书城教材教辅科学家成才故事
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第5章 祖冲之的成才故事

祖冲之(429—500),字文远,南朝宋范阳人,我国古代杰出的数学家、天文学家、机械发明家。他一生有许多卓越的成就,最伟大的一项就是对圆周率精确计算。

圆周率就是圆的周长和一个圆的直径的比率。圆周率的应用非常广泛,凡是涉及到圆的数学问题,都要用圆周率来计算。

在祖冲之之前有很多科学家都对圆周率作过计算,但都不够精确。直到三国末年,数学家刘徽创造了用割圆术求圆周率的方法,求得了3.141024的圆周率。这是我国古代在圆周率的研究方面所取得的一个光辉成就。

祖冲之就是采用刘徽的方法来探求更加精确的圆周率的。刘徽是通过做圆的内接正多边形的办法来求圆的周长的。内接正多边形的边数越多,边长的和就越大,也就越接近实际的圆的周长,求得的圆周率也就越精确。刘徽先在圆内做一个每条边都和圆的半径相等的内接正六边形。然后把每条边相对的弧线平分,做出一个内接正12边形。用同样的方法,可以做出内接正24边形、48边形、96边形……刘徽计算到96边形时,得出了圆周率是3.14024这个结论。

祖冲之决心把刘徽的结论再推进一步。运算的主要工具是一根根小竹棍——算筹。

这些天,祖冲之实在是太忙了,因此计算工作常常要在晚上进行。这一夜,直到东方发亮,祖冲之才完成了96边形的计算工作。他是在地上画的一个直径为一丈的圆上进行计算的。他计算的结果是:内接正96边形每边的长度是0.032719丈,各边边长总和是3.141024丈,圆周率是3.141024,和刘徽的结论正好相符。祖冲之运用刘徽的方法,坚持不懈地进行着圆周率的计算工作。但是,内接正多边形的边数越多,每条边的长度就越小,计算起来,难度也就越大。

经过几年的艰苦奋斗,祖冲之在圆周率的计算方面终于超过了前人。祖冲之求出的圆周率在3.1415926和3.1415927之间,前者是不足近似值,后者是过剩近似值。同时,祖冲之还确定了圆周率的两个分数形式的近似值。一个比较精确,叫密率,是355/113;另一个叫约率,是22/7。

祖冲之计算出来的圆周率,是当时世界上最精确的圆周率。祖冲之提出的密率,在他去世1000多年以后,德国人奥托和荷兰人安托尼兹才计算出来。

祖冲之在数学方面作出了卓越的贡献。他曾把自己的研究成果写成了一本书,这本书的名字叫《缀术》。可惜这本内容丰富的数学专著后来失传了。

祖冲之25岁的时候,进了宋孝武帝创办的“华林学省”。在这里,他潜心研究各种天文现象,并取得了丰硕的成果。有一年正月十五的晚上,一轮银盘似的月亮,高高地挂在天空,在“华林学省”就读的书生们,三个一群,五个一伙,都在高高兴兴地欢度元宵佳节。忽然,不知道是谁喊了一声:“月食!”书生们抬头一看,月亮的边缘果然出现了一条细细的黑线。接着,满街响起了铜锣声,许多人边跑边吆喝着:“天狗开始吃月亮了,赶快救月亮呀!”“华林学省”里也骚动起来,有的敲起了铜盆,有的敲起了铜壶,还一面敲打,一面吵嚷:“快赶天狗啊,快救月亮!”人们东奔西跑,一片慌乱。

祖冲之从厢房里走出来,抬头看了看天空,月亮的边缘已经有一条半指宽的黑边了。看着学友们惊慌失措的样子,他感到既好笑,又惭愧。他走下台阶,向那些敲盆打壶、胡吵乱叫的人大声地说:“学友们,不要吵嚷了,今天是十五,是可能发生月食的日子。这是地球把太阳光遮住了,不是什么天狗吃月亮!”一个身材细高、略微有点驼背的人正在敲着一只铜盆满院子里乱跑,听了祖冲之的话,不但没有住手,反而敲得更紧了。他一面敲,一面大声说:“冲之,你看看天上,月亮快被天狗吃掉半个了,你还在这里胡言乱语,有罪呀!”祖冲之坦然地说:“王相公,你停一停。我且问你,你怎么知道这是天狗吃月亮?”

身材细高的人说:“这会儿我可没工夫跟你解释,救月亮要紧!再过一会儿,月亮就要被吃光了。”说着,又拼命地敲起铜盆来。

大约过了一个时辰,月亮又重新放出了光亮。“华林学省”里的书生们,已无心再过什么元宵节了,一个个垂头丧气,愁眉苦脸的。他们认为,正月十五发生月食,是最大的不吉利,预示着一年都要走霉运,天非降下大灾大难不可。已经是深夜了,他们还聚在一起交头接耳,议论纷纷。

祖冲之躺在床上,翻来覆去睡不着,刚才学友们的那些丑态老是在他眼前晃来晃去。他想,如果能预测到月食发生的具体日期和时刻就好了。祖冲之翻阅了大量的古代天文资料,又进行了坚持不懈地观测,他对月食产生的原因认识得更清楚了。经过几年的刻苦钻研,祖冲之终于精确地推算出了月食出现的具体时间。这使更多的人认识到,月食只是一种自然现象,它发生的时刻是可以预测的,因而再也不相信什么天狗吃月亮的神话了。

祖冲之幼年的时候,曾从他祖父的朋友、著名的天文学家何承天那里学习到很多天文知识,祖冲之很尊重何承天在天文、历法等方面所取得的成就。他仔细研究了何承天在元嘉二十二年制定的《元嘉历》,发现其中存在着明显的缺陷。就拿闰法来说吧。我们知道,阳历一年是365天,比阴历一年要多11天。为了能使两种历法的天数保持一致,历代天文学家都采用了闰年的办法。

何承天采用了每19年7闰的闰周。祖冲之经过精确地计算,发现19年7闰误差很大,每240年就要相差一天。于是他提出了每391年安排144个闰年的办法。这个置闰法,比19年7闰的误差要小得多。于是,祖冲之决定重新计算闰法,改革历法。

祖冲之的父亲祖朔之,听说了儿子提出要改变闰法的事,非常生气,便把祖冲之找来,狠狠地教训了他一顿。

祖朔之十分严厉地斥责他说:“何老先生学识高深,博古通今,花了一生的心血,制定了《元嘉历》,而且实行了很多年,深受称赞。你才疏学浅,竟敢提出改变闰年的办法,真是太不自量力了!再说,何老先生是你的恩师,你这样做,是对长辈极大的不尊敬!”祖冲之不服气地说:“我一向都很尊重何老先生,他的《元嘉历》确实比古代11家的历法都精密,这是众所周知的事实。但是他的历法也有些明显的差错。不能因为他是长辈,我们就把他的差错掩盖起来。”祖朔之被儿子说得很恼火,拍着桌子大声说:“狂妄,简直是狂妄!”祖冲之并没被父亲的专横跋扈所吓倒,他继续苦心钻研有关天文的知识,决定制定一部科学的、实用的新历法。

祖冲之运用土圭测量日影的方法,证实了西晋的虞喜创立的“岁差说”是有一定价值的。所谓岁差,就是太阳每年在地球上绕一个大圈子(实际上是地球绕太阳转一周)以后,并不回到原来的地方,每年都有很微小的位差。因而祖冲之主张在历法计算中运用岁差。他还在历法计算中引入了交点月。他定的交点月是27.21223日,这与现代测得的27.21222日非常相近。由于在历法计算中引入了交点月,这就为准确地推算日食和月食发生的时间创造了有利的条件。

生活在1500多年前的伟大科学家祖冲之,在数学、天文、历法、机械等方面都取得了惊人的成就,作出了杰出的贡献,他是我们伟大祖国的骄傲!