张衡:以铜丸听大地的动静
张衡(78—139年),东汉南阳西鄂人,两度出任太史令。阳嘉元年(132年),他“复造候风地动仪”——这是后世认识地动仪的唯一文字依据,《后汉书·张衡传》仅196字:以精铜铸成,员径八尺,形似酒尊,外有八龙衔丸、下有蟾蜍承之,“虽一龙发机,而七首不动,寻其方面,乃知震之所在”。
但传文只写了外观与效果。“中有都柱,傍行八道,施关发机”——都柱是直立杆还是悬垂摆?八道是滑道还是传动杆?传文一个字也没有展开。内部机械的全部细节至今待考,今日所见的复原模型都是现代研究者的推断,不等于原器。传文所载“一龙机发而地不觉动,后数日驿至,果地震陇西”的故事,也仅为传文孤证,更早的袁宏《后汉纪》没有这个故事,真伪存疑。
年表里的另一面是理论家张衡。他在首任太史令任内(115—121年间)作浑天仪、著《灵宪》,确立浑天宇宙论。《灵宪》残文写道:“夫日譬犹火,月譬如水,火则外光,水则含景”——月光是反射的日光;又以“暗虚”(地影)统一解释月食,这是中国天文学史上第一次从理论上详细解释日月食成因。他同时也写下“在星则星微”的错误推论——创见与错误并存,才是真实的理论工作。
祖冲之:把圆周率关进一个区间
祖冲之(429—500年),《南齐书》称其“范阳遒人也”;生年429年是据“永元二年卒,年七十二”倒推的通行说法。宋大明六年(462年),他编成《大明历》,首次把岁差引入历法,391年置144闰。太子旅贲中郎将戴法兴以“古历未闻此说”反对,祖冲之作《驳议》逐条反驳:“愿闻显据,以窍理实;浮词虚贬,窃非所惧。”辩论虽胜,新历生前未被采用;直到510年,祖暅之奏请颁行,《大明历》才正式施行,一直用到589年——从编成到采用,相隔近半个世纪。
《隋书·律历志》载其圆周率:“以直径一亿为一丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈朒二限之间。”盈数3.1415927,朒数3.1415926——他不只给一个近似值,而是把真值关进一个可验证的区间;又给出密率355/113、约率22/7。但《隋书》只记录了结果,没有说明算法。“继承刘徽割圆术、算到24576边形”是通行推测,不是定论;学界的共识恰恰是算法失传。
他自己在《上大明历表》里写下方法论:“臣少锐愚,尚专攻数术,搜练古今,博采沈奥……不虚推古人者也!”——先穷尽前人成果,再亲手验证,不盲从古人。附带一则辨伪:后世称355/113为“祖率”,实为日本数学史家三上义夫1913年提议的纪念性命名,并非祖冲之本人的用语。
郭守敬:先测验,再谈历法
郭守敬(1231—1316年),邢州邢台人。至元十三年(1276年),忽必烈召议修历,他在御前陈述:“唐一行开元间令南宫说天下测景,书中见者凡十三处。今疆宇比唐尤大,若不远方测验,日月交食分数时刻不同,昼夜长短不同,日月星辰去天高下不同……”(《元史·郭守敬传》)皇帝采纳其奏,“遂设监候官一十四员,分道而出,四海测验,凡二十七所”——东至高丽、西极滇池、南逾朱崖、北尽铁勒。
为这次测验,他革新了观测仪器:简仪去掉传统浑仪最碍事的黄道圈,把赤道与地平测量装置分立、再以云架龙柱合并为一(据中文维基转述,通行待核);仰仪以铜半球承接天光、利用针孔成像把太阳投射成像,直接读出坐标(据郭守敬纪念馆研究论文转述);又立四十尺高表、建登封观星台,以加长的表影换取更高的读数精度(数字据通行说法,待核考古实测报告)。
至元十七年(1280年)新历告成,赐名《授时历》;次年颁行全国,行用至明末约三百六十年,是中国古代行用时间最长的历法。通行研究把招差法、弧矢割圆术、万分法等历算创新归于郭守敬团队(B级:多源一致,未核原始历书文本);一年365.2425日,与1582年欧洲格里高利历所用数值相同(同为B级)。注意两个常见误传:1280年是完成赐名之年,颁行在1281年;“历之本在于测验”是准确的通行概括,但不是《元史》本传原话,引用时须注明是转述。