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那些遠去的中國古代科技成就,二十四大發明引領技術巔峰

科學傳統起源於西方,“科學”一詞是近代才在中國廣泛運用。 作為歷史悠久的國度, 我國古代科學技術的典型成就有哪些?它們是如何影響了中國的歷史進程?

如果按照歷史書中常談到的“農、醫、天、算”四個方面來分析古代科學成就, 我們會發現, 中國古代農業和古代醫學並不屬於科學範疇。 最能代表我國古代科學成就的還是天文學和數學, 即“天”、“算”。

這兩門學科在我國古代聯繫得十分緊密, 因為對日月五星運行規律的認識以及日食、月食的推測, 都離不開數學上的計算。

舉一個例子,漢代已形成的“談天三家”—也就是當時古人對宇宙的三種認識, 分別是“蓋天說”、“渾天說”與“宣夜說”。 除了“宣夜說”有點玄奧抽象外, “蓋天說”與“渾天說”均是由數學模型作為支撐的。

儘管兩者建構了不同的宇宙模型, 但是有一條是共同堅守的, 就是“日影千里差一寸”, 也即八尺之表的日影,

在子午線方向上千里會差一寸。 而“日影千里差一寸”最早源自《周髀算經》, 該書既是一部數學著作, 也是一部天文學著作。 需要說明的是, “千里差一寸”的論證是錯誤的, 一直到了唐代, 一行和尚通過實測, 才使它壽終正寢。

我國古代天文學還把地上的事物都搬到天上,形成了獨具特色的“三垣二十宿”體系。 該體系是天上、人間對應比附的產物, 是軍國星占體系的一種反映, 即為戰爭勝負、王室興衰、年成豐歉等軍國大事服務的, 但這已經走出了科學的範疇。

我國古代數學的基調是由成書於漢代的《九章算術》確立的。 那麼《九章算術》的基調是什麼呢?就是服務於實際生產生活的應用問題集:一題一答一術。

“題”就是題目, “答”就是答案,“術”就是演算法。 那麼推理、論證的過程呢?書中是查不到的, 因為根本就沒寫。 所謂“九章”, 就是9大類應用題目, 比如“方田”是計算土地面積的問題集, “商功”是計算各種工程(溝渠、倉窖等)的土方、人工等。

經常有人將《九章算術》與古希臘歐幾裡德的《幾何原本》作對比,

這兩部書的確也代表了東西方不同的思維風格, 一個是以“算”為特徵的實用化體系, 一個是以“證”為特徵的演繹邏輯體系。

說到我國古代數學,大家都會聯想到南朝祖沖之在圓周率上的貢獻。 不過, 祖沖之的《綴術》已經失傳,

他對圓周率的推算, 學界認為是在魏晉時期劉徽“割圓術”的基礎上得到的。 當時要計算出密率355/113的確是很了不起的成就, 要知道那個年代要用算籌去計算開方在內的大數目運算, 難度可想而知。

在我國古代的科學門類中,物理學、化學較天文學、數學經驗性成分更多, 包括北宋沈括在《夢溪筆談》中的眾多記載, 基本是經驗現象的羅列與陳述, 當然不乏一些細緻的觀察與描述。

唐代中葉到元代中葉是我國古代數學發展的黃金時期,特別是宋元時期達到了頂峰。發展到高峰的標誌有二:首先是數學著作繁興,宋代前後不到300年竟出了50本之多;其次是水準高,就是在演算法的改進與抽象化程度方面前進了許多。無論是高次方程的近似解法、多元一次方程組的解法、高階等差級數、同餘方程組解法等,都達到了當時世界上的最高水準。

從元中葉到明末,中國古代數學整體江河日下,以至於當時學界竟然連宋元時期的數學著作都讀不懂了。到了明末,隨著傳教士的東來,西方的數學知識開始譯介、引入;後來又經過清末第二次“西學東漸”,直到20世紀初我國數學才匯入世界數學發展的洪流。

談到我國古代的技術成就,大家首先想到的會是“四大發明”,但這一話題談的太多。從技術史專業的角度來看,近些年提出的“中國二十四大發明”更值得關注。

這“二十四大發明”,除了少量不屬於技術的專案外(如漢字、十進位計數法等),大部分的確代表了我國古代技術成就的精華,比如粟作和稻作、以生鐵為本的鋼鐵技術、木結構的營造技藝等。但綜合來看,我國以農業生產與天文觀測方面的技術成就最為突出。

農業技術創新方面,我國漢代創制的三件農事器具值得一提。其一是耬車,也叫耬,華北地區稱之為耩子。耬車是一種北方用的條播器具,能夠同時完成開溝和下種程式,後來又在耬車後面拖上覆蓋種子的構件,就更加便於耕種了。耬車的發明,使得單位面積土地上播種量減少,並且有利於之後的田間作業。

其次是翻車,也就是後世稱之為“龍骨水車”的灌溉(或排澇)農具。到了元代,出現了多種形式的翻車,有腳踏翻車、牛轉翻車、水轉翻車等。明代《天工開物》提到一種輕巧的手搖翻車(也叫拔車)。翻車是我國古代江南地區應用最廣泛的提水、排澇農具,也是世界上最早應用鏈傳動的技術設施。

還有一種是風扇車,也叫扇車,是一種清選農具,能夠合理、有效地利用人為產生的風力把糧食籽粒與糠秕分開。唐代詩人徐來軍寫有一首《調笑令》:“翻倒,翻倒,喝得醉來吐掉。轉來轉去自行,千匝萬匝未停。停未?停未?禾苗待我灌醉。”

這裡描述的就是我國唐代時期出現的一種新式提水器具——筒車。大型的筒車遠遠望去就像現代的摩天輪,只不過輪的週邊懸掛的是竹筒,在流水的衝擊下,竹筒在低處兜水,轉到高處時傾瀉到水槽中,水槽通向田地裡進行灌溉。到了宋代,筒車得到普遍應用。現在湖南西部、廣西北部的溪流邊,還能見到筒車的身影。

宋元時期是我國古代技術發展的高峰。北宋曾公亮1044年完成的《武經總要》是我國古代軍事技術全面、系統的反映;北宋李誡于1100年成書的《營造法式》是我國古代木構建築技術達到純熟的標誌;元代王禎1313年寫就的《農器圖譜》是我國古代農事器具的集大成之作。

特別值得一提的是北宋1092年由蘇頌、韓公廉製成的水運儀象台,是我國古代最為複雜的天文儀器。該儀器集渾儀、渾象、圭表、計時與報時為一體,實物高12米,寬7米,蔚為壯觀。這部儀器不像魏晉南北朝那些“奇器”徒有盛名而無法得其傳,因為蘇頌留下了製造這部儀器的《新儀象法要》,並附有插圖66幅圖,後人根據這本書完全可以進行復原。

2012年8月國際天文聯合會在北京召開大會期間,由中科院自然科學史研究所與清華大學等單位復原的模型(原物的1/3)在北京國家會議中心展出,轟動一時。

元代天文儀器上的改進最重要的當屬郭守敬設計的簡儀。簡儀是針對渾儀而言,顧名思義,是簡化了的渾儀。他改進的方法是把赤道裝置與地平裝置分開,去掉一些不必要的環,又在刻度上精細化,使得觀測精度更加精准。

明末1637年宋應星完成的《天工開物》,系統總結了我國農業、手工業方面的技術成就。但是這就像是快下山的夕陽,在迴光返照時眷戀了一下古老的中華帝國,隨後在西方世界轟轟烈烈的工業革命大潮下,中國則與主流技術前沿漸行漸遠。

唐代中葉到元代中葉是我國古代數學發展的黃金時期,特別是宋元時期達到了頂峰。發展到高峰的標誌有二:首先是數學著作繁興,宋代前後不到300年竟出了50本之多;其次是水準高,就是在演算法的改進與抽象化程度方面前進了許多。無論是高次方程的近似解法、多元一次方程組的解法、高階等差級數、同餘方程組解法等,都達到了當時世界上的最高水準。

從元中葉到明末,中國古代數學整體江河日下,以至於當時學界竟然連宋元時期的數學著作都讀不懂了。到了明末,隨著傳教士的東來,西方的數學知識開始譯介、引入;後來又經過清末第二次“西學東漸”,直到20世紀初我國數學才匯入世界數學發展的洪流。

談到我國古代的技術成就,大家首先想到的會是“四大發明”,但這一話題談的太多。從技術史專業的角度來看,近些年提出的“中國二十四大發明”更值得關注。

這“二十四大發明”,除了少量不屬於技術的專案外(如漢字、十進位計數法等),大部分的確代表了我國古代技術成就的精華,比如粟作和稻作、以生鐵為本的鋼鐵技術、木結構的營造技藝等。但綜合來看,我國以農業生產與天文觀測方面的技術成就最為突出。

農業技術創新方面,我國漢代創制的三件農事器具值得一提。其一是耬車,也叫耬,華北地區稱之為耩子。耬車是一種北方用的條播器具,能夠同時完成開溝和下種程式,後來又在耬車後面拖上覆蓋種子的構件,就更加便於耕種了。耬車的發明,使得單位面積土地上播種量減少,並且有利於之後的田間作業。

其次是翻車,也就是後世稱之為“龍骨水車”的灌溉(或排澇)農具。到了元代,出現了多種形式的翻車,有腳踏翻車、牛轉翻車、水轉翻車等。明代《天工開物》提到一種輕巧的手搖翻車(也叫拔車)。翻車是我國古代江南地區應用最廣泛的提水、排澇農具,也是世界上最早應用鏈傳動的技術設施。

還有一種是風扇車,也叫扇車,是一種清選農具,能夠合理、有效地利用人為產生的風力把糧食籽粒與糠秕分開。唐代詩人徐來軍寫有一首《調笑令》:“翻倒,翻倒,喝得醉來吐掉。轉來轉去自行,千匝萬匝未停。停未?停未?禾苗待我灌醉。”

這裡描述的就是我國唐代時期出現的一種新式提水器具——筒車。大型的筒車遠遠望去就像現代的摩天輪,只不過輪的週邊懸掛的是竹筒,在流水的衝擊下,竹筒在低處兜水,轉到高處時傾瀉到水槽中,水槽通向田地裡進行灌溉。到了宋代,筒車得到普遍應用。現在湖南西部、廣西北部的溪流邊,還能見到筒車的身影。

宋元時期是我國古代技術發展的高峰。北宋曾公亮1044年完成的《武經總要》是我國古代軍事技術全面、系統的反映;北宋李誡于1100年成書的《營造法式》是我國古代木構建築技術達到純熟的標誌;元代王禎1313年寫就的《農器圖譜》是我國古代農事器具的集大成之作。

特別值得一提的是北宋1092年由蘇頌、韓公廉製成的水運儀象台,是我國古代最為複雜的天文儀器。該儀器集渾儀、渾象、圭表、計時與報時為一體,實物高12米,寬7米,蔚為壯觀。這部儀器不像魏晉南北朝那些“奇器”徒有盛名而無法得其傳,因為蘇頌留下了製造這部儀器的《新儀象法要》,並附有插圖66幅圖,後人根據這本書完全可以進行復原。

2012年8月國際天文聯合會在北京召開大會期間,由中科院自然科學史研究所與清華大學等單位復原的模型(原物的1/3)在北京國家會議中心展出,轟動一時。

元代天文儀器上的改進最重要的當屬郭守敬設計的簡儀。簡儀是針對渾儀而言,顧名思義,是簡化了的渾儀。他改進的方法是把赤道裝置與地平裝置分開,去掉一些不必要的環,又在刻度上精細化,使得觀測精度更加精准。

明末1637年宋應星完成的《天工開物》,系統總結了我國農業、手工業方面的技術成就。但是這就像是快下山的夕陽,在迴光返照時眷戀了一下古老的中華帝國,隨後在西方世界轟轟烈烈的工業革命大潮下,中國則與主流技術前沿漸行漸遠。

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