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宋代有趣的数理化

2019-10-08  小天使_ag

    记得在我上高中的时候,我老爸经常跟我说一句话就是:“学好数理化,走遍天下都不怕。”但是无奈我这个人实在是学不懂数理化,因此成了一名文科生。上一篇文章写了宋代的医学,因此在这里突发奇想,不如就来写一下宋代的数理化吧。看看在那个儒学当道的时代,数理化的发展程度究竟是如何,又给社会带来了什么改变。

    一、数学

    其实就我个人看来,在数理化这三科之中,起到基础作用的应该是数学了,我个人还是很喜欢数学的,感觉这是一门很美丽的学科,对,就是美丽。

    宋代有趣的数理化

    记得高数课还要写论文,论文命题就是“数学之美”

    在唐代,科举考试中有重要的一项就是明算科。根据《新唐书》记载,明算科应该是如此定义的:

    “凡算学,录大义本条为问答,明数造术,详明术理,然后为通。”

    也就是说明算科与我们现在的数学有着诸多类似之处。在前人的良好铺垫之下,宋代的数学取得了良好的突破性的发展,涌现出了大批优秀的数学家,也取得了诸多成就。

    北宋前期的数学家,多承担着一个重任那就是司天监。因为历法的计算在古人看来涉及到国家的兴衰更替,因此十分重要不容许丝毫差错。北宋前期的数学家楚衍就是代表之一。史书记载楚衍:

    “于《九章》、《缉古》、《缀术》、《海岛》诸算经,尤得其妙。”

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    司天监在古代有着非常重要的作用

    另有楚衍的弟子贾宪,也任职于司天监。贾宪的成就在主要在于“贾宪三角”,比西欧的“帕斯卡三角”的发现早了将近六百年。另外,贾宪还有“立成释锁”开平方法和开立方法,并且提出了增乘开方法。但是可惜的是,关于贾宪的数学成就的资料流传下来的并不多。我摘取了一段关于贾宪的记载:

    “世司天算,楚为首。既老昏,有子贾宪、朱吉著名。宪今为左班殿直,吉隶太史。宪运算亦妙,有书传于世。”

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    贾宪三角

    南宋年间,出了一名卓越的数学家叫做秦九韶,秦九韶有多篇著作如《数书九章》、《数学大略》、《数学九章》等。秦九韶的成就之一是提出了“秦九韶法”,可以用于面积、体积、测量等计算之中,在西方这种算法被称为“霍纳算法”,但是秦九韶比霍纳要早提出这个理论将近五个世纪。

    秦九韶在著作《数书九章》中也提供了一种便捷的计算方法,为天文历法、建筑工程、商业贸易等的发展提供了重要帮助。

    不得不说,秦九韶本人是个天才,因为终其一生秦九韶都担任地方州、军长官,仅仅是个业余数学家,但是他所取得的成就一点不亚于专业的数学家。秦九韶也因此被美国科学家萨顿评价为:

    “他那个民族,他那个时代,并且确实也是那个时代最伟大的数学家之一。”

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    秦九韶算法

    南宋末年又有一个著名的数学家出世,那就是杨辉。杨辉传世的数学著作主要有五种,分别是:《详解九章算术》、《日用算法》、《乘除通变本末》、《田亩比类乘除捷法》、《续古摘奇算法》。杨辉在著作中详细记述了增乘开方法、开方作法本源,在贾宪的基础上进一步解释了相关理论。另外,杨辉还编制了除法口诀,扩展了珠算口诀,大大提升了人们的运算速度和效率。

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    杨辉三角

    二、物理学

    说到物理学,这应该是很多人心中的痛了,毕竟物理实在是太难学了,最近正在颁发诺贝尔奖,也不知道物理方面花落谁家。

    在宋代,虽然物理学没有发展成为一门学科,也没有科学的测量与试验,但是人们通过观察归纳以及自己的猜测已经对浮力、表面张力、热力等有了一定程度的认识。这些认识一方面离不开道教的炼丹试验,一方面也离不开对于自然的观察。如南宋年间俞琬就记载了这样一件事:

    “予幼时有道人见教,则剧烧片纸纳空瓶,急覆于银盆水中,水皆涌入瓶。又依法放于壮夫腹上,挈之不坠。”

    这是个有趣的小试验,大家自己在家里也可以做做试试,这个实验的原理应该是压强问题,就是纸张在瓶中燃烧的时候,瓶中空气变少,大气压力让大量水涌入瓶中。

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    类似这样的试验

    另外,宋人沈括对于针孔成像也有所认识,沈括曾这样记载自己观察到的针孔成像的现象:

    “若鸢飞空中,其影随鸢而移,或中间为窗隙所束,则影与鸢遂相违,鸢东则影西,鸢西则影东;又如窗隙中楼塔之影,中间为窗所束,亦皆倒垂。”

    针孔成像的试验很有意思,大家可以自己在家里做一下,我记得当时我就是根据初中物理课本自己做过针孔成像的试验。

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    有趣的小孔成像试验

    宋人对于彩虹的出现也有着自己的认识。在我们眼中,似乎古代人面对着彩虹一类的事物,都会直接以祥瑞、祝福等一概概括。但是在宋人看来,彩虹的出现不是简简单单的祥瑞,在其背后也是有着可以解释的科学原理的。当时蔡卞曾进行过有关试验如下:

    “先儒以为云漏日,日照雨滴则虹霓生。今以水喷日,自侧视之,则晕为虹霓。”

    由此蔡卞认识到:

    “虽则虹生于地之气,不晕于日不成也,故今雨气成虹,朝阳射之则在西,夕阳射之则在东。”

    蔡卞的认识虽然带有自己所处时代的局限性,但是相对来说已经是非常大的突破了。

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    宋人对彩虹出现的原因也进行了探究

    沈括大佬又出来了,这一次他对导电现象做了自己的观察和分析。这一次观察来自宋神宗时期的一次雷暴,这一次雷暴导致李舜举家被劈了。沈括没有用玄学的方式去观察这一次雷暴,而是用了科学的方法去看这一次雷暴,观察到了导电物体和不导电物体在这次雷暴中的表现。他在《梦溪笔谈》中如此记载:

    “及雷止,其舍宛然,墙壁窗纸皆黔。有一木格,其中杂贮诸器,其漆器银扣者,银悉熔流于地,漆器曾不焦灼;有一宝刀极坚钢,就刀室中熔为汁,而室亦俨然。”

    在这次雷击事件中,沈括观察到了导电的物体如银器、铁刀等均融化,不导电的物体如漆器、皮革等保存较好,这也是属于一个重大发现。

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    通过一次雷暴天,沈括发现了导电与不导电物体的区别

    电磁不分离,沈括本人利用相关原理(虽然沈括可能并不知道电磁感应)制作了指南针。沈括利用磁石磨成针,然后利用水浮、悬丝等手段做成指南针,达到指示方向的作用。

    指南针在宋代被应用于航海之上,每逢大风大雨天,就靠指南针指引方向,可以说指南针就是整条船上所有人的希望。当时记载:

    “风雨晦暝时,唯凭针盘而行,乃火长掌之,毫厘不敢差误,盖一舟人命所系也。”

    三、化学

    提到宋代的化学,大家应该想到的就是火药了。火药在宋人的战争中起到了重要作用,宋代也是火药首次在军事上得到应用的时代。

    在曾公亮编写的《武经总要》中,详细记述了火药的配方以及火药武器,这些火药更多是一种引燃作用,而不是我们印象中的爆炸作用。在北宋末开始制作爆炸性武器,例如霹雳炮。在南宋,这种火药武器开始被应用于军队之中,如突火枪,根据记载:

    “以巨竹为筒。内安子窠,如烧放焰绝,然后子窠发出,如炮声,远闻百五十余步。”

    在火药被应用于战争时,在其他领域的应用也得到了发展。如《东京梦华录》和《武林旧事》中就记载当时有许多“卖烟火”之人,就是利用火药制成烟火然后进行出售。

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    宋代突火枪

    火药的发现与炼丹脱不开干系,这里就不得不提一下宋代的炼丹了。炼丹师从事的是一种玄妙的职业,但是在这种不断的炼丹工作中,炼丹师逐渐与化学发生了联系。

    唐代道教的金丹派,也被称为丹鼎派,丹鼎派又分为内丹派和外丹派,其中外丹派主张通过各种奇珍异宝来炼制丹药,最终使人达到脱胎换骨的效果,最终飞升成仙。

    其中有一位大师被人称为全真道南宗五祖之末的白玉蟾,就是一位内外兼修的道士。白玉蟾编有炼丹术著作《金华冲碧丹经秘旨》,其中记载了诸多炼丹设备诸如石榴罐、水海等,与现代的化学仪器有着类似之处。另有诸多炼丹术著作中记载了相当的化学原料和化学反应,其中诸如制造金粉、砷白铜、酸醋铁、绿矾等的方法,还有生产高度白酒的蒸馏方法等,均是从炼丹师的丹房中诞生的。

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    白玉蟾像

    另外还有诸多炼金方法,如胆水炼铜法,其法如下:

    “以生铁炼成薄片,置胆水槽中浸渍数日,上生赤煤,取刮入炉,三炼成铜。”

    可以说化学在宋代也有着相应的发展。

    四、总结

    科技的发展离不开实践,我们可以发现,宋代所取得的这些科技成就正是建立了实践的基础之上,通过无数有识之士的努力与奋斗,最终才得以形成如此辉煌的成就。

    另外,宋代宽松的学术氛围也是颇为有趣的,正是在一个宽松而又融洽的氛围之中,科技才能不断发展。

    但是可惜的是,这种学术的发展并没有持续太久,也没有形成系统的学科,这种繁荣总归是昙花一现,不久后就该梦醒。

    参考文献:《宋史》、《中国科学技术史》、《续资治通鉴长编》、《系年要录》、《梦溪笔谈》、《席上腐谈》、《演繁露》、《东坡志林》、《文献通考》、《武林旧事》等

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