祖冲之
历法
改革闰法
在古代,
中国
历法家一向把十九年定为计算
闰年
的单位,称为“一章”,在每一章里有七个闰年。也就是说,在十九个年头中,要有七个年头是十三个月,这种闰法一直采用了一千多年。412年,北凉赵厞创作《元始历》,才打破了岁章的限制,规定在六百年中间插入二百二十一个闰月。
祖冲之吸取了赵厞的理论,加上他自己的观察,认为十九年七闰的闰数过多,每二百年就要差一天,而赵厞六百年二百二十一闰也不十分准确。因此,祖冲之提出了391年144闰月的新闰法。
祖冲之的闰周精密程度极高,按照他的推算,一个回归年的长度为365.2428141日,和今时的推算值仅相差46秒。一直到
南宋
的《
统天历
》,才采用了比这更精确的数据。
根据
物理学
原理,刚体在旋转运动时,假如丝毫不受外力的影响,旋转的方向和速度应该是一致的;如果受了外力影响,它的旋转速度就要发生周期性的变化。
地球
就是一个表面凹凸不平、形状不规则的刚体,在运行时常受其他星球吸引力的影响,因而旋转的速度总要发生一些周期性的变化,不可能是绝对均匀一致的。因此,每年太阳运行一周(实际上是地球绕太阳运行一周),不可能完全回到上一年的冬至点上,总要相差一个微小距离。按现代
天文学家
的精确计算,大约每年相差50.2秒,每七十一年八个月向后移一度。这种现象叫作
岁差
。
随着
天文学
的逐渐发展,中国古代科学家们渐渐发现了岁差的现象。西汉的
邓平
、东汉的
刘歆
、
贾逵
等人都曾观测出冬至点后移的现象,不过他们都还没有明确地指出岁差的存在。到
东晋
初年,天文学家
虞喜
才开始肯定岁差现象的存在,并且首先主张在历法中引入岁差。他给岁差提出了第一个数据,算出冬至日每五十年退后一度。后来到南朝刘宋初年,
何承天
认为岁差每一百年差一度,但是他在他所制定的《
元嘉历
》中并没有应用岁差。祖冲之继承了前人的科学研究成果,不但证实了岁差现象的存在,算出岁差是每四十五年十一个月后退一度,而且在他制作的《
大明历
》中应用了岁差。
首次提出“交点月”的计算
祖冲之在我国天文学史上第一次提出,月亮相继两次通过黄道、白道的同一交点的时间(即“交点月”)长度为27.2123日,与现今推算值仅相差十万分之一日,即不到1秒,由于
日食
、
月食
(统称交食),都发生在黄白交点附近,所以祖冲之的交点月长度对于日月食预报具有十分重要的意义。
推算出交点月的日数以后,就更能准确地推算出日蚀或月蚀发生的时间。祖冲之在他制订的《
大明历
》中,应用交点月推算出来的日、月蚀时间比过去准确,和实际出现日、月蚀的时间都很接近。
编撰《大明历》
经过实际观测,祖冲之发现
何承天
所编的当时正在执行的《
元嘉历
》有许多错误,如日月方位距实测值已相差3度,冬至、夏至已差了1天,五星的出没已差40余天,于是他着手编撰《
大明历
》。
祖冲之在《大明历》的编纂中,区分了
回归年
和
恒星年
,最早将
岁差
引进历法,提出了用圭表测量正午太阳影长以定冬至时刻的方法,并采用了391年加144个
闰月
的新闰周,推算出一个回归年为365.24281481日。一直到南宋的《
统天历
》,才采用了比这更精确的数据。
祖冲之
天文
祖冲之对木、
水
、火、金、
土
等五大行星在天空运行的轨道和运行一周所需的时间,也进行了观测和推算,给出了更精确的五星会合周期。中国古代科学家算出
木星
(古代称为
岁星
)每十二年运转一周。西汉
刘歆
作《
三统历
》时,发现木星运转一周不足十二年。
祖冲之进行了重新测量,得出木星每84年超辰一次的结论,即定木星公转周期为11.858年(今测为11.862年)。并得出更精确多五星会合周期,木星398.903日(误差0.019日),火星780.031日(误差0.094日),土星378.070日(误差0.022日),金星583.931日(误差0.009日),水星115.880日(误差0.002日)。
祖冲之所制的指南车
祖冲之设计制造过水碓磨、铜制机件传动的
指南车
、
千里船
、定时器等。在中国古代指南车的名称由来已久,但其机制构造则未见流传。三国时代的马钧曾造指南车,至晋再次亡失。东晋末年
刘裕
攻长安,得
后秦
统治者许多器物,其中也有指南车,但“机数不精,虽曰指南,多不审正,回曲步骤,犹须人功正之”。
南朝宋
昇明
年间(477-479年)
萧道成
辅政,“使冲之追修古法。冲之改造铜机,圆转不穷而司方如一,马钧以来未有也。”祖冲之所制指南车的内部机件全是铜的,它的构造精巧,运转灵活,无论怎样转弯,木人的手常常指向南方。
祖冲之改良了水碓磨。在西晋初年,
杜预
改进发明了“连机碓”和“水转连磨”。一个连机碓能带动好几个石杵一起一落地
舂米
;一个水转连磨能带动八个磨同时磨粉。祖冲之又在这个基础上进一步加以改进,把水碓和水磨结合起来,生产效率就更加提高了。这种加工工具,中国南方有些农村还在使用着。
祖冲之还设计制造过一种千里船,史载“又造千里船,于新亭江试之,日行百余里”。它可能是利用轮子激水前进的原理造成的,一天能行一百多里。
祖冲之曾制造过“
欹器
”。这种器具用来盛水“中则正,满则覆”,古人常放置在身边以自警,“晋时杜预有巧思,造欹器三改不成”。南齐永明年间竟陵文宣王
萧子良
“好古,冲之造欹器献之”。
华罗庚
(《从祖冲之的圆周率谈起》):“祖冲之不仅是一位数学家,同时还通晓天文历法、机械制造、音乐,并且还是一位文学家。祖冲之制订的《大明历》,改革了历法,他将圆周率算到了小数点后七位,是当时世界最精确的圆周率数值,而他创造的“密率”闻名于世。”
《
南史
》:冲之解钟律博塞,当时独绝,莫能对者。
人民网
:祖冲之父子的数学研究成就汇集于他的数学专著《缀术》中。这本书极其高深,以至于“学官莫能究其深奥,故废而不理”。在唐朝官学中,《缀术》也被列为必读的十部算经之一,且需学习4年,年限为各经之首。后来,《缀术》传至朝鲜,但10世纪以后,《缀术》渐渐在各国失传了。尽管今天已无从知道《缀术》的具体内容,但从该书在唐代官学中的学习年限及史书中相关的零星记载,我们仍可以想见其学术价值。
祖冲之《辩戴法兴难新历》中名句
462年(
南朝宋
大明
六年),祖冲之把精心编成的《
大明历
》送给
宋孝武帝
请求公布实行。宋孝武帝命令懂得历法的官员对这部历法的优劣进行讨论。在讨论过程中,祖冲之遭到了以
戴法兴
为代表的反对,祖冲之著《
历议
》一文予以驳斥。在“历议”中,他写下了两句名言:“愿闻显据,以核理实”,“浮辞虚贬,窃非所惧”。为了明辨是非,他愿意彼此拿出明显的证据来相互讨论,至于那些捕风捉影无根据的贬斥,他丝毫也不惧怕。戴法兴认为,历法中的传统持续下来的方法是“古人制章”、“万世不易”的;他责骂祖冲之是什么“诬天背经”,认为天文和历法是“非凡夫所测”、“非冲之浅虑,妄可穿凿”的。祖冲之却大不以为然。他反驳说,不应该“信古而疑今”,假如“古法虽疏,永当循用”,那还成什么道理!日月五星的运行“非出神怪,有形可检,有数可推”,只要进行精密的观测和研究,孟子所说的“千岁之日至可坐而致也”,是完全可以做得到的。
祖冲之
刻苦求精
祖冲之那个时代,算盘还未出现,人们普遍使用的计算工具叫
算筹
,它是 一根根几寸长的方形或扁形的小棍子,有竹、木、铁、玉等各种材料制成。 通过对算筹的不同摆法,来表示各种数目,叫做
筹算法
。如果计算数字的位数越多,所需要摆放的面积就越大。用算筹来计算不像用笔,笔算可以留在 纸上,而筹算每计算完一次就得重新摆动以进行新的计算;只能用笔记下计算结果,而无法得到较为直观的图形与算式。因此只要一有差错,比如算筹被碰偏了或者计算中出现了错误,就只能从头开始。祖冲之为求得圆周率的精准数值,就需要对九位有效数字的小数进行加、减、乘、除和开方运算等十多个步骤的计算,而每个步骤都要反复进行十几次,开方运算有 50 次,最后计算出的数字达到小数点后十六、七位。
儿子:
祖暅
,字景烁,历任太府卿等职,生卒年代不详。受家庭的影响,尤其是父亲的影响,他从小就热爱科学,对数学具有特别浓厚的兴趣,祖冲之在462年编制《
大明历
》就是在祖暅三次建议的基础上完成的。《缀术》一书经学者们考证,有些条目就是祖暅所作。关于球体体积的计算方式的
祖暅原理
是祖暅一生最有代表性的发现。
孙子:
祖皓
(生卒不祥),暅之子。志节慷慨,有文武才。少传家业,善算历。大同中,为
江都
令(今江苏扬州市江都区)。
此纪念银币发行年代为1986年,面值为5元,成色为90,发行量为30000
枚。纪念币正面为国徽,背面为祖冲之,规格为直径36毫米,重量为22克, 由上海造币厂制造。
祖冲之路
祖冲之园
其园区名意在纪念中国著名数学家祖冲之的卓越贡献,位于祖冲之路的南侧,是上海
浦东软件园三期
。祖冲之园的中心是美丽的汇智湖,各个入驻的国内外知名企业写字楼就坐落在湖畔周围。
祖冲之中学
位于河北省保定市涞水县保野路,其前身是涞水县第一中学,始建于1951年, 1992年更名为河北祖冲之中学。