第15章 科学巨匠(2)

蔡伦任尚方令期间，认真总结了前人的经验，认为扩大造纸原料的来源，改进造纸技术，提高纸张质量，就可以使纸张为大家接受。蔡伦首先使用树皮造纸，树皮是比麻类丰富得多的原料，这可以使纸的产量大幅度的提高。但是树皮中所含的木素、果胶、蛋白质远比麻类高，因此树皮的脱胶、制浆要比麻类难度大。于是蔡伦积极想办法改进造纸的技术。他利用碎布、麻头、鱼网等为原料，将西汉时的石灰水制浆改用草木灰水制浆，因草木灰水有较大的碱性，有利于提高纸浆的质量，最终蔡伦造出了精制纸张。元兴元年（105），蔡伦把他在尚方制造出来的一批优质纸张献给汉和帝刘肇，汉和帝很称赞他的才能，马上通令天下采用。这样，蔡伦的造纸方法很快传遍各地。

就在蔡伦发明造纸术的同一年，和帝去世，邓太后所生的百日婴儿即位，不到两年又死去。邓太后再立13岁皇侄刘祜嗣位，为安帝。刘祜是清河王刘庆之子，即位初期仍由邓太后把持朝政，蔡伦继续受到重用，被封为龙亭侯，从此进入贵族行列，由他监制的纸被称为“蔡侯纸”。元初五年（118），蔡伦又被提升为长乐太仆，成为邓太后的首席近侍官，受到满朝文武的奉承。正当他权位处于顶峰之际，建光元年（121）邓太后去世，安帝亲政。蔡伦因为当初受窦后指使参与迫害安帝皇祖母宋贵人致死、剥夺皇父刘庆的皇位继承权而被审讯查办。蔡伦自知死罪难免，于是自尽而亡。

蔡伦一生在内廷为官，先后侍奉四个幼帝，投靠两个皇后，节节上升，身居列候，位尊九卿，却以惨死告终。但他在兼管尚方令时，推动了手工业工艺的发展，被称为东汉时期的科学家，因而留名后世，得到史学家的首肯。造纸术是我国古代科学技术的“四大发明”之一，是中华民族对世界文明作出的一项十分宝贵的贡献，大大促进了世界科学文化的传播和交流，深刻地影响着世界历史的进程。

张衡：领先世界的科学全才

张衡（78—139），字平子，南阳西鄂（今河南省南阳市石桥镇夏村）人，东汉时期伟大的科学家、文学家和发明家。

张衡17岁时离开家乡，到西汉故都长安及其附近地区考察历史古迹，调查民情风俗和社会经济情况。后来，又到首都洛阳参观太学，求师访友。汉和帝永元十二年（100），张衡由洛阳回到南阳，担任南阳太守鲍德的主簿。在此期间写了《东京赋》和《西京赋》，一直流传到今天。安帝永初二年（108）鲍德调离南阳后，张衡去职留在家乡，用了三年时间钻研哲学、数学、天文，积累了不少知识，声誉大振。永初五（111）年他再次到京城，担任郎中与尚书侍郎。元初二年（115）起，曾两度担任太史令，前后用14年，在天文学上取得了卓越的成就。

汉朝的时候，关于宇宙结构的理论，主要有三个学派，即盖天说、浑天说和宣夜说。张衡是浑天说的代表人物。他认为天好像一个鸡蛋壳，地好比鸡蛋黄，天大地小；天地各乘气而立，载水而浮。这个看法虽然也是属于地心体系的范畴，但是在当时却有进步之处。

张衡不但注意理论研究，而且注重实践，他曾亲自设计和制造了漏水转浑天仪、候风地动仪。候风地动仪制成于顺帝阳嘉元年（132），后者是世界上第一架测验地震的仪器。

浑天仪相当于现在的天球仪，原是西汉时耿寿昌发明的。张衡对它作了改进，用来作为浑天说的演示仪器。他用齿轮系统把浑象和计时漏壶联系起来，漏壶滴水推动浑象均匀地旋转，一天刚好转一周。这样，人在屋子里看浑象，就可以知道哪颗星当时在什么位置上。

张衡还对许多具体的天象作了观察和分析。他统计出中原地区能看到的星数约2500颗。他基本上掌握了月食的原理，还测出太阳和月亮的角直径是天周的1/736，即29’24’’，同太阳和月亮的平均角直径分别是31’59’’.26和31’5’’.2相差不多，可见张衡的测量是相当准确的。

张衡认为，早晚和中午的太阳，其大小是一样的，看起来早晚大，中午小，只是一种光学作用。早晚观测者所处的环境比较暗，由暗视明就显得大；中午时天地同明，看天上的太阳就显得小。好比一团火，夜里看就大，白天看就小。张衡的这种解释是有道理的，但不很全面。到了晋代，束皙才作了比较完善的解释。

张衡的学术成就是多方面的。阳嘉元年，张衡发明了一种测定地震方位的地动仪。地动仪用铜制成，形状像酒樽，内部中间竖着一根粗大的柱子，柱子周围有8根横杆连接外面。外面有8条龙，龙头朝下，按8个方向排列，龙嘴里各衔着一个小铜球，下面蹲着8只张嘴的蟾蜍。如某一方向发生地震，柱子就会倒向那个方向的横杆，那个方向的龙嘴就吐出铜球，落到蟾蜍嘴里。这样，人们就可以知道什么方向发生了地震。

永和三年（138），地动仪准确地预测了发生在陇西的一次地震。张衡发明的地动仪是世界上第一架测定地震方向的仪器，比欧洲的地震仪要早1700多年。他还发明了测定方向的候风仪，制成了当时只是在传说中有过的指南车。

在数学方面，张衡算出了圆周率比10的平方根3.16多一点；在地理学方面，他绘制有地形图；在文学艺术方面，他是东汉时期有名的文学家，并且还被列为当时的六大名画家之一。1956年，郭沫若为他题碑文：“如此全面发展之人物，在世界史中亦所罕见。万祀千龄，令人景仰。”

祖冲之：精算圆周率的世界第一人

祖冲之（429—500），河北省涞源县人，南北朝时期的数学家、天文学家。

祖冲之的祖父名叫祖昌，在宋朝做了一个管理朝廷建筑的长官。祖冲之长在这样的家庭里，从小就读了不少书。他特别爱好研究数学，也喜欢研究天文历法，经常观测太阳和星球运行的情况，并且作了详细记录。宋孝武帝听到他的名气，派他到一个专门研究学术的官署“华林学省”工作。他对做官并没有兴趣，但是在那里，可以更加专心研究数学、天文了。

我国历代都有研究天文的官，并且根据研究天文的结果来制定历法。到了宋朝的时候，历法已经有很大进步，但是祖冲之认为还不够精确。他根据自己长期观察的结果，创制出一部新的历法，叫做“大明历”（“大明”是宋孝武帝的年号）。这种历法测定的每一回归年（也就是两年冬至点之间的时间）的天数，跟现代科学测定的相差只有50秒；测定月亮环行一周的天数，跟现代科学测定的相差不到1秒，可见它的精确程度了。

和平三年（462），祖冲之请求宋孝武帝颁布新历，孝武帝召集大臣商议。那时候，有一个皇帝宠幸的大臣戴法兴出来反对，认为祖冲之擅自改变古历，是离经叛道的行为。祖冲之当场用他研究的数据回驳了戴法兴。戴法兴依仗皇帝宠幸他，蛮横地说：“历法是古人制定的，后代的人不应该改动。”祖冲之一点也不害怕，并严肃地说：“你如果有事实根据，就只管拿出来辩论，不要拿空话吓唬人嘛。”宋孝武帝想帮助戴法兴，找了一些懂得历法的人跟祖冲之辩论，也一个个被祖冲之驳倒了。但是宋孝武帝还是不肯颁布新历。直到祖冲之死了10年之后，他创制的大明历才得到推行。

尽管当时社会十分动乱不安，但是祖冲之还是孜孜不倦地研究科学。他更大的成就是在数学方面。他曾经对古代数学著作《九章算术》作了注释，又编写一本《缀术》。他的最杰出贡献是求得相当精确的圆周率。经过长期的艰苦研究，他计算出圆周率在3.1415926和3.1415927之间，成为世界上最早把圆周率数值推算到七位数字以上的科学家。

祖冲之也制造了很有用的劳动工具。他看到劳动人民舂米、磨粉很费力，就创造了一种粮食加工工具，叫做水碓磨。古代劳动人民很早就发明了利用水力舂米的水碓和磨粉的水磨。西晋初年，杜预曾经加以改进，发明了连机碓和水转连磨。一个连机碓能带动好几个石杵一起一落地舂米；一个水转连磨能带动八个磨同时磨粉。祖冲之又在这个基础上进一步加以改进，把水碓和水磨结合起来，生产效率就更加提高了。这种加工工具，现在我国南方有些农村还在使用着。

祖冲之也设计制造过一种船，它可能是利用轮子激水前进的原理造成的，一天能行100多里。祖冲之还根据春秋时代文献的记载，制了一个欹器，送给齐武帝的第二个儿子萧子良。欹器是古人用来警诫自满的器具。器内没有水的时候，是侧向一边的。里面盛水以后，如果水量适中，它就竖立起来；如果水满了，它又会倒向一边，把水泼出去。这种器具，晋朝的学者杜预曾试制三次都没有成功，却被祖冲之仿制成功了。由此可见，祖冲之对各种机械都有深刻的研究。

祖冲之的成就不仅限于自然科学方面，他还精通乐理，对于音律很有研究。此外，祖冲之还著有《易义》、《老子义》、《庄子义》、《释论语》等关于哲学的书籍，现都已经失传了。

祖冲之不仅是我国历史上杰出的科学家，而且在世界科学发展史上也有崇高的地位。祖冲之创造“密率”，是世界闻名的。祖冲之在天文、历法、数学以及机械制造等方面的辉煌成就，充分表现了我国古代科学的高度发展水平。

郦道元：中世纪最伟大的地理学家

郦道元（466—527），字善长，范阳涿（今河北涿州）人，北魏著名地理学家、文学家。

魏晋南北朝时期是我国历史上的大变革时期，是一个民族交流、民族融合的时代，郦道元就是生活在这样一个时代大背景下。郦道元出生于官宦世家，他的父亲郦范年少在太武帝时期给事东宫，后以卓越才能成为优秀的军师，曾经做过平东将军和青州刺史。郦道元也先后担任过骑都尉、太傅掾、书侍御史、御史中尉和北中郎将等中央官职，并且多次出任地方官。

郦道元为官刚正不阿、疾恶如仇，而且不惧权贵，敢于同皇宫中的恶势力进行斗争。王室中的权奸元微曾诬陷郦道元的叔父元渊，由于官员宋游道能站出来说明事实真相，元渊才得以昭雪。在这件事上，郦道元支持宋游道的做法，认为其气节可嘉，并委以官职。郦道元的行为触动了元微的利益，于是元微迁怒于郦道元，史书称为“素忌道元”。另一个王室纨袴子弟元悦纵容小人丘念违法乱纪，无恶不作，干扰正常的行政官员的选用制度。当时郦道元正担任御史中尉，他果断地将丘念逮捕，准备予以法办。元悦请太后为丘念说情，郦道元坚决依法办事处死了丘念，并以此弹劾元悦。元悦从此怀恨在心。孝昌三年（527），当时雍州刺史萧宝夤正准备叛乱，元悦就怂恿太后任道元为关右大使去监视萧宝夤。而萧宝夤则受到元悦的指使怂恿，派人把郦道元一行围困在阴盘驿亭（今陕西省临潼县东），郦道元和他的弟弟郦道峻以及两个儿子一同被杀害。

郦道元从少年时代起，就有志于地理学的研究。他喜欢游览祖国的河流、山川，尤其喜欢研究各地的水文地理、自然风貌。他充分利用在各地做官的机会进行实地考察，足迹遍及今河北、河南、山东、山西、安徽、江苏、内蒙等广大地区，调查当地的地理、历史和风土人情等，掌握了大量的第一手资料。每到一个地方，他都要游览名胜古迹、山川河流，悉心勘察水流地势，并访问当地长者，了解古今水道的变迁情况及河流的渊源所在、流经地区等。同时，他还利用业余时间阅读了大量古代地理学著作，如《山海经》、《禹贡》、《禹本纪》、《汉书·地理志》、《水经》等，积累了丰富的地理学知识，为他的地理学研究和著述打下了基础。

郦道元通过把自己看到的地理现象，同古代地理著作进行对照、比较，发现其中有很多错误疏漏之处，而且随着时间的流逝，不少地理情况发生了很大变化。于是郦道元决定以当时通行的地理著作《水经》为蓝本，编写一本完整的地理学著作。《水经》是三国时人桑钦所著的一部地理学著作，它只是简要地记述了137条全国主要河流的水道情况，原文仅1万多字，记载相当简略，缺乏系统性，对水道的来龙去脉及流经地区的地理情况记载不够详细、具体。为了掌握丰富的第一手资料，写好《水经注》，郦道元阅读了400多种有关书籍，查阅了所有地图，研究了大量文物资料，还亲自到实地考察，核实书上的记载。经过大量艰辛的工作，郦道元终于完成了《水经注》这一伟大的地理学著作。

《水经注》是北魏以前中国及其周围地区的地理学的总结，全书共40卷（原书宋朝已佚5卷，今本仍作40卷，是经后人改编而成的），30多万字，是当时一部空前的地理学巨著。它名义上是注释《水经》，实际上是在《水经》基础上的再创作。全书记述了1252条河流，及有关的历史遗迹、人物掌故、神话传说等，条目比原著增加了近千条，文字增加了20多倍，内容比《水经》原著要丰富得多。《水经注》所记述的内容，不仅包括了全国各地的地理情况，还记述了一些国外的地理情况，其涉及地域东北至朝鲜的坝水（今大同江），南到扶南（今越南和柬埔寨），西南到印度新头河（今印度河），西至安息（今伊朗）、西海（今苏联咸海），北到流沙（今蒙古国沙漠）。在写作体例上，《水经注》不同于《禹贡》和《汉书·地理志》等以前的地理学著作，它以水道为纲，详细记述各地的地理概况，开创了古代综合地理著作的一种新形式。

《水经注》展现了1400年前中国的地理面貌，使人们读后可以对各地的地理状态及其历史变迁有较清晰的了解。例如从关于北京地区的描述中，可以知道当时北京城的城址、近郊的历史遗迹、河流以及湖泊的分布等，还可以了解到北京地区人们早期进行的一些大规模改变自然环境的活动，像拦河堰的修筑、天然河流的导引和人工渠道的开凿等。这是我们现在所能得到的关于北京地区最早的地理资料，也是我们研究北京地区历史地理变迁的一个重要依据。从这个意义上说，《水经注》是不可多得的珍贵的历史地理文献。

《水经注》中的内容，除郦道元亲身考察所得到的资料外，还引用了大量的历史文献和资料，其中引用前人的著作达437种之多，还有不少汉、魏时代的碑刻材料。这些书籍和碑刻，后来在历史的变迁中大都已经散佚了，幸而有郦道元的引用转录，才尚存一斑，使我们能够知道这些书籍和碑刻的部分内容。这又是我们研究我国文明发展历史的极其宝贵的资料。

《水经注》不仅是一部具有重大科学价值的地理巨著，而且也是一部颇具特色的山水游记。郦道元以饱满的热情、浑厚的文笔、精美的语言，形象、生动地描述了祖国的壮丽山川，表现了他对祖国的热爱和赞美。此外，该书还记录了不少碑刻墨迹和渔歌民谣，具有较高的文学价值。