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第6章 中国古代科技史(5)

暖种在于促使蚕种孵化。长江流域及其以北地区,常用下列两种暖种方法:一种是室内人工加温;另一种是用太阳的光热暖种。明清时代江浙蚕农大多利用人的体温暖种。这几种方法各有利弊。

蚕卵经过暖种后孵化成蚁蚕。为了收集蚕蚁,古人先是想到用获做成扫帚扫蚕蚁,后来发现“用获扫则伤蚕”,进而改用毛扫,但还存在伤蚕的问题,于是古人又想到了用桑叶招引的“桑收法”。而元代北方农家则多用桃杖翻转敲打的办法,就是把蚕种纸翻转,用桃杖在纸背轻轻敲打,蚁蚕受震,便从蚕种纸上掉落下来,这种收蚁方法,现称打落法。

收蚁之后,便要喂蚕。喂蚕是养蚕的关键。在蚕的一生中,什么时候该多喂几次桑?什么时候可以少喂几次?每次给桑份量多少?都有讲究。古人发现,蚕的食欲和它的体色变化有关。给桑可根据蚕体色变化,来决定给桑的时间和分量。如,蚕体色自黄而自变化的时期,正是眠起以后蚕体柔软,消化器官虚弱,食欲尚不旺盛的阶段,所以这时期应该“宜细细饲之”,这样的给桑方法符合蚕体生理要求。古人还根据蚕头部颜色的变化来判断蚕的眠起和进食。

随着蚕体的生长,需要除沙和分箔,以利于蚕体的健康。除沙和分箔往往是结合进行的。古代除沙的方法主要有:徒手除沙法、网除法和糠除法。古代北方农家在桑蚕头眠后即将一张蚕箔上饲养的蚁蚕分为2箔,二龄盛食期分为3箔,三眠起身分为6箔,三龄盛食期分为12箔,三眠起身分为25箔,四龄盛食期分为30箔。

家蚕经三眠或四眠之后,最后趋于老熟。同一箔的蚕往往眠起不齐,因此也很难全部同时老熟。对于老熟参差不齐的蚕,最好是先熟的蚕先上蔟,后熟的蚕后上蔟。对于不能同时老熟的蚕上蔟,清代《广蚕桑说》记载的方法是:当箔中发现有少量熟蚕时,便薄薄铺上一层桑叶,未熟的蚕必然食叶如常,熟蚕则不吃叶,但爬到叶面上,昂首若有所求,此时随手拣出,送上蚕蔟。以后熟蚕渐渐增多,多到拣不胜拣时,就用柳枝搁在桑叶层上,待熟蚕爬上柳枝,然后提出,把爬在柳枝上的蚕送上蚕蔟。这种方法被称为“诱蚕法”。

明清时期,蚕桑主产区嘉湖地区,在熟蚕上蔟结茧时,蔟下用炭火加温,以使“成茧速而缫丝易”。蔟下加温,丝从蚕口中吐出即干,即所谓“出口干”,这样的丝品质亦较好,深受当时人们的好评。

茶树栽培和茶叶加工

中国是茶的原产地,是茶的故乡。我们的祖先不仅在世界上最先发现了茶的功效,也最早发明了茶叶加工技术和把茶树驯化培育为一种重要的栽培作物。

中国南方是野生茶树种的故乡。根据《茶经》记载,茶是南方的优良树种之一,在巴山、峡川一带有两人合抱的大茶树。早在神农时代,我们的祖先就已开始了茶的食用。有关古籍记载,四川巴蜀一带是最早的茶叶产区。这里在周代统治时期,即已将茶叶作为贡品,而在汉代的时候,这里已经出现了茶叶买卖市场。

到了唐代,茶叶生产、茶叶加工和饮茶习俗已相当普及,茶叶产区也由原来的西南一隅,扩展到长江流域的广大地区。陆羽《茶经》按照当时的行政区划,划分为八大茶叶产区,人们对于茶叶的性理、生态也有了较深的认识。

唐末五代韩鄂著的《四时纂要》一书中就有茶树直播法栽培技术的详细记载。明清时期开始采用移栽法,还采用了无性繁殖的压茶法。明代中期以后,有些地方种茶,就由单一的丛直播发展为开始采用育苗移栽了。育苗移栽也是有性繁殖,有性繁殖容易产生种性退化,所以,自清以后,随着我国出口贸易对良种和名优茶叶的需要,茶树的无性繁殖,在一些地方和有的茶树品种上,开始得到了重视和推广。茶树栽培技术的提高,为茶叶的普及做出了重大贡献。

茶树种植的普及,促进了茶叶栽培技术的提高,与此同时,茶叶加工和饮用的方法也发生了一些改变。最初茶叶的服用方法是将采集来的野生茶叶放入水中煮沸后,连叶带水一同食用,就像吃蔬菜一样。到了唐代出现了饼茶。饼茶是采来茶叶后,先放人甑中蒸,再用石臼、木杵捣,拍打成饼,焙干后,用获(芦苇)和蔑(竹条、竹片)穿起来封存。唐代还出现了一种新的茶叶加工方法,即散茶法,将茶叶微蒸之后,摊晾,用手揉捻、烘干,随时冲泡饮用。这种方法也就是今天最流行的方法。

王祯《农书》

王祯《农书》是一部重要的农业科学著作,它上续《齐民要术》,总结前人的经验,补充了大量实地考察的结果,是综合了黄河流域旱田耕作和江南水田耕作两方面生产经验而写成的大型农书。全书37集,136000字,基本内容分为农桑通诀、百谷谱、农器谱三大部分。第一部分主要讲述农业史与主要农耕技术,系统讨论了农业生产的各个环节,还广泛涉及林、牧、副、渔的各项技术和经验,基本上是一部《农业总论》;第二部分叙述各种粮食、蔬菜、瓜果与林木作物的栽培、起源、性能和管理;第三部分绘制各种农具与农业机械图281幅,介绍了农业生产工具和农业机械的构造和制造方法,这一部分占据了全书的大部分篇幅,也是最宝贵的部分,因为它真实地再现了当时的农具实物形象,连有些当时已失传的古代机械也经反复试制恢复原型,具有极高的科学史价值。

数字

十进位值制的缘起

我国是世界上最早使用十进制记数的国家之一。商代甲骨文中已有十进制记数,最大数字为3万。

在人类使用数目的历史上,一些地区曾出现过五进制、十二进制、十六进制、二十进制、六十进制等,除了计时和计角度中的分、秒单位仍保留着六十进制的痕迹外,其他进制都被十进制所取代了。

人类早期不同地区的数字写法大不相同,但有一点是相同的,那就是都有“顺序”,即在写法上无非是从左到右,或从右到左,或从上到下。于是计数符号就有了位置的概念。每个计数符号本身表示大小不同的数目,而且同一个计数符号写在不同位置上,其数值大小也不相同,这就是位值制的来历。

古埃及在3000多年前的计数法是十进制的,但没有位值制;古巴比伦人在2000多年前采用的是六十进位值制,他们使用了位值制;古希腊人的计数系统是十进制,但没有位值制概念。2000多年以前,在北美洲中部居住的玛雅人有了位值制的概念,但采用的是二十进位制。中国在3000多年前的商代,已经建立起了完整的十进制系统。事实上,采用几进位制是不重要的,重要的是要有位值制概念。巴比伦人和玛雅人有位值制概念,却都不是十进制,古埃及和古希腊是十进制,却都没有位值制,只有中国是最早采用十进位值制的国家,这是人类文明史上最伟大最重要的发明之一。

英国著名科学史家李约瑟曾说:“如果没有这种十进位值制,就几乎不可能出现我们现在这个统一化的世界了。”科学史家丹齐克对此也给出了一个中肯的评价:“位值制原则实在是一件有世界意义的大事,这个原则不但是方法上的根本变革,而且,现在我们知道,若是没有它,算术上的任何进步都是不可能的。”因此,首创十进位值制是中国古代人民对世界做出的一项不可磨灭的贡献。

现代二进制的始祖——八卦

电子计算机之所以有神奇的计算速度,一个重要原因,是它没有采用平常的十进制,而是用了二进制。欧美科学家都认为,最早倡导二进制的是德国科学家莱布尼兹。莱布尼兹却说,他是从研究中国八卦中得到启发,才产生二进制思想的。

八卦有两个基本符号:阳爻“一”和阴爻“一一”。每次从这两个符号中取3个,共有8种不同的排列法。对这8个符号,分别规定了名称,叫做“八卦”。如果把阳爻“一”当作1,阴爻“一”当作0,我们便可把八卦的8个符号看作二进位数。

莱布尼兹在法国定居时,同在华的传教士白晋有密切联系。白晋曾为康熙皇帝讲过数学课,他对中国的易经很感兴趣,曾在1701年寄给莱布尼兹两张易经图,其中一张就是有名的“伏羲六十四卦方位圆图”。莱布尼兹惊奇地发现,这六十四卦正好与64个二进制数相对应。莱布尼兹认为中国的八卦是世界上最早的二进制记数法。为此,他于1716年发表了《论中国的哲学》一文,专门讨论八卦与二进制,指出二进制与八卦有共同之处。

莱布尼兹非常向往和崇尚中国的古代文明,他曾把自己研制的乘法机的复制品赠送给中国皇帝康熙,以表达他对中国的敬意。

九九乘法表的发明

九九乘法口诀最早是由中国人发明的。古代的九九乘法口诀又称“小九九”,它的排列顺序与现在的正好相反,因为乘法口诀的开头的两个字是“九九”,所以人们简称它为“九九”。《管子》中曾提到“安戏作九九之数以应天道”。我国最迟于春秋鲁桓公时已有“九九”,在战国时代,九九口诀已经相当流行,诸子著作如《苟子》等已把乘法口诀的文句作为科学上的论证来引用了。

《周髀算经》与勾股定理

西汉末年(约前1世纪)编纂的《周髀算经》,尽管是谈论盖天说(一种宇宙结构学说)字宙论的天文学著作,但包含许多数学内容,是我国最古老的一部古典数学著作。这部著作记录了我国古代早期的一些数学成果,在数学方面主要有两项成就:(1)提出勾股定理的特例及普遍形式;(2)测太阳高、远的陈子测日法,为后来重差术(勾股测量法)的先驱。此外,还有较复杂的开方问题和分数运算等。

《周髀算经》的叙述了西周开国时期(约前1000年)的周公姬旦与商高的对话,商高说:“故折矩以为勾广三,股修四,径隅五。”矩就是曲尺,由两条互相垂直的直尺做成。由曲尺所构成的直角三角形称为勾股形,直尺短的一边称为“勾”,长的一边称为“股”,斜边称为“弦”(即径隅)。商高所说的勾长为三,股长为四,弦长必定是五。这是勾股定理的一个特殊例子。从这里可以看出,我国很早就已知道勾股定理了。

勾股定理是自然界最本质、最基本的规律之一,而在对这样一个重要规律的发现和应用上,中国人走在了前面。我国商高提出的勾股定理比欧洲最早提出勾股定理的希腊哲学家毕达哥拉斯(前572~前497年)要早300多年。因此,勾股弦定理在我国又叫“商高定理”(西方称勾股弦定理为毕达哥拉斯定理)。这说明我国数学的发展是很早的。

《九章算术》

《九章算术》是一部经几代人整理、删补和修订而成的古代数学经典著作,约成书于东汉初年(前1世纪),一直流传至今,是中国现有传本的最古老的数学著作。《九章算术》是我国古代劳动人民在长期的生产实践中积累起来的数学知识的结晶,为我国古代数学的发展奠定了基础。全书采用问题集的形式编写,共收有246个数学问题,分做9大类,就是“九章”。其内容涉及算术、初等代数、初等几何等各个方面。其中关于多元一次方程组解法的记载是世界上最早的,比印度早400多年,比欧洲早1300多年。关于正负数的概念,正负数加减法则的记载也是世界上最早的,欧洲到16~17世纪才有正负数的概念。关于开平方、开立方以及一般二次方程的解法等在世界上也都是最早的。

《九章算术》注重应用,注重理论联系实际,形成了以筹算为中心的数学体系,对中国古算影响深远。它的出现,标志着中国古代数学体系的形成,其计算与实用的显著优点,弥补了以欧几里德《几何原本》为代表的具有高度抽象性和逻辑系统性的古希腊数学体系的不足之处,标志着从公元前1世纪开始,中国取代古希腊成为世界数学的中心,为此后中国数学领先世界1500多年奠定了基础。《九章算术》不仅在我国古代数学史上有很大影响,在世界数学史上也占有重要地位。《九章算术》在隋唐时期曾传到朝鲜、日本,并成为这些国家当时的数学教科书。它的一些成就如十进位值制、今有术、盈不足术等还传到印度和阿拉伯地区,并通过印度、阿拉伯传到欧洲,促进了世界数学的发展。在欧洲和阿拉伯的早期数学著作中,过剩与不足问题的算法,就被称为“中国算法”。

现在,作为世界古典科学名著,它已经被译成俄文、德文、日文等文字,受到世界各国的重视。今天,随着计算机的出现和发展,它所蕴含的算法和程序化思想,仍给数学家以启迪。吴文俊先生指出:“《九章》所蕴含的思想影响,必将日益显著,在下一世纪中凌驾于《原本》思想体系之上,不仅不无可能,甚至说是殆成定局,本人认为也绝非过甚妄测之辞。”

割圆术

“割圆术”是中国古算中的一个内容,是利用圆内接正多边形随边数逐次加倍而逼近圆的原理来求圆周率近似值的方法。此法由三国时著名数学家刘徽(约3世纪)所创,刘徽在注《九章算术》时,发现古人所用“径一周三”(即圆周率等于3)的数据实际上是圆内按正六边形的周长和直径的比值,不是圆周与直径的比值。经过深入研究,刘徽发现圆内接正多边形边数无限增加的时候,多边形周长无限逼近圆周长,在这一思想指导下刘徽创立了割圆术,为圆周率研究工作奠定了坚实可靠的理论基础,开创了中国圆周率研究的新纪元,在数学史上占有十分重要的地位。刘徽从圆内按正六边形出发,运用“割圆术”得出圆周率的近似值为3927/1250(即3.1416),他所得到的结果在当时世界上是很先进的。

刘徽的“割圆术”体现了极限的思想,这在世界数学史上也是一项重大成就。刘徽写道:“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至不可割,则与圆周合体而无所失矣!”刘徽所运用的初步的极限概念和直曲转化思想,在1500年前的古代,是非常难能可贵的。另外,刘徽的计算方法只用圆内接多边形面积,而无须外切多边形面积,这比古希腊数学家阿基米德(前287~前212年)用圆内接和外切正多边形计算,在程序上要简便得多,可以收到事半功倍的效果。

祖冲之与圆周率

圆周率在生产实践中应用非常广泛,在科学不很发达的古代,计算圆周率是一件相当复杂和困难的工作。因此,圆周率的理论和计算在一定程度上反映了一个国家的数学水平。5世纪,我国南北朝时期杰出数学家祖冲之,应用刘徽创立的割圆木,把圆周率推算到更加精确的程度,取得了极其光辉的成就。

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