連環(huán)畫(huà)《祖沖之》中的“水碓磨”

指南車(chē)

祖沖之像

　　在古代，科學(xué)家并不太受重視，而祖沖之是少有的、以科學(xué)貢獻(xiàn)在正史中有傳記的一位。生于南京、長(zhǎng)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(xué)家，還是杰出的天文學(xué)家和機(jī)械制造師呢。而他的一系列成就，也要?dú)w功于南北朝時(shí)南京城的空前繁榮。

　　他是數(shù)學(xué)家︱︱

　　第一個(gè)把圓周率推到小數(shù)點(diǎn)后第7位數(shù)，早于歐洲千余年

　　祖沖之(429—500)，字文遠(yuǎn)。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(shí)期杰出的數(shù)學(xué)家。在漢以前，中國(guó)一般用三作為圓周率數(shù)值，即“周三徑一”。這在計(jì)算圓的周長(zhǎng)和面積時(shí)，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(xué)方法基礎(chǔ)上，運(yùn)用開(kāi)密法，經(jīng)過(guò)反復(fù)演算，求出圓周率為：3.1415927＞π＞3.1415926。這是當(dāng)時(shí)世界上最精確的數(shù)值，他也成為世界上第一個(gè)把圓周率的準(zhǔn)確數(shù)值計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)以后第7位數(shù)字的人。直到1000多年后，這個(gè)紀(jì)錄才被歐洲人打破。

　　祖沖之的這一成果，給當(dāng)時(shí)的人們幫了大忙，要知道那時(shí)的量器大多是圓柱狀的，以前很難精確計(jì)算其容積量。此后，人們制造量器時(shí)，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(jì)算，是祖沖之在數(shù)學(xué)上的一項(xiàng)杰出貢獻(xiàn)，有外國(guó)數(shù)學(xué)史家把π叫做“祖率”。

　　甚至連現(xiàn)在的不少I(mǎi)T界人士都認(rèn)祖沖之為“祖宗”。因?yàn)楫?dāng)年英特爾公司推出的奔騰芯片，正是通過(guò)運(yùn)行π的計(jì)算，才發(fā)現(xiàn)芯片運(yùn)算有問(wèn)題。現(xiàn)在計(jì)算π，已經(jīng)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電腦測(cè)試程序，以此來(lái)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)的各項(xiàng)性能，特別是運(yùn)算速度與計(jì)算過(guò)程的穩(wěn)定性。

　　祖沖之的數(shù)學(xué)研究成果后來(lái)匯集成《綴術(shù)》一書(shū)，唐朝時(shí)它曾被當(dāng)作國(guó)子監(jiān)的數(shù)學(xué)課本。

　　他是天文學(xué)家︱︱

　　發(fā)明《大明歷》開(kāi)辟歷法新紀(jì)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(xué)多才。他在南京求學(xué)、任教、做科研期間，在多個(gè)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(xiàn)。

　　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(cè)量計(jì)算的大量資料中，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)過(guò)去歷法的嚴(yán)重誤差，并勇于改進(jìn)，編制成功了《大明歷》，開(kāi)辟了歷法史的新紀(jì)元。

　　在《大明歷》中，祖沖之首次運(yùn)用“歲差”測(cè)定每一回歸年的天數(shù)，結(jié)果跟現(xiàn)代科學(xué)測(cè)定的只相差50秒。其中所使用的回歸年日數(shù)、交點(diǎn)月日數(shù)、木星公轉(zhuǎn)周期、五大行星會(huì)合周期等數(shù)據(jù)也都相當(dāng)精確。此外，他還發(fā)明了用圭表測(cè)量冬至前后若干天的正午太陽(yáng)影長(zhǎng)以定冬至?xí)r刻的方法，這個(gè)方法也為后世長(zhǎng)期采用。

　　祖沖之申請(qǐng)改用《大明歷》的舉動(dòng)，對(duì)傳統(tǒng)的天地、星月、歷法帶來(lái)沖擊，因此引來(lái)朝臣一邊倒的質(zhì)疑。守舊勢(shì)力抬出古圣先賢的招牌來(lái)壓制祖沖之，認(rèn)為“冬至?xí)r的太陽(yáng)總在一定的位置上，這是古圣先賢測(cè)定的，是萬(wàn)世不能改變的”，并且指責(zé)說(shuō)，“祖沖之以為冬至點(diǎn)每年有稍微移動(dòng)，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(dāng)時(shí)的祖沖之只有30歲出頭，步入仕途不久，官階很低，但他無(wú)所畏懼、據(jù)理力爭(zhēng)。他寫(xiě)了一篇有名的《駁議》，根據(jù)古代文獻(xiàn)記載和多年來(lái)親自觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)，證明冬至點(diǎn)的確是有變動(dòng)的，堅(jiān)定地表示：“決不應(yīng)該盲目迷信古人。既然發(fā)現(xiàn)了舊歷法的缺點(diǎn)，又確定了新歷法有許多優(yōu)點(diǎn)，就應(yīng)當(dāng)改用新的?！?/p>

　　祖沖之嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神和有理有據(jù)的駁議，贏(yíng)得了這場(chǎng)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(shí)又有一個(gè)太子支持改歷，也因太子去世而錯(cuò)過(guò)了機(jī)會(huì)。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?dú)v》之名頒行。

　　祖沖之還提出了新閏法。在此前的1000多年里，我國(guó)歷法家一向把19年定為計(jì)算閏年的單位，期間含有7個(gè)閏年(13個(gè)月)。但這樣不夠周密、精確。祖沖之吸取了前人的先進(jìn)理論，加上自己的觀(guān)察，提出了391年內(nèi)144閏的新閏法，這在當(dāng)時(shí)算是最精密的了。

　　他是機(jī)械制造師︱︱

　　曾經(jīng)發(fā)明過(guò)千里船、指南車(chē)、水碓磨等實(shí)用工具

　　祖沖之還是位杰出的機(jī)械制造師。他的祖父祖昌，做過(guò)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(jī)械制造上多有發(fā)明。

　　《南齊書(shū)·祖沖之傳》中記載：“以諸葛亮有木牛流馬，乃造一器，不因風(fēng)水，施機(jī)自運(yùn)，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(lái)速度并不快，但驗(yàn)證了一種高效的推進(jìn)方法。在當(dāng)時(shí)，船只是以風(fēng)力和人力作動(dòng)力，以槳、櫓等作為推進(jìn)工具。而祖沖之發(fā)明的這種船，能“不勞人力”作為動(dòng)力源，又“不因風(fēng)水”影響高機(jī)動(dòng)性。后來(lái)祖沖之兒子祖暅做了掌管船舶制造和運(yùn)輸?shù)奶矍洌蛟S與他父親的這項(xiàng)發(fā)明有些關(guān)系。

　　從遠(yuǎn)古時(shí)代黃帝對(duì)蚩尤作戰(zhàn)，就開(kāi)始使用指南車(chē)來(lái)辨別方向，但以前是在戰(zhàn)車(chē)上方設(shè)置一木人，讓人在車(chē)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)使之指南。祖沖之造了一個(gè)銅制機(jī)械安上，無(wú)論車(chē)子如何轉(zhuǎn)動(dòng)，都能自動(dòng)調(diào)整指南。

　　當(dāng)時(shí)北方有一叫索馭驎的人，也聲稱(chēng)能造指南車(chē)，齊高帝蕭道成倒也高興，令他們各自造了一個(gè)，在樂(lè)游苑(今九華山一帶，是當(dāng)時(shí)著名的皇家園林)比試，由大臣王僧虔、劉休兩人實(shí)地考察。結(jié)果證明，祖沖之的指南車(chē)構(gòu)造精巧、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，索馭驎只得認(rèn)輸，并把自己的指南車(chē)毀掉了。

　　根據(jù)文獻(xiàn)記載，可以知道祖沖之的指南車(chē)是利用齒輪互相帶動(dòng)的結(jié)構(gòu)制成的，達(dá)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(wú)幾。

　　祖沖之也制造了很有用的勞動(dòng)工具，比如水碓磨。它是用水力驅(qū)動(dòng)水輪，代替人腳來(lái)?yè)軇?dòng)碓杵的尾端，使其能舂谷。在這個(gè)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(lè)游苑觀(guān)摩過(guò)它，這時(shí)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(lái)了天時(shí)地利人和

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

　　曾有人專(zhuān)門(mén)探討過(guò)，祖沖之為什么能有這么多的發(fā)明。追根究底，與當(dāng)時(shí)南京的人文環(huán)境有關(guān)。六朝時(shí)期的南京城，人口超過(guò)100萬(wàn)，是世界第一大城市，又是國(guó)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(xué)、藝術(shù)等諸方面達(dá)到了空前繁榮。這些為祖沖之的發(fā)明創(chuàng)造提供了天時(shí)地利人和。

　　祖沖之年輕時(shí)就好學(xué)博覽，20歲就被孝武帝派至當(dāng)時(shí)朝廷的學(xué)術(shù)研究機(jī)關(guān)華林學(xué)省做研究工作，后來(lái)又到設(shè)在南京朝天宮冶山的總明觀(guān)任職。當(dāng)時(shí)的總明觀(guān)是全國(guó)最高的科研學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于現(xiàn)在的中國(guó)科學(xué)院?？偯饔^(guān)內(nèi)分設(shè)文、史、儒、道、陰陽(yáng)5門(mén)學(xué)科，實(shí)行分科教授制度，請(qǐng)來(lái)各地有名望的學(xué)者任教，祖沖之就是其一。在這里，祖沖之接觸了大量國(guó)家藏書(shū)，包括天文、歷法、術(shù)算方面的書(shū)籍，具備了借鑒與拓展的先決條件?！端鍟?shū)·律歷志》確認(rèn)祖沖之是在南朝的宋末演算出圓周率，而此時(shí)他正在南京總明觀(guān)中工作。

　　“割圓術(shù)”示意圖

　　祖沖之不僅在中國(guó)享有盛名，在世界上也廣為人知。

　　為紀(jì)念這位偉大的古代科學(xué)家，國(guó)際天文學(xué)家聯(lián)合會(huì)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(tái)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(xué)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(xué)禮堂的走廊上鑲嵌有祖沖之的大理石塑像。

　　我國(guó)在1954年也選用祖沖之等4位古代科學(xué)家的肖像出版了《中國(guó)古代科學(xué)家(第一組)》紀(jì)念郵票。（陳鴻昊）