西方国家自从工业革命之后,科学发展看似好像一日千里,觉得中国科学似乎比不上西方国家。西方有了强大的武器设备、卫星、太空梭。

就在大家一味地追随西洋科学,享受现代科技新产品的同时,渐渐地和我们中国古代淳朴民风日趋悖离。道德观愈来愈薄弱,甚至为了追求感官上的满足,短视近利。

可是当我们翻翻古书中的记载时,却会发现中国古代科学的進步其实是远远超出西方国家的。中国的古人凡事讲究修心养性,乐天知命,在天人和一的观念下,曾经出现不少令现代西方学者十分敬佩的科学家,以下将一一介绍他们在中国历史上的卓越成就。

张衡(东汉,西元78-139年)

在他为仕期间,创造了世界上最早运用水力的机械──浑天仪。根据浑天仪来观测天体,发现了月亮不会发光以及月蚀的成因,记载在《灵宪》(注1)一书。而地动仪(注2)是张衡在西元一三八年的发明,用来测定地震,结果准确,是全世界第一个测报地震的仪器。在气象学方面,张衡发明了候风仪,是在空旷的地上立一根五丈长的竿子,上面装上一只可以转动的铜鸟,人们便可以根据铜鸟转动的方向来判别风向,这和十二世纪时,西方装在屋顶上的风向鸡非常类似。

张衡为人勤勉朴实,由于一生行事光明,品德清高,不攀龙附凤,所以入仕后升迁很慢,被人讥讽他“垂翅故栖”,张衡还因此作《应间篇》(注3),说明自己不迷恋仕途,在乎的是品德,在乎的是学问研究。

祖冲之(南北朝,西元429-500年)

祖冲之在数学方面的贡献有:《隋唐书·律历志》(注4)记载他算出圆周率到小数第七位3.1415926-3.1415927,比外国早了一千多年。直到十五世纪阿拉伯数学家阿尔卡西(Alkashi Jeshid) 算到小数点后十七位,才打破祖冲之的记录。祖冲之算出球体体积公式,得出:“等高处的横截面积相等,那么二个立体的体积也必须相等。”的结论,比意大利数学家卡瓦列利(Franeesco Bonaventura Cavalieri)得出同样结论早了一千多年(注5)。在天文学方面,东晋虞喜提出“岁差”(注6)现象,祖冲之证实岁差,并将之引進他编成的《大明历》历法之中,《大明历》还包括祖冲之的新闰法及交点月(注7)的发现。古人只知“十九年七闰”,祖冲之推算得更精密,提出“三百九十一年,有一百四十四闰”。

祖冲之虽生在官宦之家,但无纨侉子弟的习气,也不醉心利禄,虚心学习有关天文、数学的著作,并亲自一一進行精密测量及仔细推算,做事实事求是,不盲目接受。他自评自己是“亲量圭尺,躬察仪漏,目尽毫牦,心穷筹策。”

僧一行(唐朝,西元673-727年)

一行原名张遂,年少已学问渊博,名声远播,许多人都想与他结交,包括武则天的侄子武三思,但张遂不想攀交权贵,于是出外访游,寻访高师,虚心求学,最后来到河南嵩山,剃发为僧,法名“一行”。他本来就不喜从仕,不重名利,更断然拒绝为武氏王朝效命。

后来经人推荐而为唐玄宗的顾问,康玄宗多次求贤,一行为了发挥一己所长,贡献社会,于是应召出山。在这段期间他开始了科学研究,最大的贡献是他擅长研制天文观测仪器,比如研发了黄道游仪、水运浑天仪。黄道游仪被利用来观测日月、星辰的位置和运动情况,后来他发现恒星位置不是一成不变,它有运动变化的规律。水运浑天仪是利用水力驱动一个仿造天体运行的机械,类似于现在的地球仪,外围装了两个小圆环,各镶了一个圆球,表示日月,利用水力推动齿轮旋转,很有规律演示日月及星象的运转。此外,水运浑天仪外设置两个小木人,每刻击鼓一次,每小时撞钟一次,完全利用齿轮转动,可以称之现代钟表鼻祖,比西元1370年威克钟早了六百多年。

在西方科学中,深信眼见为实。所以从亚里斯多德的年代就因为测不到恒星的运动变化,因而误以为恒星是不会运动的星星。直到二十世纪初,透过比较精密仪器的测量,证实了银河系以及其他星系是运动的之后,才开始有了恒星也是会运动的观念。然而,在完全没有现代化先進的科学仪器的中国,却能在西元六、七百年前就发现恒星位置是会改变的,可见中国古代的科学真是相当的進步,而且似乎是走了另外一条超乎现代人能想像得到的路。

沈括(宋朝,西元1031~1095年)

沈括生于官宦之家,非常多才多艺,对礼乐制度、医药、天文都很有兴趣。在他出使契丹期间,藉由观察地理形势,曾绘出《使契丹图钞》,成为重要的军用地理资料,也曾用面糊调木屑和熔蜡制成立体地形模型。在西方,直到十八世纪,瑞士才出现地形模型,而且规模比沈括的小得多。沈括曾经改革盐钞、货币及役法,统整军务,具有相当的政治才华。此外,沈括是世界上第一位使用“石油”一词的人,过去石油被称为“石液”、“石漆”,不被前人看重,但沈括一次到延州考察它的用途、采集方法及蕴藏量,预料后世一定会大规模采用石油作为原料。沈括去访察河北时,行经太行山,发现大量螺蚌壳及鹅卵石,推测这一带在太古时代一定是海岸,这种根据古生物化石推断冲积平原成因的理论,在世界遥遥领先,比英国人赫顿(James Hutton)在十八世纪提出同样学说早了六百多年。

然而,沈括的成就还不只这些,还包括天文、历法及算学,在这三方面他有独到的见解。在天文方面,他发现了地磁子午线和地理子午线的差(注8、9),这是世界上最早关于地磁偏角的记录,比1492年哥伦布横渡大西洋发现磁针偏角早了四个世纪,而在他的著作《梦溪笔谈》记录了另一项磁偏角的发现─北极星同北极距三度多。在历法的成就,过去历法以月亮朔望定月,但沈括根据节气定月,把一年分为十二个月,大月三十一天,小月三十天,取消闰月,发明“十二气历”,也就是今天的阳历。在算学的贡献,沈括的著作《九章算术》发展了等差级数求总和的算法,称为“隙积术”;另一个是“会圆术”,就是从已知的直径和弓形的高度,求出弓形底和弓形弧。

沈括晚年在梦溪园以笔记体裁形式完成了闻名中外的科学巨著《梦溪笔谈》。《梦溪笔谈》涵括了中国宋朝以前在天文学、数学、物理学、地理学、地质学、气象学、生物学、医药学、考古、语言、史学、文学、音乐、绘画以及财政、经济等等领域的巨大成就,从自然科学到社会科学,应有尽有。英国科学史家李约瑟博士(Dr. Joseph Needham)在他的《中国科学技术史》(Science and Civilisation in China)一书中,称赞《梦溪笔谈》是“中国科学史上的里程碑”;日本数学家三上义夫在其《中国算学之特色》中说日本的数学家没有一个比得上沈括。

郭守敬(元朝,西元1231-1316年)

郭守敬是元代的天文学家、水利学家、数学家及仪器制造家,大半生都奉献给了水利和天文,成为这两方面的领导者。(《明史.郭守敬列传》)

他曾带领人民疏通水渠,开新渠,修建旧渠,引水灌溉农田。最长的水渠是长达两百公里的唐来渠,其次是一百二十五公里的汉延渠,以及许许多多的干渠、小支渠、古渠。现在北京给水工程使用的水渠,从昌明经昆明湖到紫竹院,是沿用当年郭守敬的路线。在《宁夏新志》中就记载着郭守敬的水利工程:“逮今两坝桥梁,尚其遗制,工作甚精。”

在天文部份,1276年郭守敬发明滚柱轴承,欧洲到15世纪才有类似设计。之后,郭守敬革新中国古代天文仪器浑仪,取名“简仪”,测二十八宿距星(注10)的位置,比1598年丹麦天文学家第谷(Tycho Brahe)的发现早了三百多年,所以“简仪”可以称为世界上最早的赤道仪。

在数学方面,依《元史·郭守敬传》记载(注11)他发现黄赤交角在变小,于是重新测定的新值是23°90’,折360°马诌嫔O为23°33’23”,与近代天体力学公式计算出的23°31’58”误差仅为1’45”。18世纪未,法国天文学家拉普拉斯提出黄赤交角值在逐渐变小的理论时,就曾引用郭守敬的测定值作为理论根据,并给予高度评价。

郭守敬曾为修历而设计和监制的新仪器有许多种,堪称为大发明家。其中包括有:简仪、高表、候极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪以及星晷定时仪12种(史书记载称13种,有的研究者认为末一种或为星晷与定时仪两种)。另外,他还制作了适合携带的仪器四种:正方案、丸表、悬正仪和座正仪。

郭守敬做事非常认真,喜欢观察和钻研问题,实地戡察,实践学习,找出解决之道。元世祖忽必烈于公元1262年召见郭守敬,他向世祖“面陈水利六事”,颇得信任。他每奏一事,世祖就叹气说:“任事者如此人,不为素餐〔没有白吃饭〕矣!”当时元朝政府规定年满七十岁可以退休,但朝廷许多工作仰仗郭守敬,所以不准他退休,郭守敬一直到八十三岁才准予回乡养老,八十六岁去世。

现在的人总为西方现代科学的日益发展而沾沾自喜,总认为科技产品为人类带来了便利生活,还以为现代比过去的人聪明许多。可是,由于人的道德没有提升,结果却是现代科技造成许多人只是沉溺一己物欲,重视享受。和中国古代科学相比之下,我们不难发现古人不但在科学研究及成果上不输给现代科学家,而且他们个个都是虚心求学,不求名不求利,单纯地作学问,为贡献所长,不怕劬劳。如此勇于实践的科学精神,和中国古代科学成就一样,一点也不逊色于西方现代科学,而且在中国几千年的历史当中都没有造成大规模的环境污染或是使社会上的人心变坏。

看来,如果我们希望在未来的科技发展中,想要得到突破性或想找出一条永续发展之路时,似乎值得好好地研究研究中国古代的科学所走的路。

注1、《灵宪》: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……当日之冲,光常不合者,蔽于地也,是谓暗虚……遇月则食。

注2、《后汉书·张衡传》:以精铜铸成,员径八尺,形似酒尊,饰以篆文,山龟鸟兽之形,中有都柱,旁行八道,施关发机。外有八龙首,衔铜丸,下有蟾蜍,张口承之。其牙机巧制皆隐在尊中。覆盖周密无际。如有地动,尊则振龙;机发吐丸,而蟾蜍衔之;振声激扬,伺者因此觉知。虽一龙发机,而七首不动;寻其方面,乃知振之所在。验之以事,合契如神。自书典所记,未之有也。

注3、《应间篇》:君子不患位之不尊,而患德之不禁;不耻禄之不多,而耻智之不博。

注4、《隋唐书·律历志》:古之九数,圆周率三,圆径率一,其术疏舛。自刘歆、张衡、刘徽、王蕃、皮延宗之徒,各设新率,未臻折衷。宋末,南徐州从事史祖冲之,更开密法,以圆径一亿为一丈, 圆周盈数(过剩近似值)三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒数(朒,nu。朒数,不足近似值)三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈、朒二限之间。密率,圆径一百一十三,圆周三百五十五。约率,圆径七,周二十二。又设开差幂,开差立,兼以正圆参之。指要精密,算氏之最者也。所著之书,名为《缀术》,学官莫能究其深奥,是故废而不理。

注5、「卡瓦列原理」:等高处的横截面积相等,那么二个立体的体积也必须相等。」义大利数学家卡瓦列利在十七世纪发现这项结论,却自称为卡瓦列利原理〔Principle of Cavalieri〕,使后人误以为这项算学发现是源自义大利。

注6、「岁差」:岁差就是自转轴绕圈圈(就像陀螺要倒地之前,陀螺会倾斜着转圈圈的样子)的现象。地轴约23.5度的倾斜才造成岁差,其速率为每年移动50弧秒,约需时两万六千年一周,因此北极点(north pole)是会随岁差而变动。因岁差之原因造成恒星年与回归年长度之不同。(恒星年:地球公转360度所需时间, 365.256354平太阳日;回归年:地球两次经过春分点所需时间, 365.24219平太阳日)

注7、「交点月」:月球连续两次向北通过黄道所需时间,长度为27.21222平太阳日。西历中每一个历年(365或366平太阳日)分成十二个月,按照传统习惯,月的长度有28、29、30和31平太阳日四种。

注8、《梦溪笔谈·卷二十四》:方家以磁石磨针包身契,则能指南,然常微偏东,不全南也。

注9、「磁偏角」:地球上的磁极,和南极、北极稍许有一些偏差,所以磁针的南北线和地球的子午线不一致。这在科学上叫做“磁偏角”,又称为“磁差”或“偏差”。磁偏角的数值,在全球各地是不相同的。

注10、「二十八宿距星」:中国古代天文学家为了比较日、月、五星的运动而选择邻近天赤道附近的星象,划分成 二十八个不同大小的部分, 每一部分就叫作一“宿”,作为观测时的标志。 我国古代就是依据每宿星象的出没和中天(位于头顶时)的时刻来判断季节,甚至在编制的历法中划分 24 节气, 和推算日、月、五星位置的标准。 二十八宿的星区划分已明确地预示了今日划分星空区域的精密方法。

注11、《明史.郭守敬传》:所创法凡五事:一曰太阳盈缩.用四正定气立为升降限,依立招差求得每日行分初末极差积度,比古为密.二曰月行迟疾.古历皆用二十八限,今以万分日之八百二十分为一限,凡析为三百三十六限,依垛叠招差求得转分進退,其迟疾度数逐时不同,盖前所未有.三曰黄赤道差.旧法以一百一度相减相乘,今依算术句股弧矢方圜斜直所容,求到度率积差,差率与天道实“郎X.四曰黄赤道内外度。据累年实测,内外极度二十三度九十分,以圜容方直矢接句股为法,求每日去极,与所测相符.五曰白道交周.旧法黄道变推白道以斜求斜,今用立浑比量,得月与赤道正交,距春秋二正黄赤道正交一十四度六十六分,拟以为法.推逐月每交二十八宿度分,于理为尽。

参考资料

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2.《中国科技家小传》,中华文化复兴运动推行委员会、国立编译馆合编,台湾商务印书馆,1990年11月
3. http://www.phys.tku.edu.tw/S4/07.html
4. http://www.bud.org.tw/answer/9911/991157.htm
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9. http://library.hit.edu.tw/web/Content.asp?ID=29920
10. http://aeea.nmns.edu.tw/aeea/courses/right2_2.html



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