連環(huán)畫《祖沖之》中的“水碓磨”

指南車

祖沖之像

　　在古代，科學家并不太受重視，而祖沖之是少有的、以科學貢獻在正史中有傳記的一位。生于南京、長于南京的他，不僅是早于歐洲千余年推算出7位小數(shù)圓周率的數(shù)學家，還是杰出的天文學家和機械制造師呢。而他的一系列成就，也要歸功于南北朝時南京城的空前繁榮。

　　他是數(shù)學家︱︱

　　第一個把圓周率推到小數(shù)點后第7位數(shù)，早于歐洲千余年

　　祖沖之(429—500)，字文遠。其祖籍河北淶水，為避戰(zhàn)亂，祖父祖昌帶著一家人遷至江南。祖沖之就出生在建康(南京)，除曾在鎮(zhèn)江、昆山工作幾年外，一生72年中有60多年在南京生活。

　　祖沖之是南北朝時期杰出的數(shù)學家。在漢以前，中國一般用三作為圓周率數(shù)值，即“周三徑一”。這在計算圓的周長和面積時，誤差很大。祖沖之在劉徽創(chuàng)造的用“割圓術(shù)”求圓周率的科學方法基礎(chǔ)上，運用開密法，經(jīng)過反復演算，求出圓周率為：3.1415927＞π＞3.1415926。這是當時世界上最精確的數(shù)值，他也成為世界上第一個把圓周率的準確數(shù)值計算到小數(shù)點以后第7位數(shù)字的人。直到1000多年后，這個紀錄才被歐洲人打破。

　　祖沖之的這一成果，給當時的人們幫了大忙，要知道那時的量器大多是圓柱狀的，以前很難精確計算其容積量。此后，人們制造量器時，就采用祖沖之推算的數(shù)值，減少了誤差，為日常生活提供了方便。

　　圓周率的計算，是祖沖之在數(shù)學上的一項杰出貢獻，有外國數(shù)學史家把π叫做“祖率”。

　　甚至連現(xiàn)在的不少IT界人士都認祖沖之為“祖宗”。因為當年英特爾公司推出的奔騰芯片，正是通過運行π的計算，才發(fā)現(xiàn)芯片運算有問題。現(xiàn)在計算π，已經(jīng)成為一個標準的電腦測試程序，以此來驗證計算機的各項性能，特別是運算速度與計算過程的穩(wěn)定性。

　　祖沖之的數(shù)學研究成果后來匯集成《綴術(shù)》一書，唐朝時它曾被當作國子監(jiān)的數(shù)學課本。

　　他是天文學家︱︱

　　發(fā)明《大明歷》開辟歷法新紀元，一度被批“大逆不道”

　　圓周率這一巨大的光環(huán)，讓很多人忽視了祖沖之的博學多才。他在南京求學、任教、做科研期間，在多個領(lǐng)域都取得了不可忽視的成就。最值得一提的，是他在天文歷法方面的貢獻。

　　這主要是指祖沖之于公元462年編制成功的《大明歷》。他從親自測量計算的大量資料中，對比分析發(fā)現(xiàn)過去歷法的嚴重誤差，并勇于改進，編制成功了《大明歷》，開辟了歷法史的新紀元。

　　在《大明歷》中，祖沖之首次運用“歲差”測定每一回歸年的天數(shù)，結(jié)果跟現(xiàn)代科學測定的只相差50秒。其中所使用的回歸年日數(shù)、交點月日數(shù)、木星公轉(zhuǎn)周期、五大行星會合周期等數(shù)據(jù)也都相當精確。此外，他還發(fā)明了用圭表測量冬至前后若干天的正午太陽影長以定冬至時刻的方法，這個方法也為后世長期采用。

　　祖沖之申請改用《大明歷》的舉動，對傳統(tǒng)的天地、星月、歷法帶來沖擊，因此引來朝臣一邊倒的質(zhì)疑。守舊勢力抬出古圣先賢的招牌來壓制祖沖之，認為“冬至時的太陽總在一定的位置上，這是古圣先賢測定的，是萬世不能改變的”，并且指責說，“祖沖之以為冬至點每年有稍微移動，是誣蔑了天，違背了圣人的經(jīng)典，是一種大逆不道的行為”。

　　當時的祖沖之只有30歲出頭，步入仕途不久，官階很低，但他無所畏懼、據(jù)理力爭。他寫了一篇有名的《駁議》，根據(jù)古代文獻記載和多年來親自觀測的數(shù)據(jù)，證明冬至點的確是有變動的，堅定地表示：“決不應該盲目迷信古人。既然發(fā)現(xiàn)了舊歷法的缺點，又確定了新歷法有許多優(yōu)點，就應當改用新的。”

　　祖沖之嚴謹求實的精神和有理有據(jù)的駁議，贏得了這場大辯論。最終，宋孝武帝決定在宋大明九年(465)改行新歷。

　　可惜好事多磨。就在大明八年，孝武帝死了，改歷的事也被擱置。南齊時又有一個太子支持改歷，也因太子去世而錯過了機會。一直到祖沖之去世后10年，即梁天監(jiān)九年(510)，《大明歷》才以《甲子元歷》之名頒行。

　　祖沖之還提出了新閏法。在此前的1000多年里，我國歷法家一向把19年定為計算閏年的單位，期間含有7個閏年(13個月)。但這樣不夠周密、精確。祖沖之吸取了前人的先進理論，加上自己的觀察，提出了391年內(nèi)144閏的新閏法，這在當時算是最精密的了。

　　他是機械制造師︱︱

　　曾經(jīng)發(fā)明過千里船、指南車、水碓磨等實用工具

　　祖沖之還是位杰出的機械制造師。他的祖父祖昌，做過劉宋朝的大匠卿，這是掌管土木工程的大官。祖沖之天生就心靈手巧，加上受到良好的教育，因此在機械制造上多有發(fā)明。

　　《南齊書·祖沖之傳》中記載：“以諸葛亮有木牛流馬，乃造一器，不因風水，施機自運，不勞人力。又造千里船，于新亭江試之，日行百余里……”

　　祖沖之在新亭江(在今南京市西南)為他的“千里船”所做的處女航，雖然在今天看來速度并不快，但驗證了一種高效的推進方法。在當時，船只是以風力和人力作動力，以槳、櫓等作為推進工具。而祖沖之發(fā)明的這種船，能“不勞人力”作為動力源，又“不因風水”影響高機動性。后來祖沖之兒子祖暅做了掌管船舶制造和運輸?shù)奶矍洌蛟S與他父親的這項發(fā)明有些關(guān)系。

　　從遠古時代黃帝對蚩尤作戰(zhàn)，就開始使用指南車來辨別方向，但以前是在戰(zhàn)車上方設(shè)置一木人，讓人在車內(nèi)轉(zhuǎn)動使之指南。祖沖之造了一個銅制機械安上，無論車子如何轉(zhuǎn)動，都能自動調(diào)整指南。

　　當時北方有一叫索馭驎的人，也聲稱能造指南車，齊高帝蕭道成倒也高興，令他們各自造了一個，在樂游苑(今九華山一帶，是當時著名的皇家園林)比試，由大臣王僧虔、劉休兩人實地考察。結(jié)果證明，祖沖之的指南車構(gòu)造精巧、運轉(zhuǎn)靈活，索馭驎只得認輸，并把自己的指南車毀掉了。

　　根據(jù)文獻記載，可以知道祖沖之的指南車是利用齒輪互相帶動的結(jié)構(gòu)制成的，達到指南的功能，而且使用了離合器，與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)相差無幾。

　　祖沖之也制造了很有用的勞動工具，比如水碓磨。它是用水力驅(qū)動水輪，代替人腳來撥動碓杵的尾端，使其能舂谷。在這個基礎(chǔ)上，他又研究了水力磨面，并創(chuàng)造性地將水碓和水磨兩件東西集中在一起制造出組合式水力工具——水碓磨。齊武帝曾親自到樂游苑觀摩過它，這時的祖沖之已是花甲老人了。

　　他是南京人︱︱

　　南京的空前繁榮，

　　帶來了天時地利人和

　　在古代，科學家并不太受重視。祖沖之是少有的、以科學貢獻在正史中有傳記的科學家，在《南史》和《南齊書》中都有他的傳記。

　　曾有人專門探討過，祖沖之為什么能有這么多的發(fā)明。追根究底，與當時南京的人文環(huán)境有關(guān)。六朝時期的南京城，人口超過100萬，是世界第一大城市，又是國家的都城，承漢啟唐，創(chuàng)造了燦爛的“六朝文明”，并在科技、文學、藝術(shù)等諸方面達到了空前繁榮。這些為祖沖之的發(fā)明創(chuàng)造提供了天時地利人和。

　　祖沖之年輕時就好學博覽，20歲就被孝武帝派至當時朝廷的學術(shù)研究機關(guān)華林學省做研究工作，后來又到設(shè)在南京朝天宮冶山的總明觀任職。當時的總明觀是全國最高的科研學術(shù)機構(gòu)，相當于現(xiàn)在的中國科學院。總明觀內(nèi)分設(shè)文、史、儒、道、陰陽5門學科，實行分科教授制度，請來各地有名望的學者任教，祖沖之就是其一。在這里，祖沖之接觸了大量國家藏書，包括天文、歷法、術(shù)算方面的書籍，具備了借鑒與拓展的先決條件。《隋書·律歷志》確認祖沖之是在南朝的宋末演算出圓周率，而此時他正在南京總明觀中工作。

　　“割圓術(shù)”示意圖

　　祖沖之不僅在中國享有盛名，在世界上也廣為人知。

　　為紀念這位偉大的古代科學家，國際天文學家聯(lián)合會將月球背面的一座環(huán)形山命名為“祖沖之環(huán)形山”，并將南京紫金山天文臺于1964年發(fā)現(xiàn)的1888小行星命名為“祖沖之小行星”。巴黎“發(fā)現(xiàn)宮”科學博物館的墻壁上著文介紹了祖沖之求得的圓周率，莫斯科大學禮堂的走廊上鑲嵌有祖沖之的大理石塑像。

　　我國在1954年也選用祖沖之等4位古代科學家的肖像出版了《中國古代科學家(第一組)》紀念郵票。（陳鴻昊）