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远去的我国古代科技成就及其反思

已有 5137 次阅读 2013-12-14 21:35 |参赛分类:教学笔记|个人分类:科学随笔|系统分类:观点评述|关键词:科技史 中国

按:本文曾分两部分发表于2013年第8期与第9期的《百科知识》,发表时的题目是“远去的中国古代科技成就”(部分文字有改动)。上半部分曾被今年7月7日的《文汇报》转载。

远去的我国古代科技成就及其反思

史晓雷

2012年下半年,苏州大学董洁林教授在《华尔街日报》连续发表了数篇文章谈到我国古代的科学技术成就,随后文章在新浪微博广泛传播并引起了不小的关注。董洁林主要考察了中国人对世界科技发展作了多大贡献,她运用她们团队整理的数据库分别就中国在人类历史上的创新与科学成就所占的地位给出了具体结论,分别是6.1%1%。笔者没有看到董洁林团队的原始数据,也就是他们遴选出的1000项创新发明和200项最重要的科学成果是如何产生的,故无法就该结论做些许评判。但我国古代科学技术的典型成就有哪些,它们又具有哪些的特色,笔者认为这些首先应该搞清楚。在此基础上,我们再探讨一下东西方科学技术拉开差距的原因。 

1)我国古代的科学

一般而言,我国古代科学的四大门类分别是农、医、天、算。先说作为生民之本的农业,尽管我国古代农业著作历代不乏,特别是明清时期卷帙浩繁。但农书中更多的是一些经验性的总结,大量的内容是种田技艺的介绍以及农耕器具的发明与应用——这些显然已经是技术的内容了。我国古代的医学别具特色,就是一直延续到现在并饱受争议。我国中医史学家廖育群曾说过,古代中医与现代中医的区别甚至要超过中医与西医的区别。大概意思是说,中医内部也在不断地吐故纳新或者说发生变化。社会上关于中医是不是科学以及中医废存的问题广受关注。本文不就此展开分析,只要知道中医在目前是一个非常另类的学科,总是在面对西医(现代医学)不断调适着自己独特的“身份”。

要说能代表我国古代科学成就的,还得说是天文和数学,也就是前文提到的天、算。天、算这两门学科,在我国古代联系得很紧密,因为对日月五星运行规律的认识以及日月食的推算,自然离不开数学上的计算。举一个例子,汉代已形成的谈天三家,也就是当时已形成的对宇宙的三种认识,分别是盖天说、浑天说与宣夜说。除了宣夜说有点玄奥抽象外,盖天说与浑天说均是由数学模型予以支撑的,尽管两者建构了不同的宇宙模型,但是有一条是共同坚守的,就是“日影千里差一寸”,也即八尺之表的日影在子午线方向上千里会差一寸。而“日影千里差一寸”最早源自《周髀算经》,该书既是一部数学著作,也是一部天文学著作。需要说明的是,千里差一寸的论证是错误的,一直到了唐代一行和尚通过实测才使它寿终正寝。

我国古代数学的基调是由成书于汉代的《九章算术》确立的。那么《九章算术》的基调是什么呢?就是以服务于实际生产生活的应用问题集:一题一答一术。“题”就是题目,“答”就是答案,“术”就是算法。那么推理、论证的过程呢?不明白,反正是不写。所谓“九章”,就是九大类应用题目,比如“方田”是计算土地面积的问题集,“商功”是计算各种工程(沟渠、仓窖等)的土方、人工等。经常有人把《九章算术》与古希腊欧几里德的《几何原本》做对比,这两部书的确也代表了东西方不同的思维风格,一个是以“算”为特征的实用化体系,一个是以“证”为特征的演绎逻辑体系。我们也一直缺少“证”的那根筋,直到明末徐光启与来华传教士利玛窦合作翻译《几何原本》(前6卷)时,徐光启被该书的体系所服膺,写道“此书未译,则他书俱不可得。”

说到我国古代数学,大都会联想到南朝祖冲之在圆周率上的贡献。不过,祖冲之的《缀术》已经失传,他对圆周率的推算学界倾向认为是站在魏晋时期刘徽“割圆术”的基础上的。当时要计算出密率355/113的确是很了不起的成就,要知道那个年代要用算筹去计算开方在内的大数目运算,难度可想而知。笔者前面提到董洁林2012年就中国古代科技史写的一系列文章,其中一篇是“《墨经》——中国科学史上的孤独一歌”,另外在他统计的中国古代科学贡献中仅有两项,其中之一就是墨子进行的“小孔成像”实验。但是就笔者看来,墨家学派进行的这项实验以及那句描述“下者之人也高,高者之人也下”并不比刘徽的割圆术更科学、影响更大。笔者认为在我国古代的科学门类中,物理学、化学较天、算而言经验性成分更多,包括北宋沈括在《梦溪笔谈》中的众多记载,基本是经验现象的罗列与陈述,当然不乏一些细致的观察与描述。

接着说数学,唐代中叶到元中叶是我国古代数学发展的黄金时期,特别是宋元时期达到了顶峰。发展到高峰的标志有二,首先是数学著作繁兴,宋代前后不到三百年竟出了50本之多;其次是水平高,就是在算法的改进与抽象化程度方面前进了许多。无论是高次方程的近似解法、多元一次方程组的解法、高阶等差级数、同余方程组解法等,都达到了当时世界上的最高水准。

从元中叶到明末,中国古代数学整体江河日下,以至于当时学界竟然连宋元时期的数学著作都读不懂了。到了明末随着传教士的东来,西方的数学知识开始译介、引入;后来又经过第二次西学东渐,到了20世纪初我国数学才汇入世界数学发展的洪流。

我国古代天文学的发展,深受古代数学的影响,尽管前文我们谈到了盖天说、浑天说都有数学的模型建构,但是这种模型并不与推算日月五行运行的另一套数值模型(算的模型)相融洽,或者说是各行其事。这样我们也不可能像西方那样从古希腊天体运行的圆周运动中解脱出来发展到开普勒的椭圆轨道等等。至于把地上的事物都搬到天上,形成了独具特色的“三垣二十八宿”体系,更多的是天人对应一类比附的产物,是军国星占体系的一种反映,与科学走得更远了。

2)中国古代的技术

谈到我国古代的技术成就,首先想到的会是“四大发明”。这个话题别人谈的太多,耳朵都要生茧了,此处不赘。不过,近些年我国技术史学家华觉明提出了“中国二十四大发明”。他提出的这二十四大发明,除了少量不属于技术的项目外(如汉字、十进制计数法等),大部分的确代表了我国古代技术成就的精华,比如粟作和稻作、以生铁为本的钢铁技术、木结构的营造技艺等。不但如此,他还从原创性、重要性、功效三个方面对此二十四项发明进行了排序。美国学者坦普尔(Temple)在英国李约瑟(Needham)的《中国科学技术史》的基础上完成了《中国:发明与发现的国度》,该书列举了我国古代对世界产生了重大影响的100项发明与发现(发现部分一般是科学成就),其中技术部分占了很大比例。技术的门类太多,涉及范围太广,下文拟就我国农业生产与天文观测方面比较突出的几项技术成就做一概览。

汉代创制的三件农事器具值得一提。其一是耧车,也叫耧或者华北地区称的耩子。耧车是一种北方用的条播器具,能够同时完成开沟和下种程序,后来又再耧车后面拖上覆盖种子的构件,就更方便了。耧车根据“脚”的数目还分为独脚耧、两脚耧与三脚耧,从汉代一直沿用到了现在。其次是翻车,也就是后世称之为“龙骨水车”的灌溉(或排涝)农具。到了元代王祯《农书》提到多种形式的翻车,有脚踏翻车、牛转翻车、水转翻车等。明代《天工开物》另提到一种轻巧的手摇翻车(也叫拔车)。明清苏北沿海地区还出现了风转翻车。翻车是我国古代江南地区应用最广泛的提水、排涝农具,也是世界上最早应用链传动的技术设施。还有一种是风扇车,也叫扇车,是一种清选农具。汉代的扇车有两种,分开式与闭式。闭式的扇车已经接近与后世常见的圆筒装鼓风装置的扇车,能够合理、有效的利用人为产生的风力把粮食籽粒与糠秕分开。

魏晋南北朝时期是我国“奇器”喷涌的时代,比如曹魏时的马钧制造指南车、蜀汉诸葛亮的木牛流马、连弩兵器,后赵解飞与魏猛的计里鼓车及舂车,祖冲之的水碓磨与千里船等。这个时代的奇器有的根据史料的记载或者考古发掘完全可以复原,有的恐怕只能是现代复原者的想象之作了。比如诸葛亮的木牛流马,众说纷纭,至今未有一个统一的说法,估计也不可能会有一个统一的说法了。

唐代诗人徐来军写有一首《调笑令》“翻倒,翻倒,喝得醉来吐掉。转来转去自行,千匝万匝未停。停未?停未?禾苗待我灌醉。”这里描述的就是我国唐代时期出现的一种新式提水器具——筒车。大型的筒车远远望去就像现代的摩天轮,只不过轮的外围悬挂的是竹筒,在流水的冲击下,竹筒在低处兜水,转到高处时倾泄到水槽中,水槽通向田地里进行灌溉。到了宋代筒车得到普遍应用,现在湖南西部、广西北部的溪流边,还能见到筒车的身影。

宋元时期是我国古代技术发展的高峰。北宋曾公亮1044年完成的《武经总要》是我国古代军事技术全面、系统的反映;北宋李诫于1100年成书的《营造法式》是我国古代木构建筑技术达到纯熟的标志;元代王祯1313年写就的《农器图谱》是我国古代农事器具的集大成之作。特别值得一提的是北宋1092年由苏颂、韩公廉制成的水运仪象台是我国古代最为复杂的天文仪器。该仪器集浑仪、浑象、圭表、计时与报时为一体,实物高12米,宽7米,蔚为壮观。这部仪器不像魏晋南北朝那些“奇器”徒有盛名而无法得其传,因为苏颂留下了制造这部仪器的《新仪象法要》,并附有插图66幅图,后人根据这本书完全可以进行复原。20128月国际天文联合会大会在北京召开期间,由中科院自然科学史研究所与清华大学等单位复原的模型(原物的1/3)在北京国家会议中心展出,轰动一时。

元代天文仪器上的改进最重要的当属郭守敬设计了简仪。简仪是对浑仪而言,顾名思义,是简化了的浑仪。他改进的方法是把赤道装置与地平装置分开,去掉一些不必要的环,又在刻度上精细化,使得观测精度更加精准。

明末1637年宋应星完成的《天工开物》,系统总结了我国农业、手工业方面的技术成就。但是这就像是快下山的夕阳,在回光返照时眷恋了一下中华老大帝国,随后在西方世界轰轰烈烈的工业革命大潮的阴影下,被远远地抛弃了。

按:发表时,以上为上半部分。

3)东西方的差距何以拉开

为什么宋元时期如日中天的中国古代科技没能持续多久便落伍于世界?这不得不回到李约瑟提出的那个著名论题:为什么在公元前1世纪到公元15世纪期间,中国文明在获取自然知识并将其应用于人的实际需要方面要比西方文明有效得多?或者从另一个方面讲,为什么近代科学发生在了欧洲而不是中国?国际、国内学者就此难题发表的文章不计其数,也有人认为李约瑟难题本身就是伪问题,因为历史不能假设。不过,我们从李约瑟绘制的“中西科学发展对比图”上能够得出一些启示。

 

                                           中西科学发展对比图 

从这张对比图上可以看出,我国的科学成就近似以一条平缓的直线沿着时间轴在向前推进。反观西方(主要指欧洲),起点比我国还高,因为古希腊在公元前300年左右已经出现了欧几里德的《几何原本》,公元前3世纪阿基米德在数学及物理上的不朽贡献,还有公元前2世纪希帕恰斯等在天文学上的贡献。随着罗马以武力吞并希腊,西方的科学成就迅速下滑,尽管单就天文学成就而言,在下滑期的托勒密(图表中的陶立米)时代达到了古代最高水准。接下来是通常所言的西方科学跌入低谷的黑暗中世纪,大致从500年到1500年。从1500年到1600年,是西方科学“绝地大反击”的时期,标志性的事件当然是1543年哥白尼《天体运行论》与维萨留斯《人体的结构》的出版。这是改变了我们整个近代科学革命性的事件,由此拉开了“科学革命”的序幕,到了1687年牛顿《自然哲学的数学原理》出版,这场交响乐终于达到了高潮。从图表上看,那时西方已经把我们抛在了后面。关于西方近代科学革命的突飞猛进,许多的科学社会学者做出了各自的解释。14世纪源于意大利的文艺复兴,还有17世纪英格兰的清教徒革命等等,均可以找到相应并合理的解释。但是中西方探求自然奥秘过程形成的风格迥异的科学方法,应该是造成整个科学发展进程差异的最关键因素。下面不妨略作对比。

西方注重分析,侧重还原论,即力求从纷繁复杂的世界找到纯粹单一的个体或元素。无论是古希腊留基伯与德谟克利特朴素的原子论,还是19世纪初期英国道尔顿建立在科学实验基础上的原子论,都是在寻求物质构成的始基。古希腊的水、火、土、气亦是如此,到了后来曾用硫、汞、盐等去解释各种物质,最终发展到科学的元素概念。反观我国,则是注重直觉,侧重整体论,即强调从宏观上笼统地把握事物。比如古代的“元气说”,仅是笼统地讲宇宙“至大无外,至小无内”,但对宇宙的内部结构从不探求,仅仅而且长久地停留在经验直觉层面。中国古代这种直觉经验层面的认识,往往形成的是孤立的个体科学事件。比如早在东汉郑玄在《考工记注》就注意到了弓受力的弹性形变现象,可是到了明末《天工开物》仍然记载了这一现象,没有从经验事实上升到普适理论(胡克定律)。类似的例子还有许多,比如从公元前240年到1910年,我国对29次哈雷彗星的回归均有记载,但是并不知道它们是同一颗彗星。可是英国的哈雷运用牛顿的理论,利用三次该彗星的轨道记录,就发现了哈雷彗星的回归周期,并且成功预言了1758年前后哈雷彗星的再次回归。科学理论超出经验事实的威力由此可见一般。从上述分析,我们大致能够领会到后来我国科技落后的原因了吧。

如今,我们已经融入到了世界科学技术发展的洪流之中,部分科学成就令人欣慰、振奋。2011年,我国中医研究院屠呦呦教授因其在青蒿素的发现与应用方面的贡献获得了国际医学大奖——拉斯克奖;2012年,广东大亚湾中微子实验国际合作组发现了中微子第三种振荡模式,该实验结果入选《科学》杂志评选出的“年度十大科学突破”;20128月,中国科技大学潘建伟教授因其在“量子通信和多光子纠缠操纵方面的先驱性卓越贡献”获得2012年度国际量子通信奖。抚古思今,不胜感慨。用113年前梁启超在《少年中国说》所喻,一个老朽的中国已经远去,一个崭新的少年中国正在走来。时不远矣!



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