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宋代有趣的數理化

2019-10-08  小天使_ag

    記得在我上高中的時候,我老爸經常跟我說一句話就是:“學好數理化,走遍天下都不怕。”但是無奈我這個人實在是學不懂數理化,因此成了一名文科生。上一篇文章寫了宋代的醫學,因此在這里突發奇想,不如就來寫一下宋代的數理化吧。看看在那個儒學當道的時代,數理化的發展程度究竟是如何,又給社會帶來了什么改變。

    一、數學

    其實就我個人看來,在數理化這三科之中,起到基礎作用的應該是數學了,我個人還是很喜歡數學的,感覺這是一門很美麗的學科,對,就是美麗。

    宋代有趣的數理化

    記得高數課還要寫論文,論文命題就是“數學之美”

    在唐代,科舉考試中有重要的一項就是明算科。根據《新唐書》記載,明算科應該是如此定義的:

    “凡算學,錄大義本條為問答,明數造術,詳明術理,然后為通。”

    也就是說明算科與我們現在的數學有著諸多類似之處。在前人的良好鋪墊之下,宋代的數學取得了良好的突破性的發展,涌現出了大批優秀的數學家,也取得了諸多成就。

    北宋前期的數學家,多承擔著一個重任那就是司天監。因為歷法的計算在古人看來涉及到國家的興衰更替,因此十分重要不容許絲毫差錯。北宋前期的數學家楚衍就是代表之一。史書記載楚衍:

    “于《九章》、《緝古》、《綴術》、《海島》諸算經,尤得其妙。”

    宋代有趣的數理化

    司天監在古代有著非常重要的作用

    另有楚衍的弟子賈憲,也任職于司天監。賈憲的成就在主要在于“賈憲三角”,比西歐的“帕斯卡三角”的發現早了將近六百年。另外,賈憲還有“立成釋鎖”開平方法和開立方法,并且提出了增乘開方法。但是可惜的是,關于賈憲的數學成就的資料流傳下來的并不多。我摘取了一段關于賈憲的記載:

    “世司天算,楚為首。既老昏,有子賈憲、朱吉著名。憲今為左班殿直,吉隸太史。憲運算亦妙,有書傳于世。”

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    賈憲三角

    南宋年間,出了一名卓越的數學家叫做秦九韶,秦九韶有多篇著作如《數書九章》、《數學大略》、《數學九章》等。秦九韶的成就之一是提出了“秦九韶法”,可以用于面積、體積、測量等計算之中,在西方這種算法被稱為“霍納算法”,但是秦九韶比霍納要早提出這個理論將近五個世紀。

    秦九韶在著作《數書九章》中也提供了一種便捷的計算方法,為天文歷法、建筑工程、商業貿易等的發展提供了重要幫助。

    不得不說,秦九韶本人是個天才,因為終其一生秦九韶都擔任地方州、軍長官,僅僅是個業余數學家,但是他所取得的成就一點不亞于專業的數學家。秦九韶也因此被美國科學家薩頓評價為:

    “他那個民族,他那個時代,并且確實也是那個時代最偉大的數學家之一。”

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    秦九韶算法

    南宋末年又有一個著名的數學家出世,那就是楊輝。楊輝傳世的數學著作主要有五種,分別是:《詳解九章算術》、《日用算法》、《乘除通變本末》、《田畝比類乘除捷法》、《續古摘奇算法》。楊輝在著作中詳細記述了增乘開方法、開方作法本源,在賈憲的基礎上進一步解釋了相關理論。另外,楊輝還編制了除法口訣,擴展了珠算口訣,大大提升了人們的運算速度和效率。

    宋代有趣的數理化

    楊輝三角

    二、物理學

    說到物理學,這應該是很多人心中的痛了,畢竟物理實在是太難學了,最近正在頒發諾貝爾獎,也不知道物理方面花落誰家。

    在宋代,雖然物理學沒有發展成為一門學科,也沒有科學的測量與試驗,但是人們通過觀察歸納以及自己的猜測已經對浮力、表面張力、熱力等有了一定程度的認識。這些認識一方面離不開道教的煉丹試驗,一方面也離不開對于自然的觀察。如南宋年間俞琬就記載了這樣一件事:

    “予幼時有道人見教,則劇燒片紙納空瓶,急覆于銀盆水中,水皆涌入瓶。又依法放于壯夫腹上,挈之不墜。”

    這是個有趣的小試驗,大家自己在家里也可以做做試試,這個實驗的原理應該是壓強問題,就是紙張在瓶中燃燒的時候,瓶中空氣變少,大氣壓力讓大量水涌入瓶中。

    宋代有趣的數理化

    類似這樣的試驗

    另外,宋人沈括對于針孔成像也有所認識,沈括曾這樣記載自己觀察到的針孔成像的現象:

    “若鳶飛空中,其影隨鳶而移,或中間為窗隙所束,則影與鳶遂相違,鳶東則影西,鳶西則影東;又如窗隙中樓塔之影,中間為窗所束,亦皆倒垂。”

    針孔成像的試驗很有意思,大家可以自己在家里做一下,我記得當時我就是根據初中物理課本自己做過針孔成像的試驗。

    宋代有趣的數理化

    有趣的小孔成像試驗

    宋人對于彩虹的出現也有著自己的認識。在我們眼中,似乎古代人面對著彩虹一類的事物,都會直接以祥瑞、祝福等一概概括。但是在宋人看來,彩虹的出現不是簡簡單單的祥瑞,在其背后也是有著可以解釋的科學原理的。當時蔡卞曾進行過有關試驗如下:

    “先儒以為云漏日,日照雨滴則虹霓生。今以水噴日,自側視之,則暈為虹霓。”

    由此蔡卞認識到:

    “雖則虹生于地之氣,不暈于日不成也,故今雨氣成虹,朝陽射之則在西,夕陽射之則在東。”

    蔡卞的認識雖然帶有自己所處時代的局限性,但是相對來說已經是非常大的突破了。

    宋代有趣的數理化

    宋人對彩虹出現的原因也進行了探究

    沈括大佬又出來了,這一次他對導電現象做了自己的觀察和分析。這一次觀察來自宋神宗時期的一次雷暴,這一次雷暴導致李舜舉家被劈了。沈括沒有用玄學的方式去觀察這一次雷暴,而是用了科學的方法去看這一次雷暴,觀察到了導電物體和不導電物體在這次雷暴中的表現。他在《夢溪筆談》中如此記載:

    “及雷止,其舍宛然,墻壁窗紙皆黔。有一木格,其中雜貯諸器,其漆器銀扣者,銀悉熔流于地,漆器曾不焦灼;有一寶刀極堅鋼,就刀室中熔為汁,而室亦儼然。”

    在這次雷擊事件中,沈括觀察到了導電的物體如銀器、鐵刀等均融化,不導電的物體如漆器、皮革等保存較好,這也是屬于一個重大發現。

    宋代有趣的數理化

    通過一次雷暴天,沈括發現了導電與不導電物體的區別

    電磁不分離,沈括本人利用相關原理(雖然沈括可能并不知道電磁感應)制作了指南針。沈括利用磁石磨成針,然后利用水浮、懸絲等手段做成指南針,達到指示方向的作用。

    指南針在宋代被應用于航海之上,每逢大風大雨天,就靠指南針指引方向,可以說指南針就是整條船上所有人的希望。當時記載:

    “風雨晦暝時,唯憑針盤而行,乃火長掌之,毫厘不敢差誤,蓋一舟人命所系也。”

    三、化學

    提到宋代的化學,大家應該想到的就是火藥了。火藥在宋人的戰爭中起到了重要作用,宋代也是火藥首次在軍事上得到應用的時代。

    在曾公亮編寫的《武經總要》中,詳細記述了火藥的配方以及火藥武器,這些火藥更多是一種引燃作用,而不是我們印象中的爆炸作用。在北宋末開始制作爆炸性武器,例如霹靂炮。在南宋,這種火藥武器開始被應用于軍隊之中,如突火槍,根據記載:

    “以巨竹為筒。內安子窠,如燒放焰絕,然后子窠發出,如炮聲,遠聞百五十余步。”

    在火藥被應用于戰爭時,在其他領域的應用也得到了發展。如《東京夢華錄》和《武林舊事》中就記載當時有許多“賣煙火”之人,就是利用火藥制成煙火然后進行出售。

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    宋代突火槍

    火藥的發現與煉丹脫不開干系,這里就不得不提一下宋代的煉丹了。煉丹師從事的是一種玄妙的職業,但是在這種不斷的煉丹工作中,煉丹師逐漸與化學發生了聯系。

    唐代道教的金丹派,也被稱為丹鼎派,丹鼎派又分為內丹派和外丹派,其中外丹派主張通過各種奇珍異寶來煉制丹藥,最終使人達到脫胎換骨的效果,最終飛升成仙。

    其中有一位大師被人稱為全真道南宗五祖之末的白玉蟾,就是一位內外兼修的道士。白玉蟾編有煉丹術著作《金華沖碧丹經秘旨》,其中記載了諸多煉丹設備諸如石榴罐、水海等,與現代的化學儀器有著類似之處。另有諸多煉丹術著作中記載了相當的化學原料和化學反應,其中諸如制造金粉、砷白銅、酸醋鐵、綠礬等的方法,還有生產高度白酒的蒸餾方法等,均是從煉丹師的丹房中誕生的。

    宋代有趣的數理化

    白玉蟾像

    另外還有諸多煉金方法,如膽水煉銅法,其法如下:

    “以生鐵煉成薄片,置膽水槽中浸漬數日,上生赤煤,取刮入爐,三煉成銅。”

    可以說化學在宋代也有著相應的發展。

    四、總結

    科技的發展離不開實踐,我們可以發現,宋代所取得的這些科技成就正是建立了實踐的基礎之上,通過無數有識之士的努力與奮斗,最終才得以形成如此輝煌的成就。

    另外,宋代寬松的學術氛圍也是頗為有趣的,正是在一個寬松而又融洽的氛圍之中,科技才能不斷發展。

    但是可惜的是,這種學術的發展并沒有持續太久,也沒有形成系統的學科,這種繁榮總歸是曇花一現,不久后就該夢醒。

    參考文獻:《宋史》、《中國科學技術史》、《續資治通鑒長編》、《系年要錄》、《夢溪筆談》、《席上腐談》、《演繁露》、《東坡志林》、《文獻通考》、《武林舊事》等

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