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祖冲之不止发明了圆周率(3)指南针和千里船

送交者: 雨地[♀★★*空谷幽兰*★★♀] 于 2021-03-13 11:11 已读 344 次  

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03
指南针和千里船
除了数学和天文学方面的工作以外,祖冲之还制造过各种奇巧的机械,包括指南针和千里船,同时他还通晓音律,堪称毕达哥拉斯式或阿基米德式的博学多才的科学人物。指南针的名称在我国由来已久,但其机制构造均未见流传。据说三国时期的大发明家马钧曾制造出指南针,但到晋时早已失传。
说到马钧,他是陕西兴平人,不善言辞,还口吃,有点像16世纪那位给出三次方程一般解的意大利人塔尔塔利亚。除了指南针,他还奉诏制木偶百戏,民间称“水转百戏”。又改造了织绫机,将工效提高了四五倍。马钧还改良了用于农业灌溉的龙骨水车,以及由诸葛亮发明的军事机械连弩,后者是一种可以连续射箭的装置。
据说,东晋末年,南朝刘宋的开国皇帝刘裕攻入十六国时期后秦的首都长安,得到的许多器物中就有指南针,但“机数不精,虽曰指南,多不审正,回曲步骤,犹须人功正之”。南朝最后一个皇帝顺帝在位时,辅政的萧道成“使冲之追修古法。冲之改造铜机,圆转不穷而司方入如一,马钧以来未有也。”
除了指南针,祖冲之还“以诸葛亮有木牛流马,乃造一器”,此器“不因风水,施机自运,不劳人力”。但因缺乏图像资料,我们无法想象这是何种机械。不过,祖冲之“又造千里船,于新亭江试之,日行八百里”。显然这是一种快船,却不知新亭江在何处?是否是长江上的一段呢?他又“于乐游苑内造水碓磨,武帝(齐武帝,483-494年在位)亲自临视”。
祖冲之的成就不仅限于自然科学方面,他还精通乐理、对于音律很有研究。有史料记载,“冲之解钟律博塞当时独绝,莫能对者”。(注:以上诸引言出自《南齐书》或《南史》中的《祖冲之传》。)另外,祖冲之还著有《易义》《老子义》《庄子义》《释论语》等哲学著作,可惜与他的数学书一样均已失传。他的文学作品有《述异记》,在宋代的类书《太平御览》等古籍中,尚可以看到此文的片断摘录。
汉代骨制算筹,图片来自wikipedia
在祖冲之生活的年代,算盘尚未发明,人们使用一种叫算筹的计算工具,它是一根根几寸长的方形或扁形的小棍子,有竹、木、铁、玉等材料。计算数字的位数越多,所需要摆放的面积就越大,筹算计算一次就要用笔记下结果,这样就无法得到直观的图形和算式。因此只要有差错,就只能从头开始。祖冲之精益求精,反复筹算,才求得圆周率的精准数值。
至于祖暅,他的生卒年代不详,只知他曾任太府卿,这是南朝设置的掌管金帛财帑的官职。由于受家庭尤其是父亲的影响,祖暅从小就对数学有浓厚的兴趣,祖冲之的《大明历》便是在祖暅三次建议的基础上完成的。祖冲之的代表作、曾列入唐代数学教科书并流传朝鲜和日本的《缀术》经学者们考证,有些条目系祖暅所作。至于球体积的计算公式,则应该是祖暅一生最具代表性的发现(如果是他发现的话)
纵观祖冲之父子的两项主要数学成就,因为阿基米德早已给出球体积计算公式,圆周率方面的工作更为世人称道。但那就像体育比赛的记录一样,是为了被人打破而出现的。自从有了无穷级数的表示法和计算机,圆周率的人为竞争便失去了意义。个人认为,南宋数学家秦九韶的两项成就——中国剩余定理和秦九韶算法更有意义,也更重要。但圆周率的结论和故事无疑更容易被普通人了解,也更符合国人的英雄想象。
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