中国古代的科学技术,与农耕立国这个基本事实相联系,科学性是建立在对技术的实用性要求基础之上的。秦汉先人有领先世界的科学技术,却少有精密高深的理论总结。重实用而轻理论,对中国科学技术的发展有利有弊。但是不可否认,古代中国的科学技术,曾遥遥领先于世界其他各国和地区。两汉时期是各项科学技术发展突飞猛进、科技发明灿若群星的辉煌时代。
两汉时期天文学得到了长足的发展,初步形成了中国的天文学体系。其中尤为突出的是独具特色的历法体系的形成。天文历法的进步促进了数学的发展,中国古典数学体系形成,出现了一批著名的数学家和数学著作。
■《太初历》
汉初沿用秦以来的“颛顼历”,至武帝时才有历法变革,其标志性成果是中国第一部记载完整的历法—《太初历》。《颛顼历》更多的是出于政治考虑,它以每年十月为岁首,使得农事的开始与历法的岁首相差一季,很不适合农业生产的需要;且使用年代长久,误差累积渐大,以至于朔日、晦日出现新月,而满月不出现在望日,历法与天象不合。针对这些问题,改革历法势在必行。元封年间(前118~前104),司马迁等上书建议改历。武帝予以同意,并诏公孙卿、司马迁等人议改历法。但是随后他们的改历建议遭人质疑,于是武帝又下令重新招募邓平等20多人,再议新历,颁行天下,定名为《太初历》,并将元封七年(前104)改元为太初元年。《太初历》以天文实测为基础,开创古代历法“观天制历”、以天验历的良好传统。其采用夏正,即以正月为岁首,与一年农事起始时间相符,也与人们以春夏秋冬四季为一年的习惯相符合。它规定以无中气之月(即月中无节气)为闰月,比年终置闰更合理,使月份与节气相对固定。《太初历》开创记录日食、月食周期的先河,也极大推进了对日月食规律的研究。可以说,一部《太初历》,就是当时天文学年鉴和天文年历,中、西方历法的不同特色,也从此形成。
■三家论天
古人探索宇宙的结构,起源很早,至汉代形成了“三家论天”的局面。成书最迟不晚于武帝时的《周髀算经》一书,是我国古代著名的天文历算之书。全书以对话形式展开,问答相间,总结先秦时代及秦汉时期我国在天文学和数学方面取得的成就。此书在天文方面系统阐述了宇宙结构理论的“盖天说”,即天空像个斗笠,大地如同翻扣的盆;在数学方面,该书记载了用标竿测日影以求日高的方法,勾股定理由此得以发现。“浑天说”是在使用仪器测量天体位置的基础上产生出来的一种宇宙结构学说。张衡的《浑仪注》对此表达最为清晰:天在外,地在内,“天之包地,犹壳之裹黄”;天地因“气”而立,载水而浮,天表内则充满水。作为探索宇宙的理论,“浑天说”有其巨大成功之处。但“浑天说”与“盖天说”都是有限宇宙的模型,而另一种理论“宣夜说”,则是将宇宙无限思想发展成一种宇宙结构学说的代表。“宣夜说”使用推理的方法,认为各种天体其实都浮生于虚空之中,“气”是日月五星运动的动力,并没有什么东西系着它们。从宇宙结构来说,“宣夜说”是比较科学的学说,但由于它对诸多问题没有解释,故影响不大。“盖天说”与“浑天说”,实际上成为中国古典天文学关于宇宙结构的基本看法。
■张衡与地动仪
张衡(78~139),字子平,南阳西鄂(今河南南阳石桥镇)人。张衡极富文学才华,写出了著名的《西京赋》和《东京赋》;他又是中国历史上杰出的科学家之一,发明了指南车、地动仪、浑天仪等仪器,其中又以候风地动仪最为有名。顺帝阳嘉元年(132),张衡发明地动仪,这是世界上第一台可测地震方位的仪器。它利用物体惯性原理来收集震波,探测地震波的主冲方向,从而测出地震的发生方位。其基本构造符合物理学原理,是现代地震仪的先驱,遥遥领先于世界各国。这台用精铜铸造的地动仪,外形如同酒樽。器体内部中央竖有一根铜柱,称为“都柱”。围绕都柱设有8组与仪体相连接的杠杆机械,即“八道”;“八道”又与仪体外面设置的8条显示方位的垂龙龙头上颌接合。遇有地震,震波传来,“都柱”会向发生地震的方向倾斜,使该方位的龙嘴张开,铜球落入同方向下面的蟾蜍口中,发出声响,用以警报,即“一龙发机,而七首不动,寻其方向,乃知震之所在”。仪器造好后安置在洛阳,但人们始终将信将疑。永和三年(138),西方铜球落下,但当时洛阳并无震感。过了几天,等到陇西发生地震的消息传递到京师后,人们才开始相信地动仪的准确性。
■《九章算术》
《九章算术》博大精深,美誉四方,是中国古代最重要的数学经典。它是先秦数学成就的集大成之作。《张家山汉墓竹简》(247号墓)中的《算术书》,与《九章算术》前7章的主要内容十分接近,两者联系密切,似可看作《九章算术》的母本。《九章算术》不是一时一人之作,而是经历了漫长的时间,由多人删改、修补,最终成书于东汉和帝时期。《九章算术》内容异常丰富,题材广泛。它以问题集的形式出现,分为9章,共246题。每题分为问、答、术3个部分。“问”是问题,“答”是答案,“术”是解题算法。在中国先秦典籍中,虽也记录了不少数学知识,却没有《九章算术》那样的系统论述。该书编排体例由易到难、由浅入深,从而形成了中国传统数学的理论体系。书中关于分数概念及其计算,负数概念及其运算,联立一次方程的解法等,都是极为先进的。后世数学家,大都以此书为入门书,故有“算经之首”的美称。唐宋时期《九章算术》为国家明令规定的教科书,此书还传入周边国家和地区,影响深远。