，另一方面也招攬精通地圖的人才，組織他們整理測繪地圖等工作。　　我國地理學起源較早，遠在三四千年的商、周時期，國家已經設置了專門掌管全國圖書志籍的官吏。　　隨著社會生產的不斷發展，人們的地理知識逐漸豐富，大約在春秋戰國時期，出現了我國歷史上一部地理名著——《禹貢》。　　它以山川湖海作標誌，把全國劃分為九州，然後分州敘述各地的山川、湖泊、土壤、物產以及田賦等級、貢品名目、水陸運輸線和名勝古迹等。　　由於它內容豐富，記載詳細，因此受到歷代重視，也就成了歷代各國的必備之物。到了魏晉期間，由於年代久遠，地圖上的標記和錯誤越來越多。　　裴秀在整理期間發現，古代的地圖存在著許多缺點，一是沒有比例，二是地理方位也不準確，有的甚至連有名的山川河流也記載不全。於是裴秀著手解決這一問題。　　為了彌補以前地圖的錯誤，糾正其中的缺陷，裴秀開始研究了我國歷史上第一部地理學著作——《禹貢》。　　由於年代久遠，時過境遷，《禹貢》中的山川地名已經發生了很大的變化。後人在解釋考證的時候，往往牽強附會，使得錯誤越來越多，造成極大混亂。　　裴秀決心要改變這種混亂局面，於是詳細考證了《禹貢》所記載的山嶽、湖泊、河流、平原、沼澤，以及古代九州的地理位置和其範圍。　　他抱著實事求是的態度，糾正了許多錯誤記載，對一時搞不清的問題，就暫時放在一邊，直到弄準確後，才記錄在案。　　由於裴秀精益求精的工作，使他取得了出色的成績，最後編成了《禹貢地域圖》18篇，成為當時最完備最詳盡的地圖。　　又是一個春天悄悄來到了人間。赤裸裸的樹木還在陣陣的寒風中顫抖。溝渠里，去年秋天的敗葉正在腐爛，但那裡，黃色的蓮馨花已在潮濕的草叢中開始探出頭來。　　從整個原野上，從農家莊戶的院子里，從滲透了水分的耕地里，到處可以聞到一種潮濕的、發酵似的氣息。無數嫩綠的幼芽從褐色的泥土裡鑽出來，在陽光下閃閃發亮。　　昏睡的土地覺得它的心復活了。似是而非的春悄悄地溜入空中，溜入地下，黝黑的泥土彷彿張著小嘴呼吸這溫柔的氣息，光禿禿的林中，幾隻鳥唱出響亮的歌。　　裴秀沉浸在這春天的大自然中，也許是久閑在朝廷中，心靈從沒有如此開朗過。今天，他乘車春遊，享受著大自然賜予的溫馨。　　忽然，一陣響亮的童音引起他的注意，他急忙令勒馬停車。只見10多個10歲上下的村童正在玩打仗的遊戲，他們那稚嫩的叫聲彷彿把裴秀帶入童年。　　於是，裴秀走下車來，站在一邊，觀看著這場「戰爭」：　　只見一位約12歲的村童好像是一方的指揮官，他大聲地吩咐道：「敵人離我50里，這裡是山頭，這裡是險灘，這裡是羊腸小道，我們要出其不意，在山頭這裡截擊敵軍，把他們消滅在山頭之下。」　　兩軍開始進軍，雙方不知為什麼，忽然爭吵起來，互不相讓，好好的一場一觸即發的「戰爭」忽然變成了雙方「指揮官」的「吵戰」。　　裴秀信步走上前去，用手扶摸著兩位小指揮官的頭說：「兩位官大人，何事惹你們生氣？」連雙方「土兵」也來觀戰。　　兩位小指揮官見這人蠻和氣，便各訴起苦來：「他離我50里，剛說打，他們就跑到我方邊境了，你說50里的路程幾分鐘能到嗎？」　　裴秀望著雙方的「疆域」說：「我看這隻有50米嗎？」　　一方「指揮官」馬上接著說：「一米當1里嗎？」　　裴秀馬上想到自己國家的地形圖，如果用村童的話來做圖的話，不是又方便又實用嗎？裴秀茅塞頓開，於是舒心地笑了起來：「好好，兩位官大人不要吵，你們給我解決了一個大問題，你們 『內政』我不參與。來人呀，給二位 『官爺』送賞錢。」　　兩個小指揮官不知他為何無故送這麼多錢給自己，面面相覷。這時，裴秀已經樂哈哈地打道口府了。　　你知道裴秀為何開心而歸，連春遊都不再游下去了嗎？　　原來，裴秀擔任司空這個職務後，常常需要查閱國家地圖，以便隨時了解國家土地人口的變動。當時這幅地圖很大，是用80匹細絹繪製而成。　　因此，裴秀每次看圖時，都是好幾個人抬著，花費幾天的時間才能看完一遍，用起來實在不方便。　　裴秀想，如果這幅圖，它能夠隨身攜帶，想看的時候就打開，打開看的時候，一覽無遺，本國諸地、諸物盡收眼底，那有多好呢？可是現在這幅圖……　　於是，裴秀把這件事放在心上，琢磨了多少天，都沒有考慮周到。今天，偶然從村童口中吐出「一米做一里」的話，他馬上心領神會。　　他想，在地圖上，採用「一分當作十里，一寸當作百里」的比例（約1　　／180000），把原來的全國地圖中的山川河流、村莊城鎮都標在圖中，也不過是一丈見方，那就方便多了。　　於是，裴秀便急忙行動起來，招集人馬，按照他的想法去做，終於，經過一個月的努力，這幅一丈見方的地圖便大功告成。裴秀把它取名為《地形方丈圖》。　　裴秀在繪製《禹貢地域圖》和《地形方丈圖》的實踐中知道，要想準確地繪製地圖，正確地反映實際地理情況，就必須遵循一些基本的繪圖規則。　　裴秀總結了前人的經驗，並結合自己的實踐，概括為六條規則，這就是著名的「製圖六體」。　　「製圖之體有六焉。一曰分率，所以辨廣輪之度。二曰准望，所以正彼此之體也。三曰道里，所以定所由之數也。四曰高下，五曰方邪，六曰迂直。此三者，各因地而制宜，所以校夷險之異也。」　　在這裡，裴秀提出一整套完整的繪圖規範。其中「分率」就是比例尺，　　「准望」就是方位，「道里」就是距離，而「高下」、「方邪」、「迂直」，就是和地勢起伏、傾斜緩急、山川分布走向有關的問題。　　裴秀最後總結說，按照上述六條準則繪地圖，儘管有崇山峻岭、大川巨海的阻隔，偏遠異域的不同，道路的迂迴曲折以及地勢的高低差別，都可以一目了解地從地圖上清楚地看出來。　　早在1700多年前，裴秀不僅已經認識到在地圖上表現實際地形的時候有哪些相互影響的因素，而且知道用比例尺和方位去加以校正的辦法。這在地圖發展史上是具有劃時代意義的傑出成就。　　「製圖六體」對我國古代地圖學的發展有十分深遠的影響，在清代以前大約1千多年的漫長歲月中，中國歷代地圖學家都是學習並遵守這六條規則，繪製了不同用途的地圖。　　裴秀編製的《地形方丈圖》一直流傳了好幾百年，後人以它為藍本，用膠泥、木頭和蜂蠟等製成了一些立體的地形模型圖。這比歐洲要早好幾百年，而且規模也要大得多。　　裴秀對我國地圖學的發展是做出了巨大貢獻的，把他稱為我國科學地圖學的創始人是並不過譽的。有些西方學者說他完全可以和古希臘著名的地圖學家托勒密相提並論，而立於世界地圖學家之林。　　酈道元走遍山山水水　　我國是一個歷史悠久，地域遼闊的國家，很多科學家對地理學方面進行認真的探索，為我國古代的地理科學做出重大的貢獻的還有我國北魏一位卓越的科學家酈道元。　　這是一個昏沉黑暗的夜晚，整個自然界都好像穿著喪服，月亮和星星，都叫烏雲遮得一點縫也不漏，好像它們完全消逝一樣，只有河水咆哮著。　　酈道元陷入困境。　　他站在河岸邊，看著洶湧的河流，混沌一片，那麼沉重、黯淡，急匆匆的老是向前流著。一眼望去，只有動蕩不已的危立的山壁、成千成萬的條條流水和忽起忽現的漩渦。　　正如狂亂的頭腦里湧起許多雜亂的形象，永遠在那裡出現，又永遠化成一片。在這種夜的夢境中，想像著有一隻像靈柩一樣飄流的船，到達自己的面前。可是暮色濃濃，河水且黑且綠像一柄巨大的青銅劍。　　酈道元頹然地跌坐在地上。　　現在是孤立無援，不但迷失方向，而且所帶的乾糧早已殆盡。前面是一條湍急的大河，後面是近似於峭壁的懸崖，而所帶的書童早已命喪谷底。　　酈道元仰天長嘆：「天欲絕我，我命已當如此，不存奢望。」　　不知不覺，酈道元昏睡過去，他眼前彷彿有他的妻子站在面前。妻子說：　　「這次你在家多待幾日罷，前日你剛從都江堰回來，也該休息休息了。」　　可酈道元卻說：「《水經》上有一座山，叫大洪山，記載得非常簡單，我想等把那裡的地理情況弄清楚再說。」　　「你不要命了，那大洪山聽人說高數百仞且陡峭難行，還聽說即使你爬上去了，那石門洞卻不極窮深。」　　「正是因為如此，我才要去探探險呀。不然，誰能知道那裡到底是什麼樣子呀？」　　妻子生氣地扭過頭。　　酈道元知道自己欠妻子的太多，便婉轉地說：「待大洪山之行後，我聽你的話，在家好好休養休養。」　　於是，他踏上了征程。　　酈道元不知什麼時候醒來，迷迷糊糊聽見好像有人在說話。他睜開眼睛，試圖坐起身來，只聽得一位老者說：「他醒了，他醒了。」　　外面人聽後，連忙跑了進來，酈道元一看：「我這是在哪呀？」　　那老者連忙把他遇救之事慢慢道來。原來酈道元當夜昏迷後，第二天清晨，老者和他的兒子放下繩索，到河邊來採藥。　　老者下來後，一看有個人躺在這裡，嚇了一跳，心想：這人跡罕至之處，何人在這。心想不好，連忙跑過來，用手一搭脈，酈道元還有微弱氣息。　　老者當即叫兒子回村喊人，把酈道元七手八腳地弄到村莊。酈道元在床上昏睡整整三天三夜，老者采來中草藥熬好，一勺一勺灌了下去，方把他救活。　　酈道元聽此，對老者感激不盡，當即把自己所負使命說了出來，並求老者協助，老者被他的毅力所感動，馬上答應了。　　酈道元這才圓滿地完成了大洪山的考察。他寫道：　　「 水出縣東南大洪山，山在隋郡之西南境，陵之東北， 極所跨，廣圓一百餘里，峰曰 『懸鉤』。處平縣眾阜之中。為諸峰之秀。山下有石門，夾鄣層峻岩，高皆數百許仞。　　入石門，又得鍾乳穴，凝膏下垂，望齊冰雪，微律細液，滴瀝不斷。幽深潛遠，行者不極窮深。而穴內常有風勢，火無能以經久故者也。」　　酈道元到底何許人也？他為什麼要到大洪山？他冒那麼大風險值嗎？　　酈道元，字善長，北魏范陽人，生於公元446年，曾任過御史中尉、鎮東府長史、太守、刺史、河南尹等職。　　酈道元在閱讀地理古籍的過程中，十分珍惜前人的豐碩成果，同時也深深感到還有許多不足之處。如：　　《山海經》雖記述詳細，但是不完備；《尚書·禹貢》。《周禮·職方》以及《漢書·地理志》等又過於簡略，使人不容易看懂；《水經》雖然記述了全國主要河流水道，但是缺少發展脈絡，不夠系統。　　酈道元認為：地理現象是不斷發展變化的，以後又經過歷代的更迭、城邑的興衰、河道的變遷和山川名稱的更易。　　因此，應該在對現有地理情況的考察的基礎上，印證古籍，然後把經常變化的地理面貌盡量詳細、準確地記載下來。在這種思想的指導下，他決心為《水經》作注。　　酈道元在給《水經》作注的過程中，親自考察了許多河流，還博覽了大量前人著作。經過長期艱苦的努力，他終於完成了他重要的著作《水經注》。　　《水經注》共40卷，30多萬字，是當時一部空前的地理學巨著。它名義上是注釋《水經》，實際上是在《水經》基礎上的再創作。　　全書記述了1252條河流，比原著增加了上千條，文字也增加了20多倍，內容要比《水經》原著豐富得多。　　《水經注》涉及的範圍十分廣泛。從地域上講，他抓住河流水道這一自然現象，對全國地理情況作了詳細記載；從內容上講，把每條河流流域區內的其他自然現象如地質、地貌、土壤、氣候、物產、民俗、歷史古迹、神話傳說等綜合起來，做了全面描述。　　《水經注》中還記載了大量農田水利建設工程的資料，反映了我國古代勞動人民在治水營田、改造自然方面所取得的偉大成就和寶貴成果。　　除上述外，《水經注》的內容也涉及其他學科領域，如書中有不少經濟地理的材料，記載了古代的冶煉業、煮鹽業以及農業等方面情況，可供我們研究占代經濟作參考。　　《水經注》不僅是一部具有重大科學價值的地理巨著，還是部頗具特色的山水遊記。酈道元以飽滿的熱情，渾厚的文筆，精美的語言，形象、生動地描述了祖國的壯麗山川，表現了他對祖國的熱愛和讚美。　　《水經注》在中國科學發展史上具有重要地位，許多學者對它進行過系統深入的研究，並形成了專門的學科：酈學。像 《水經注》這樣寫作嚴謹、內容豐富的綜合性地理著作，在當時，不僅在中國是十分傑出的，在世界上也是罕見的。
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