祖冲之

早在欧洲科学家将圆周率的精确值计算到小数点后七位的一千多年前,我国南北朝时期的祖冲之就得出了3.1415926~3.1415927这个数值,为后人称道不已。

人物档案

姓名:祖冲之

生卒年:429年~500年

出生地:范阳遒县(今河北涞水县)

身份:南朝科学家

生平纪事

祖冲之,字文远。西晋末年,祖家故乡遭受战争的破坏,举家迁到江南居住。祖冲之的祖父祖昌曾在宋政府里担任大匠卿,负责主持建筑工程,掌握了一些科学技术知识;同时,祖家历代对于天文历法都很有研究。因此祖冲之从小就有机会接触各种科学知识。

祖冲之对自然科学和文学、哲学都有广泛的兴趣,特别是对天文、数学和机械制造,更有着强烈的爱好和深入的钻研。早在青年时期,他就因博学而声名远扬,曾被派到当时的学术研究机关华林学省去做研究工作,后来又担任过地方官职。461年,他在南徐州刺史府中任职。464年,到娄县任县令。

在这段时间里,祖冲之虽然居无定所,但仍然坚持学术研究,并且取得了很大的成就。他对古代科学家刘歆、张衡、阚泽、刘徽、刘洪等人的著述都做了深入地研究,充分吸取了其中的精华。同时,他又大胆质疑前人在科学研究方面的结论,并通过实际观察和研究,加以修正补充,从而取得许多极有价值的科学成果。在天文历法方面,他所编制的《大明历》是当时最精密的历法;在数学方面,他推算出准确到小数点后七位的圆周率,是当时世界上最准确的数值。

宋末年,祖冲之来到建康 (今南京),担任谒者仆射的官职。从这时起,直到齐朝初年,他花费较多精力来研究机械制造,重造指南车,发明千里船、水碓磨等等,同样成就斐然。

祖冲之晚年时,齐朝统治集团发生内乱,政治腐败黑暗,人民生活困苦,北魏乘机南攻。从494年到500年间,江南一带又陷入战乱。对这种内忧外患的政治局面,祖冲之非常关心。大约在494年到498年之间,他担任长水校尉,作文《安边论》,建议政府开垦荒地,发展农业,增强国力,巩固国防。齐明帝看到这篇文章后,打算派祖冲之巡行四方,兴办一些有利于国计民生的事业。但由于连年战争,这一计划始终没有实现。不久以后的500年,祖冲之逝世,终年72岁。

科技贡献

祖冲之在数学、天文历法学上都有着卓越成就,很多成果都领先于世界其他国家上千年之久。祖冲之研究过《九章算术》和刘徽所做的注解,并重为《九章算术》和刘徽的《重差》进行注解。他著《缀术》一书,汇集了祖冲之父子的数学研究成果,在唐代被收入《算经十书》,成为唐代国子监算学课本。当时,学习《缀术》就需要四年的时间,可见《缀术》之深奥。

祖冲之对圆周率的精确计算在当时世界范围内也是最领先的。他把一丈化为一亿忽(丈、忽均为古时计量单位),以此为直径计算圆周率,求得盈数(即过剩的近似值)为3.1415927,肭数(即不足的近似值)为3.1415926,圆周率的真值介于盈肭两数之间。《隋书》中没有详细记载祖冲之是用何种方法计算圆周率的。一般认为,祖冲之采用了传自于刘徽的割圆术,但也有别的多种猜测。祖冲之计算的这一结果精确到小数点后第七位,这一数值直到一千多年后,才由15世纪的阿拉伯数学家阿尔·卡西和16世纪的法国数学家韦达所打破。按照当时计算使用分数的习惯,祖冲之还采用了两个分数值的圆周率: “约率”22/7(或称为疏率)以及“密率”3 5 5 / 1 1 3 。在分母为1 0 0 0以内的所有整分数中,密率的比值最接近圆周率,而在欧洲,直到16世纪才由奥托和荷兰人安托尼兹求出355/113这个比值。

祖冲之还和儿子祖一起,巧妙地解决了球体体积的计算问题。《九章算术》中曾认为,球体的外切圆柱体积与球体体积之比等于正方形与其内切圆面积之比,但刘徽在他为《九章算术》做的注释中指出,这种计算方法并不正确。祖冲之父子采用“幂势既同,则积不容异”(即“等高处横截面积相等的两个立体,其体积也必然相等”)这一原理,求出了“牟合方盖”的体积,而球体体积等于π/4乘以“牟合方盖”体积,从而最终算出球的体积为πd3/6(d为球直径)。这一原理在17世纪才由意大利数学家卡瓦列里重新发现,所以西方文献一般称之为“卡瓦列里原理”。为了纪念祖冲之父子发现这一原理的重大贡献,人们也称该原理为“祖原理”。

祖冲之在天文历法方面的成就,大都包含在他所编制的《大明历》及为《大明历》所写的《驳议》中。在祖冲之以前,人们使用的历法是《元嘉历》。祖冲之经过多年观测和推算,发现《元嘉历》存在很大的差误,于是他着手制定新的历法,462年,张衡编制出《大明历》。但《大明历》在祖冲之生前始终没能采用,直到梁武帝天监九年 (510年)才正式颁布施行。《大明历》区分了回归年和恒星年,把岁差引进历法,测得岁差为45年11月差一度(今测约为70.7年差一度)。岁差的引入是中国历法史上的重大进步。

《大明历》还测定一个回归年为 365.24281481日(今测为365.24219878日),直到南宋宁宗庆元五年(1199年),杨忠辅制统天历以前,它一直是最精确的数据。此外,《大明历》对闰年闰月的制定、日月食的预报、行星的运行规律和冬至日的制定均有比较准确的记载。

影响评述

祖冲之在天文历法、数学乃至音律儒学方面的成就,都对后世有着深远的影响。被称为“祖率”的圆周率比欧洲科学家早发现一千多年,并为我国后代数学家进一步演算圆周率提供了可靠而翔实的方法。他所撰写《缀术》六卷,曾被唐朝国子监定为数学课本。他编制的 《大明历》成为当时最准确的历法,不仅方便了人们的日常生活,而且成为后人研究历法的基础。祖冲之还精通音乐和儒家典籍,著有《释论语》、《释孝经》、 《易义》、《老子义》、《庄子义》及小说《论异记》等书,在后世影响甚广,可惜今天均已失传。总之,祖冲之不愧为全面发展的、达到世界领先水平的古代科学家。为纪念这位伟大的古代科学家,人们将月球背面的一座环形山命名为“祖冲之环形山”,将小行星1888命名为“祖冲之小行星”。