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复原的古希腊天文仪

 布狄厄布狄厄 2007-06-29
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  据说图中是一帮科学家根据古罗马沉船上发现的古天文仪残物,复制的古希腊天文仪,能测太阳、月亮运转什么的。总之神奇极了。把文章贴在此,用翻译软件欣赏吧。

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据路透社2006年11月30日报导,科学家们最近发现,一个公元前二世纪天文仪器(Antikythera Mechanism)其精巧程度与计算结果准确,是随后一千多年中都没有过。科学家们认为,这项发现使得人们不得不重新认识古希腊文明科技发达程度。

这个古天文仪器是上个世纪初在希腊附近打捞古代沉船时发现,但直到最近它都是一个迷。这个仪器有着复杂齿轮组,但现在已经是82块碎片。来自英国、希腊、美国科学家们合作,并用X射线等方法探测其结构,又重新组建起一个类似机器来研究其功能。

英国Cardiff大学Mike Edmunds教授认为,它可能是迄今为止人们知道最早计算器。科学家们发现,这台仪器不仅能够加减乘除,而且还能够计算农历年月,并显示太阳在其运行轨迹黄道(zodiac)中位置及月球位置。

此外,这台仪器还能预测日食和月食,而且考虑到了月球椭圆形轨迹。这台仪器也能推算行星运行。Mike Edmunds教授说该仪器极其准确反映出天文现象。令人赞叹是,当时人们不仅能够设计出这样精巧仪器,而且还能够用金属制造出来。

2006 年11月30日《自然》杂志对这项发现进行了报导。报导中说,早在上个世纪50至70年代,考古学家就意识到这台仪器发达程度,但并没有引起公众广泛重视。近年来,几个国家科学家开始合作研究,并利用了许多最先进技术来探测这些齿轮结构。人们对仪器结构与性能有了进一步了解,并将其年代确定为公元前150年到100年。事实上,从目前认识来看,这台仪器比几十年前人们知道要精巧许多。

《自然》杂志报导中说,现在也并不意味着我们对该仪器已经完全了解了,但至少现有发现可以让我们进一步去探索。有一点要注意是,在二千多年前就有如此复杂仪器,这是考古学家始料不及。人们不禁要问,如此发达文明,是什么原因与后世断层了呢?

Edmunds教授最后表示,如果当时人们连这样精巧仪器都能制造出来,我们很难想像他们还会做些什么。《自然》杂志报导则指出,这项发现不仅让我们对历史上人类技术再认识,而且对历史本身也要重新思考。

无独有偶,东汉时期张衡制作候风地动仪,能精确检测千里之外地震情况。后世失传,至今人们也不知道其原理。再比如河北省赵县交河之上赵州桥,至今已有 1300多年历史,是现存中国最古老石造拱桥。石桥两端为开放式造型三角壁拱洞(又称为侧拱),不仅在在涨水期间成为排水口从而效减低水流所造成压力,而且可节省大约七百吨石材。

赵州桥在1300年间,经历了10次水灾,8次战乱和多次地震。1966年3月发生7.2级邢台大地震,其震央离赵州桥仅40公里,附近建筑物都遭受到极大毁损,而石桥却安然无恙。如此强烈抗震性,引起许多专家兴趣。此外,架设桥墩地基坚固无比,历经1300多年后今天,两端桥墩仅下沉5厘米。

或许,我们对人类历史认识,才刚刚开始。
 
《安静》

周国平 北岳文艺出版社

请先读读该书的小序,在闹哄哄中能使人神清气爽:

回国后,我横下了一条心,对于约稿、采访以及好事者组织的各种会议一律拒绝,真感到耳根和心地都清净了。

我当然不是一个脱俗到了拒绝名声的人,但是,比名声更重要的是,我需要回到我自己。我必须为自己的心灵保留一个自由的空间,一种内在的从容和悠闲。惟有保持这样一种内在状态,我在写作时才能真正品尝到精神的快乐。我的写作应该同时也是我的精神生活。

周国平讲的这种心态,这种境界,其实对读书来说,也是第一等重要。不静下心来,不甘于寂寞,是进入不了状态的。

当你读毕小序之后,我建议你翻到第351页,从头一直读到第352页末尾。这可以看做是周国平其文其人的总纲。他说,我们时代的特点是,人们普遍沉沦于功利性的外在生活。因而特别希望青年人保持清醒,认识到心智生活在人生中的重要价值。当然,对于一个正常人来说,内在生活和外在生活都是需要的。但正如马克思所言,“吃、喝、性行为等等,固然也是真正的人的机能,但是,如果使这些机能脱离了人的其他活动,并使它们成为最后的和惟一的终极目的,那么,在这种抽象中,它们就是动物的机能。”心智生活能使人获得一种内在的自由和充实,能使人获得一种内在的自信和宁静,仿佛有了另一个更高的自我,能与自己的外在遭遇保持一个距离,不完全受其支配,并能与外部世界建立恰当的关系,不会沉沦其中,也不会去凑热闹。拥有一个丰富的内心世界,便在自己身上有了永久愉悦的最大源泉。

是否拥有心智生活,与职业关系不大。事实上,大学和研究单位里,许多人并无真正意义上的精神生活,只是在做死学问,或谋生谋利。职业化的弊病是:精神活动往往蜕变为功利活动;行业规矩束缚了人才的自由发展。

一个民族拥有一批以纯粹精神创造为乐的人,并且以拥有这样一批人为荣,那么,在这样的民族中,最有希望产生出世界级的文化伟人。

《巴比伦以来的科学》

[美]D·普赖斯 河北科技出版社

读D·普赖斯,如同读赫伯特·巴特菲尔德(《近代科学的起源》),读山田庆儿(《古代东西哲学与科学文化》)一样,使人深刻。

这部科学史,不是我们常见的科学通史,而是抓取科学发展的若干关键点,深入发掘,清理出科学发展中的一条条主线,使人领略到科学发展的内在逻辑。

所谓关键点,有时可能是一项重要的技术突破。比如钟表中的擒纵轮装置,关于它起源的问题,在作者看来,就绝不是一个单纯的技术细节问题,而是关系到科学发展中的关键线索。作者考察历来的钟表史,发现擒纵轮的发明一直是个空白。如此深奥复杂的机械装置,不可能因某个天才的灵感突然产生出来。他对19世纪末已打捞出的古希腊天文仪器,进行曲折、天才的考证,确认为约公元前80年的古希腊精密仪器,从而把擒纵轮装置的发明,上溯至阿基米德时期,为科学史理出了一条“古希腊天文仪→16世纪高度复杂的钟表装置→胡克为早期英国皇家学会制造的那些先进精密仪器→今天物理实验室中的回旋加速器和射电望远镜,以及底特律的生产装配线,这样一条非常清晰的逻辑发展顺序”。不但解决了长期以来悬而未决的16世纪精密仪器突然出现的重大难题,同时从打捞上来的古希腊仪器齿轮系的精巧程度,也促使我们不得不完全重新思考我们对古希腊技术的观点。“古希腊人不可以再被视为头脑伟大却因为他们的奴隶社会而厌恶体力劳动或拒绝技术了。技术存在于古希腊社会之中,而不是仅仅残存于宏伟的大理石建筑、雕像以及表现出文化高度的不断重印的文学著作之中。”

而科学发展的关键点,有时也指人们不得不采用新的思想,或在思维中注入新因素的那些转折点。

密切关注现实,是这个科学史的又一突出特点。例如,针对许多国家对科学采取急功近利的错误观点和决策,作者专门用一章的篇幅,深刻阐述了科学活动的极为特殊之处:科学是一种不断增长的拼图玩具,它是多繁殖的,知识的所有家庭都会生出孩子——每年提供新的知识。旧知识以指数速率导致新知识的产生。新的知识分支时时出现,而总体进程则不受影响地发展,甚至不因贫困和战争而停滞,也不会在需要时特别加速。知识之树的果实具有这样一个习性,总要在它自己的季节成熟。在技术上你可以极端地依赖购买你所想要的东西。在科学中你必须花费。不管愿意不愿意,喜欢不喜欢,每一个社会都不得不需要科学,因为它几乎就是我们文明的全部。真正有识的国家,每年至少将国民生产总值的0.7%花在科学家的身上。每1亿美元的GNP或国民收入每年恰好有1篇物理学论文、10篇化学论文……追随每一学科的发展。不遵守这一游戏规则,历史就不客气了。

本书作者不仅是古天文学和科学仪器制造学研究方面的公认权威,同时还是科学计量学的奠基人。他在本书以及《小科学,大科学》这两本引用率奇高的经典中,为科学计量学确立了基本方法,奠定了理论基础,吸引世界上许多学者投身到该学科的研究中来,使该学科成为一个迅速成长的学术领域,并对相关学科和学术领域都产生了相当的影响。为此,《科学计量学杂志》在他逝世后,立即设立以他尊名命名的纪念奖,激励在科学计量学上做出杰出贡献的学者。

1/15度故事

 北京古天文台

1/15度是什么概念,这相当于把手臂伸直手拿细针,有眼睛观察针孔角度。这是人类不凭借仪器肉眼所能达到最大角分辨率。在科学史上,有两位天文学家达到了1/15度。一位是大名鼎鼎丹麦天文学家第谷·布拉赫(1546-1601)。第谷支持地心说,怀疑日心说,他认为地球太重了,如何让这么重物体运动起来,实在难以想象。第谷在科学史上地位是他以惊人精度测量了天空中行星位置,他设计了很多大型六分仪和星盘盘仪,借助这些仪器,花了二十多年时间确定和记录了上千个星坐标,所有测量误差都没有超过1/15度。第谷还未来得及分析他这些数据,就去世了。这些珍贵数据后来到了他助手开普勒(1571-1630)手上,开普勒信奉哥白尼(1473-1543)日心说,但开普勒发现第谷数据与哥白尼建议匀速圆形轨道并不吻合,偏差大约是2/15度。这个角度相当于时钟秒针在0.02秒时间内走过角度。难道第谷·布拉赫错了吗?或许,是冬季严寒把他手指冻僵或使他视力变迟钝了?但开普勒是了解第谷工作严谨性。他选择相信第谷数据,而否定了哥白尼匀速圆形轨道。

“这个2/15度角将改变天文学。”开普勒带着这种想法开始了新探索,与第谷相比,开普勒是很好数学家,他开始使用各种椭圆轨道来拟合第谷·布拉赫数据,最终发现了行星运动开普勒三定律。

  1. 每个行星都沿椭圆轨道绕太阳运行,太阳位于椭圆一个焦点上。
  2. 行星与太阳连线在相等时间内扫过相等面积。
  3. 所有行星轨道半长轴立方与运行周期平方之比为常数:`\frac{R^3}{T^2}=C`

另一个1/15度则是古希腊天文学家希帕库斯(Hipparchus,也译作喜帕恰斯,190-120BC)所达到。他从古代世界学术中心亚历山大里亚图书馆毕业后,在罗德岛建立天文台,并发明了许多天文仪器,按照巴比伦方式把天文仪圆周划分为360度,被后人称为天文学之父。他对角度测量精确程度也达到了惊人1/15度,希帕库斯花费大量时间绘制了1080颗恒星及其相对位置星表。但很可惜,希帕库斯著作几乎没有流传下来,但他工作被后来托勒密(90-168AD)做了充分介绍。希帕库斯和300年后托勒密及1600年后第谷·布拉赫一样也支持地心说。他假设地球是中心,然后说明,只要假定日、月、行星等每一个天体都在一个轨道,即本轮上运动,而这一轨道又在大得多园轨道,即均轮上,围绕着地球运行,就可以解释日、月、行星视运动。根据直接观察,可以确定这些均论和本轮位置和大小。然后,他又制出一些数字表,根据这些数字表就可以预测未来任何时候日、月、行星位置,并可相当准确地预测日食和月食。

希帕库斯曾计算过月球到地球距离和月球大小,根据他计算,月球到地球距离是地球直径33又2/3倍,月球直径是地球直径1/3,实际数值分别为30.2和0.27。

在开普勒伟大工作之前,人们很难在地心说和日心说之间作出选择,二者都是基于某种哲学信念。用亚里士多德格言来说是“自然从不做徒劳事,不做多余事。”只不过有些人认为日心说会比较简洁优美,而另一些人认为让大地不动比较让人踏实。而在1609年伽利略发明了望远镜,能将物体直径放大30倍,并观测到了木星卫星,一个袖珍版本太阳系,人们对太阳系概念才更多了一些直观上认识。

开普勒是1618年5月发现第三定律,这个月份也标志着蹂躏欧洲三十年战争(1618- 1648)开始。而几乎与此同时,东方中国正在酝酿历法改革。明万历三十八年(1629),钦天监预报日食错误显著,当时徐光启(1562-1633)根据西法预测比较准确,徐光启所依赖西法就是希帕库斯-托勒密-第谷地心说体系。崇祯二年(1629),崇祯皇帝授权徐光启组织历局,进行改历。他坚决主张参用西法,提出‘欲求超胜,必须会通;会通之前,必须翻译’方针。历局先后聘请耶稣会士邓玉函、罗雅谷、汤若望参与工作,编译成46种 137卷崇祯历书》,其中包括欧洲古典天文学理论、仪器、计算和测量方法、基础数学知识以及天文表编算使用方法等。徐光启主持《崇祯历书》编译工作是中国大规模引入西方学术先声,而此时牛顿(1642-1727)甚至还未出生。由于明末战乱,新历要等到清顺治朝1645年以《时宪历》为名颁行,在其封面上印有“依西洋新法”字样,这几个字在康熙(1654-1722,1661-1722在位)时引起争议,于是有人主张废洋法,改回旧法。幸好康熙帝脑子还算清楚,1714年康熙皇帝令南怀仁(1623-1688)等对《时宪历》重加修订,改名为《御制皇家历象考成》。而此时牛顿早已出版其最重要著作《自然哲学数学原理》(1687)。

参考

  1. Cooper,《物理世界·上卷》,海洋出版社,1981,pp72;
  2. 丹皮尔,《科学史——及其与哲学和宗教关系》,广西师范大学出版社,2001,pp45;
  3. 康熙与西学(探索·发现2004-160)

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