祖冲之

祖冲之(429-500)中国南北朝时代南朝的科学家。字文远。他推算出圆周率π的值在3.1415926和3.1415927之间,并提出了π的约率22/7和密率355/113,提出密率值要比欧洲早一千多年。数学著作有《缀术》和《九章术义注》,都已失传。在天文学方面,他编制的《大明历》,首先考虑到岁差问题的计算,对于日月运行周期的数据比当时的其他历法更为准确。又曾改造指南车,作水碓磨、千里船等,都很机巧。遗憾的是,他生前未能看到《大明历》的正式颁行。

1.公元429年,祖冲之出生在范阳(今河北涞水)。祖父祖昌是当朝的大匠卿(主管建筑工程的长官),并且对天文历法及数学也有一定的研究。祖父经常给祖冲之讲一些科学家的故事,其中张衡发明地动仪的故事深深地打动了他那幼小的心灵。

2.祖冲之常跟祖父去工地上玩。晚上,在那里他同农村小孩们一起在场地上乘凉。天上星星闪烁,祖冲之看来,这些星星是很杂乱的散布着的,农村孩子们却能叫出星星的名称,如牛郎、织女以及北斗星等。祖冲之觉得自己的见闻太少了。

3.13岁时,祖冲之进了皇家学校——国子学。在那里他得到了当朝伟大的天文学家何承天的教诲。由于他虚心好学,尊敬师长,因此,何承天非常乐意向他传授知识。从此,祖冲之越来越对天文学发生了浓厚的兴趣。

4.有一回,祖冲之从国子学回家的路上,边走边思考:月食为什么都发生在十五左右的晚上?——路边的人看着他那般点头、摇头、双手乱比划的“傻”劲,都偷偷地笑他,有些小孩还跟在后面看稀奇……

5.20岁刚出头,他的“博学多才”在当地已很出名了,又被宋孝武帝招进专为有“才能”的人成立的“华林学省”(相当于后来的科学院一类机构)。祖冲之在短短几年中,根据皇上的意思写完了《易义释》、《孝经注》、《论语注》等几部哲学著作。

6.华林学士们住着御赐的房子,穿着御赐的衣服,坐着御赐的马车,生活非常舒适安逸。但祖冲之却对这一切越来越感到厌倦,他下决心排除周围的干扰,坚定地走自己的路,坚持进行着他的天文、数学的研究。

7.经过长时期的研究测算,祖冲之测出459年9月15日晚将发生月食现象,而根据当时皇上颁发的何承大的《元嘉历》来看,这天并不会出现月食。为了把自己的预测告诉人们,祖冲之破例受邀参加了当时权势显赫的宠臣戴法兴的生日宴。

8.当祖冲之宣布今天将有月食发生时,戴法兴发怒了。他认为自己的生日出现“天狗吃月亮”极不吉利,这是祖冲之有意和他过不去。祖冲之从容地解释道:月食就是月圆时太阳光被地球遮住,月亮上出现黑影,是一种自然规律,并不预示人间吉凶。

9.祖冲之还说:“这些道理,古人就懂得并能预报,只不过计算不准罢了。”戴法兴还是不信,决定若有差错,将治罪祖冲之。当宴会举行到高潮时,月食准确地发生了。祖冲之的声望提高了,然而恼羞成怒的戴法兴,从此对祖冲之记恨在心。

10.预测月食的成功,极大地鼓舞了祖冲之。他为了能从事自己的研究,脱离了京都的是非之地,来到南徐州担任从事史,以便利用大部分空余时间来研究天文。他在自己的院子里设置了不少仪器,如圭表、计时器、浑仪等。

11.不久,祖冲之发现前人测定冬至日的用具圭表较简陋,用它来测定冬至日期不很准确。于是他改进了观测技术,观测冬至前后近一个月的日影长度,取其平均值,终于精确地求出冬至发生的日期和时刻,进而算出了回归年的长度。

12.祖冲之还通过深入研究和实际观察天象,发现老师何承天的《元嘉历》有许多不足之处。于是,他大胆提出改革历法,在他33岁时终于编成了新的历法《大明历》。

13.祖冲之带着他的《大明历》和奏章,从南徐州赶赴京城。他要亲手把《大明历》献给宋孝武帝。一路上,他骑在马上,边行路边看着路边盛开的花卉,飞舞的蜜蜂,心情舒畅极了。

14.新历法送到了宋孝武帝的面前。宋孝武帝并不重视科学,可是历法中讲到许多天象,他却很关心。于是,他专门召集了一些显要大臣和一些掌管历法的官员,进行了一场激烈的改历大辩论。

15.宋孝武帝的宠臣戴法兴竭力反对。他认为历法是自古流传下来,不能随意改变,改了就是亵渎上天,叛祖离道。朝中大臣惧怕得罪戴法兴,都附和他,只有巢尚之一人支持祖冲之,主张采用《大明历》。

16.祖冲之反驳说:“《大明历》中的数据都是我十几年如一日测量出来的。况且古人的历法也是测日观天才得到的,有了错怎么就不能改?”事后,他又以科学的态度写下了科学史上有名的文献《驳议》,进一步对戴法兴的谬论作了驳斥。

17.经过一年多的努力争取,宋孝武帝终于决定实行《大明历》。但是这一年宋孝武帝突然得病死了,16岁的太子继承皇位,大权落在了戴法兴手中。他不仅取消了《大明历》的实行,还革去了祖冲之的从事史职务。

18.祖冲之并不因此泄气,他下决心专门研究数学,以解决一些生产中的实际问题。首先他发现三国时代大数学家刘徽作注的《九章算术》有所不足,他找到了新的、更精确简便的解法。于是着手于给《九章算术》重新作注。

19.此间,祖冲之又发现了刘徽提到的“割圆术”。所谓“割圆术”就是先在圆内画个正6边形,其边长正好等于半径,再分12边形,用勾股定理求出每边的长,然后再分24、48边形,一直把多边形分下去,所得多边形各边长之和就可得出圆周。

20.祖冲之非常佩服刘徽这个科学方法,但刘徽的圆周率只算到96边,得出3.14的结果后就没有再算下去,祖冲之决心按刘徽开创的路子继续走下去,一步一步地计算出192边形、384边形……以求得更精确的结果。

21.当时,数字运算还没有用纸、笔和数码,而是通过纵横相间地罗列小竹木棍,然后按类似珠算术的方法进行计算。祖冲之先在房间地板上画了个直径为一丈的大圆,又在里边作了个正六边形,然后摆开他自己做的许多小木棍开始计算起来。

22.祖冲之13岁的儿子祖暅,也帮着父亲一起工作,两人废寝忘食地计算了十几天才算到96边,却发现结果比刘徽的少0.000002丈。祖暅说:“我们算得很仔细,一定没错,可能是刘徽错了。”祖冲之却摇摇头说:“要推翻他一定要有科学依据。”

23.祖冲之和祖暅又花了十几天的时间重新计算了一遍,结果表明刘徽是对的。祖冲之为避免再出误差,以后每一步都至少重复计算两遍,直到二次结果完全相同才罢休。

24.祖冲之终于算到12288边形,再算到24576边形,两者相差仅0.0000001。祖冲之知道从理论上讲,还可以继续算下去,但他已实在无法计算了,只好就此停止。从而得出圆周率必然大于3.1415926而小于3.1415927。

25.祖冲之计算的成绩,被很多朋友知道了,大家纷纷登门向他求教。之后,祖冲之又进一步得出圆周率的密率是355/113,约率是22/7。直到1000多年后,德国数学家鄂图才得出相同的结果。

26.祖冲之又把自己在计算圆周率中的算法、体会以及平时对数学的研究成果综合起来,编了一本书,叫做《缀木》。《缀术》内容非常深奥,曾被规定作为“十部算经”之一,后来传到朝鲜、日本,可惜在宋朝中叶以后这部著作失传了。

27.祖冲之计算出圆周率后名声又响了起来,结果被宋明帝派到一个落后的穷县当县令。祖冲之上任后经常外出视察,一次他看到农民用脚踏碓舂米的情形,觉得既累又慢,便立即与老农商量,请来木匠、石匠,做了一个以立式水轮为动力的水碓。

28.试车成功了。村民们在一旁欢呼雀跃。祖冲之却在一旁思考:如果能做个水碓磨,既能舂米又能磨面不是更好吗?经过反覆实践、改进,水碓磨车终于成功了,这其中包含着水力、杠杆、凸轮的原理。

29.后来,祖冲之又被调到京城任职。当时统治者为出门显示排场与威风,纷纷指令手下工匠制造指南车。祖冲之经过精心研究和设计,再利用精确圆周率计算,在车前做了个铜铸齿轮盘,随便车子怎么转,车上的铜人总是指着南方。

30.479年齐高帝登位,改宋为南齐,当时社会稳定,发明创造比较受到重视,这更激发了祖冲之的热情。他看到农民舂米、磨粉很费力,就制造了一种新的粮食加工机械水碓磨。由于这种机械省力又省时,问世后深受人们的欢迎。

31.接着,祖冲之又根据水碓磨的轮轴转动原理,把船的“桨楫”改成“桨轮”,这种不用帆、桨的船行速如飞,日航百余里,人们称为“千里船”。试船那天,成千上万人赶来观看。在西方一千年后才有桨轮船的出现。

32.祖冲之就是这样不断地进行科学探索。遗憾的是至500年他去世时,《大明历》仍未被正式颁行。他死后儿子祖暅继承了他的事业,经一再上书请求,直到510年,梁武帝萧衍才正式颁布采用《大明历》,这已是《大明历》编出后的第48年了。