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中国科学家的故事
祖冲之
提起圆周率,人们自然而然会把它和一位伟大的科学巨星的名字联系在
一起。他,就是我国南北朝时期闻名天下的数学家、天文学家、机械制造家
——祖冲之。
祖冲之,字文远,范阳郡遒县(今河北涞水县)人,公元年生于一
个封建士大夫世家。他的曾祖父、祖父和父亲都在文学或科学文化领域内有
很深的造诣。西晋末年,为避战火,祖氏举家南迁,到了当时全国经济文化
最繁荣的江南地区。因此,祖冲之从蹒跚学步之日起,眼见的是汗牛充栋的
典籍,耳闻的是琅琅书声,不知不觉对学问产生了浓厚的兴趣。每本书,都
在他的面前展开了一片神奇的天地,引起他无穷无尽的遐想。文学、哲学、
自然科学、音乐⋯⋯,他无所不爱,不过最使他着迷的还是数学、天文学和
机械制造。在这几个方面,他所表现出的非凡的悟性,常使周围的大人惊叹
不止。
祖冲之没有进过学校,却凭着超人的勤奋和聪慧的天资,读了大量的、
远非教科书所能比拟的书籍,用他自己的话说,就是“搜炼古今,博采沈奥”。
而且,他读书从不盲从,不论著者多么有名气,他都要经过自己的思辨;也
从不死读书,凡事总爱问个“为什么”,还总是要亲自动手实验。比如,对
天象的观察、日影的测量,都是从他少年时代就开始的。这样枯燥琐细的工
作,连成人也难于持久,这个稚嫩的少年却坚持下来了。正是由于他有这样
一种“不达目的誓不休”的韧劲,那部名垂世界天文学史的光辉著作《大明
历》才能问世;也正由于他的刻苦钻研、善于创新,才取得了圆周率计算的
巨大成就,才使他那无与伦比的才华和智慧在天文历法和数学之外的机械制
造、音乐律度、文学以及经学等各个领域都发出夺目的光彩。
祖冲之岁的时候,被请进宋孝武帝创办的全国最高学术机构——华林
学省。这里,集中了刘宋王朝的许多博学多才之士。祖冲之自然不甘落后,
更加发奋钻研,努力向科学的巅峰攀登。他的第一个目标,就是对古历法的
冲击。
相传,还在黄帝时代,我国就有了历法。当然,这仅仅是传说。但据考
证,可以肯定,历法至迟在殷代晚期就已出现了,而到春秋、战国时代,历
法变得进一步系统化,出现了“古六历”(黄帝历、颛顼历、夏历、殷历、
周历、鲁历)。祖冲之生活的时代,用的是他的恩师何承天编制的“元嘉历”。
古代历法为阴历。按阳历算,地球绕太阳(当时的说法是太阳绕地球)
一周为一年,大约天;而阴历,是根据月亮的盈亏圆缺而制定的,
每年约天,比阳历少天多。为使阴历和阳历的天数相合,历代天文学
家都采用了置闰的方法,即每过几年,阴历的一年就多加一个月,这多增加
的月就叫闰月。“元嘉历”沿用了千年以来的每年置闰的闰周。按这个
闰法,每年就会误差天。祖冲之经过精确计算,提出年闰的
新闰周,其误差显然缩小了许多。
还有,地球在一面绕自己的纵轴自转、一面又绕太阳公转的时候,每年
都有很小的位差,所以,地球上每一年的节气时刻都有变化,天文学上叫做
“岁差”。在汉代以前,古天文学家对岁差现象毫无觉察,直到东晋成帝时,
它才被一位叫虞喜的科学家发现。不过,以后历代的天文学家对虞喜的发现
似乎熟视无睹。祖冲之却运用土圭测量日影的方法证实了“岁差说”的正确
性,而且还在历法计算中运用了岁差,使历法上第一次把恒星年(地球绕太
阳一周的时间)与回归年(两次冬至间的时间)区别开来,并进而明白了极
点也在移动,从而开创了中国历法的新纪元。
另外,祖冲之还发现,月亮运行的轨道与太阳运行的轨道有两个交叉点。
他把月亮从一个交点出发、经过第二个交点、又回到第一个交点所需要的时
间,称为“交点月”,并计算出交点月的周期时间为日,与现代
测定的日相差不到秒钟。祖冲之在历法中引入“交点月”,为
更加精确地预测、推算日食和月食发生的时间创造了便利的条件。实际上,
他在《大明历》中预测到从公元年到公元年年间有次月食,都
已为实践所证实。
公元年, 岁的祖冲之编制成了著名的《大明历》,当即报奏朝廷,
请求行用。但是,上至宋孝武帝,下至满朝文武,竟无一人能对此说出个子
丑寅卯。尴尬之中,太子旅贲中郎将(即太子的师傅)戴兴法出于根深蒂固
的守旧意识,专横武断地否定了《大明历》。他虽无任何科学依据,但凭着
宋孝武帝的宠信和炙手可热的权势,使周围的人只得唯唯诺诺,随声附和。
祖冲之却全然不顾这些,面对戴兴法的发难,他面无惧色,据理力争,写下
了著名的科学文献——《辩戴兴法难新历》。在这篇战斗檄文中,他列举古
六历的疏误,指出必须匡正谬误的意义所在;再次阐明《大明历》的科学性,
对戴兴法的观点一一进行了反驳。一场大辩论,旷日持久地进