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第14章 科学研究(1)

祖冲之苦算圆周率

◎知不知,上;不知知,病。——《老子》

祖冲之(429—500年),字文远,刘宋时代数学家、天文学家。祖籍范阳郡遒县(今河北涞水县)。为避战乱,祖冲之的祖父祖昌由河北迁至江南。祖昌曾任刘宋的“大匠卿”,掌管土木工程;祖冲之的父亲也在朝中做官。祖冲之从小接受家传的科学知识,青年时进入华林学省,从事学术活动。祖冲之的一生先后任过南徐州(今镇江市)从事史、公府参军、娄县(今昆山市东北)令、谒者仆射、长水校尉等官职。其主要贡献在数学、天文历法和机械三方面。

在1500多年前的一个晚上,离建康不远的一个小乡村里,有群儿童正聚集在场地上仰着脑袋数天上的星星。

“这是牛郎。”

“那是织女。”

“快看,那边有七颗明亮的星,像只舀水的勺子,是北斗星。”

“在它旁边的那颗星,叫北极星。”

这群孩子中有个叫祖冲之的,后来成了著名的科学家。

祖冲之本来住在建康城里,这几天因为和父亲闹别扭,被祖父带到农村来了,和农村孩子们在一起,让祖冲之感觉学到了不少东西。而且他还喜欢向别人请教,有股钻劲。数星星的时候,他忽然想起了一个问题:“今天怎么没有月亮呢?”

“今天是哪一天?”有个孩子问他。

“六月二十二。”

“我爸说,十五日团圆,二十二半夜见半圆。”

祖冲之听着感觉很有趣。坐在回建康的马车上,他就问祖父:“爷爷,为什么每月的十五月亮一定会圆呢?”

祖父摸摸小冲之的头笑着说:“孩子,我搞的是建筑工程,不是很懂天文啊,但我们家有很多历法书,我可以找给你看看。”

从此,祖冲之对天文产生了浓厚的兴趣。每天除了读父亲规定的《论语》、《孝经》这些经书外,就是用心钻研天文书。由于有些天文知识需要懂得数学,所以,他也对数学的学习更加用功。而且,他还搜集了大量关于天象的记录和文献。

有一次,他读东汉天文学家张衡的著作《灵宪》,感觉收获了很多,就对祖父说:“我知道了,十五日傍晚,红日西沉,明月东升,日在西,月在东,太阳正好照在月亮上。我们从地上看到的月亮是有光的半面,因此是圆的……”

454年,祖冲之25岁,宋孝武帝听说他博学多才,就下诏令,请他到了华林学省。虽然过上了舒适安逸的生活,但这并没有使祖冲之丢掉梦想,他觉得虽然这里能享受丰厚的物质生活,但却是精神生活的牢狱。因此,决心走自己选择的路,继续进行天文和数学的研究。

每天晚上,祖冲之都坚持观测天象:上半夜测出月亮在星星之间的位置,午夜后测出太阳在星星间的位置,并记录下来。日积月累,他终于把太阳和月亮在星空中运行的轨道摸清了。

祖冲之为天文事业做出了巨大的贡献,对圆周率的研究更是超越了古人,在数学史上闪耀着夺目的光辉。

很早的时候,祖冲之就发觉《周髀算经》中的圆周率存在问题,他读了很多书后,才知道这个问题被很多科学家都研究过,但一直没得到根本解决。这时的祖冲之虽然快四十岁了,但却发誓一定要攻破这道难关。

当时的祖冲之在宫里当官,只有晚上才有空。因此,他每天都要演算到很晚才睡。刚开始的演算还比较顺利,但越往后就越繁杂。祖冲之并不懈怠,继续废寝忘食地计算着。也不知过了多久,外面的杏花开了,桃花谢了,当累累的果实挂满枝头的时候,祖冲之的计算也结出了喜人的果实也把圆周率惊人地精确到了小数点后七位数!

要知道,如此繁杂的运算过程,即使今天用纸笔和计数器来做,也绝不是件轻松的事,而祖冲之却只是用一根一根地搬动小竹片进行演算。不难想见,这需要他付出多大的心血啊!也正是这样,他才取得了那么伟大的成就,成为了古今中外最伟大的科学家之一。

◎故事感悟

学习之前要知道自己在学什么,怎么样去学,只有真正明白了这些,才能真正明白学习的含义。祖冲之就是这样,当他认定做一件事情的时候,一定会把它做好,不管过程有多么困难,都不会半途而废。

◎史海撷英

祖冲之与《大明历》

祖冲之所编制的《大明历》及为大明历所写的驳议,包含了他在天文历法方面的大量成就。

在祖冲之之前,人们使用的是天文学家何承天编制的《元嘉历》。祖冲之经过多年观测和推算,发现了其中的错误。因此他着手编制新的历法,并于宋孝武帝大明六年(462年)年编制成了《大明历》。可惜这部历法在他生前没有被采用,直到梁武帝天监九年(510年)才正式颁布施行。

《大明历》主要有以下几方面成就:

一、区分了回归年和恒星年,首次把岁差引进历法,测得岁差为45年11月差一度(今测约为70.7年差一度)。引入岁差是中国历法史上的重大进步。

二、定一个回归年为365.24281481天(现在测得的数字是365.24219878日),一直到南宋宁宗庆元五年(1199年)杨忠辅制统天历之前,这个数据都是最精确的。

三、采用391年置144闰的新闰周,比以前采用的19年置7闰的闰周历法更为精密。

四、定交点月日数为27.21223天(现在测得的是27.21222天),交点月日数的精确把握使准确预报日月食成了可能。祖冲之曾用他的大明历推算了23年之中发生的4次月食时间,结果与实际完全吻合。

五、得出木星每84年超辰一次的结论,即定木星公转周期为11.858年(现在测得的是11.862年)。

六、给出了五星会合周期更精确的数据,其中水星和木星的回合周期也与现代数值非常接近。

七、提出了用圭表测量正午太阳影长以定冬至时刻的方法。

◎文苑拾萃

《大明历》

《大明历》是我国南北朝时期的数学家、天文学家祖冲之所创造的一部历法,也叫“甲子元历”。祖冲之首次在历法中引入“岁差”概念,使历法变得更加精确,是我国历法史上的第二次重大革新。

《大明历》于刘宋大明六年(462年)完成,当时祖冲之才33岁。

《大明历》规定一回归年是365.2428天,这是我国赵宋统天历(1199年)前最精确的数据。他在制历时先考虑了岁差,意思就是由于地球在运行过程中受到其他天体的吸引,致使地球自转轴方向发生缓慢而微小的变化,这就导致从地球上看去,这年冬至到下一年冬至时,太阳并没有回到原来的位置,而是年年后移,连带也引起了24节气位置的变化。为此,祖冲之确定了每45年11月差一度的结果,虽然这个“岁差值”不大精确,但引进这种概念来编制历法,却使历法有了更加科学的基础,使天文学中的“回归年”和“恒星年”两个概念得到了很好的区分。

靳辅治河勤于实践

◎不广求,故得;不杂学,故明。——隋·王通

靳辅(1633—1692年),字紫垣。辽阳人。隶汉军镶黄旗。清康熙时治河名臣。顺治九年(1652年),靳辅由官学生考授国史编修。康熙十年(1671年)授安徽巡抚,加兵部尚书衔。靳辅著有《靳文襄公奏疏》、《治河方略》。

清初几十年间,由于战乱的影响,黄河连年泛滥,河道敝坏至极,运河阻塞,漕粮不能按期运抵京师,河患已成为威胁清初政权巩固的一个严重问题。从顺治初年至康熙十五年(1676年),清廷曾五易河道总督,却不得其人,治河毫无成效。值此危难之际,靳辅作为第六任河道总督,接受了治河的艰巨任务。从此,清代治河史开始了新的篇章,而靳辅也成了清代第一位治河功臣。

靳辅他很注意农田水利,曾“疏请行沟田法”,“涝则泄水,旱以灌田”,并针对黄河年久失修问题多次上疏,阐明自己的治河主张。康熙帝对靳辅的工作十分满意,“奖辅实心任事”。因此,当五易河督不得其人的情况下,康熙帝深知靳辅“可任大事,故排群议而用之”,于康熙十六年(1677年)三月,大胆提拔了他。

当时,人们对黄河水患,大有谈虎变色之感,群臣对于河道总督之任,无不视之为畏途。靳辅受命治河,虽然心中也充满“忧惶悚惧之念”,但他十分感激康熙帝的“知遇”之恩,决心“不惮胼胝,不辞艰巨,不恤恩怨”,挺身而出,全力以赴地投身治河。

以往几任河督,治河之所以不见成效,很重要的一个原因,就在于他们不能深入实际,往往高高在上,单凭下面的汇报及个人的愿望而制订方案,自然屡屡失败。而靳辅却与其前任不同,在整个治河活动中,他十余年如一日,不辞辛劳,事必躬亲,常年活动在治河第一线,掌握了大量的第一手资料,为其制定周密的治河方案和顺利完成大修计划奠定了坚实基础。

靳辅深知,治河必须先知河,“非历览而规度焉,则地势之高下,不可得而知,水势之来去,不可得而明,施工之次第,亦不可得而定也”。

靳辅对黄、淮水情和患情的透彻了解,主要是通过长期而艰苦的实地考察后取得的。康熙十六年四月初五日,靳辅赶赴宿迁河工署所就任后,立即在助手陈潢的陪同下,遍历河干,广咨博询。他们常常沿河跋涉险阻,上下数百里,一一审度。有时为了获得一个数据,甚至要在狂风暴雨中驾一叶扁舟,到激流汹涌的波涛中测量水的深度。

他们每到一处,都十分注意和倾听来自各方面的意见。“毋论绅士兵民以及工匠夫役人等,凡有一言可取,一事可行者”,“莫不虚心采择,以期得当”。

由于通过实地考察,靳辅对整个黄、淮的水流规律、水患情形、致患原因、冲决要害以及整治的关键都了若指掌,因而才能站得高、看得远,提出了正确的治河方案,制订出包括八项内容的周密的大修计划,并在其上疏中论之以理,持之有据,从而取得了康熙帝的支持。

按照清初制度,凡军国大事,须召开议政王大臣会议集体讨论定夺,即所谓“廷议”。由于靳辅提出的大修计划事关重大,康熙帝便下令廷议。廷议的结果,以“目今需饷维殷”和用夫过多为由,请暂缓实行。然而康熙帝被靳辅的治河计划所打动,决心大修,便谕令说:“河道关系重大,应否缓修,并会议各本内事情,着总河靳辅再行确议具奏。”表现了对靳辅的充分信任。

靳辅为了使大修计划在下次“具奏”时能确保通过,他再一次不避劳苦,对黄、淮、运各重要工地进行了周密的实地考察。他在复奏中说:“臣反复筹维,再三勘阅,上历桃、宿、邳、睢、灵壁以至徐州,下而山(阳)、清、安东经云梯关各套港,以达海口。复阅洪泽湖一带,并高邮、宝应、江都、泰州以及安丰、何垛等各场,凡江南扬州以北,黄运两河,并黄河之南北两岸,运河之东西二堤,臣莫不亲行遍历,详加体察。以臣目之所见,耳之所闻,合之舆情,参之往籍,有断断难以缓议者。”

由于靳辅深入实践,脚踏实地,终于用无以辩驳的证据,令人信服的道理征服了群臣,他的大修计划终于被廷议通过并付诸实施。

制订方案不易,付诸实施更难。治河是一项庞大的工程,靳辅既要同洪水拼搏,又要同积弊斗争,还要克服国家财力、人力、物力不足等等困难。他呕心沥血,事必躬亲,凡事都亲自过问,并亲临第一线,真正做到了“居中调度,反复查勘”,亲自指挥施工。即使有时身体不佳,“颜色憔悴”,也坚持在治河工地上。

最突出的是在修筑清水潭决口的会战中,靳辅竟“身宿工次,调度董率”。一个总理全国治河工程的公卿大臣,不是高高在上,而是如此遇事奋勉,勇于实践,亲自考察,亲临第一线指挥工,确实是难能可贵的。

靳辅治河十余载,呕心沥血,不辞劳苦,先后疏通下流,大辟海口,开挑烂泥浅渚引河,整治高家堰、筑塞翟家坝及清水潭诸决口,修复运堤,移建南、北运口,创开皂河、中河,终于大见成效,“黄淮悉复其故,运道大通”。

靳辅治河成功,首先使河南、安徽、江苏数省百姓免遭水患之灾,使其生命财产得到一定保障。同时,保证了漕运畅通,促进了南北经济、文化的交流,使运河两岸各城市商品经济日趋繁荣,为“康乾盛世”的出现打下了基础,在中国古代治河史上写下了极其光辉的一页。

康熙四十六年(1707年),康熙帝第六次南巡,视察河工,此时靳辅已去世15年。然而,康熙帝看到的、听到的则是“沿淮一路军民感颂靳辅治绩者,众口如一,久而不衰”。靳辅正是以其光辉的业绩,名传青史,成为一代著名的治河专家。王士禛为靳辅所做《墓志铭》,称赞他“其力可以任大事,其识可以决大疑,其才可以成大功”。殊不知,靳辅为了成大功,经历过艰苦的磨炼,洒下了辛勤的汗水。他的才干正表现为深入实际,勤于实践。

◎故事感悟

靳辅是个知人善任的官吏。他任总督时,陈潢是其得力的僚属,凡治河之事,无不向陈垂询和请教,靳辅治河十余年的成就,与陈潢的襄助是分不开的。也正是由于这一点,就可以看出靳辅是一个在治理河道方面有着一颗执著的心,这一点是一般人比拟不了的,所以也使得他在治河方面成为了专家,成为一个“其才可以成大功”的人。

◎史海撷英

康熙用人用心不用力

康熙时期,黄河泛滥成灾,朝廷对于如何治理黄河存在很大的争论。当时有个名叫崔维雅的人,曾在河南、浙江等地多年任府州县官,参与治河,卓有成效。他曾写有《河防刍议》、《两河治略》,对靳辅提出的一套治河方案多持否定态度。