耿壽昌〈刪補九章算術〉
圖:耿壽昌(Geng Shouchang,中國人,約西元前100年)
耿壽昌,生卒年月不詳,漢宣帝(西元前73至48年)時,因善於計算,能商功利,長於運籌,被任命為大司農中丞(中承:漢代御史大夫,分御中丞、中丞,中丞為執法者,掌管圖籍、秘書,受公卿奏章,彈劾不法事件,大司農中丞即管錢財、糧食的長管)。
耿壽昌把精通計算的長才運用到一般人民生計,成效頗著。譬如:他於邊境中儲藏糧穀,羌人不敢侵犯,又在邊郡築糧倉儲穀,穀價跌時加價買進,穀價上漲時減價出售,稱為”常平倉”,人民感到非常便利,皇上於是賜他為關內侯。除了商功外,他也利用其算數長才,主持土木工程,漢宣帝的陵墓就是他主持修建的。
耿壽昌不但在數學方面很有成就,在天文方面也頗有造詣。他在數學及天文學的貢獻如下:
一、刪補<九章算術>
他繼張蒼後,繼續整理及補充<九章算術>,使該書更加完整。
二、 歷史上記載製造中國最早的渾象,並使用渾儀觀測日、月運行
“渾”字在中國古代有圓球的意思,漢代張衡(Zhang Heng)說:「立圓為渾」。渾儀是由許多同心環組成觀測星球位置及其他天文數據的儀器,渾象是一種用來表演天體視運動的儀器,它是在一個圓球上刻畫或鑲嵌星座、赤道、黃道、恆隱圈、恆顯圈等,它可繞極軸轉動,以演示天體的東升西落和現代的天球儀相似。
蓋天說是中國最古老的一種討論天地結構的體系,最早記載蓋天學說的書是<周髀算經>,它是中國一本古老的數學書,大概是戰國時代的作品,內容敘述周公與商高的問答,其中涉及一些天文方面思想,蓋天說主張天是圓形,像一個大鍋蓋,地是方形像棋盤,三國演義,諸葛亮說:「蒼天如圓蓋,陸地如棋局,世人分黑白,往來爭榮辱……。」就是受蓋天說的影響(圖1),蓋天說更進一步指出,天頂離地的高度是八萬里,四邊下垂,而地則是每邊八十一萬里,同時日月星辰也都在這半圓蓋上運動,不會沒到大地下面。誠然,蓋天說有其缺失,例如:1. 天蓋是否直接蓋住地面,如何蓋?這一點,天蓋說的專家說:「天的圓蓋並不直接連到大地上,而是像大傘似的懸在地的上空,有繩子綁住它的樞紐,周圍有八根柱子撐著。所謂八根天柱,指的是地面大山,至於繩子就只好憑空想像,戰國時代名詩人屈原(Qu Yuan,西元前340至278年),就對八柱提出質疑」;2.日月星辰是如何出沒在天地之間?專家又說:「日月星辰並無所謂出沒,譬如太陽的出沒,只是因太陽離得遠,人看不見,謂之”日沒”,離得近,稱之”日出”」,但這也說不通,因為我們平常觀察日沒日出,明明是看它從地平面升起,又向地平面沉下,如果因為遠近的原因,則應該看見日出時太陽越來越大,日末時太陽越來越小。
圖1:蓋天說的示意圖
由於蓋天理論的缺失,為了實際的需要,到了西漢一些知名的天文學家就開始摸索想出了「渾天說」,渾天的思想其實早在戰國時期就已萌芽,到了西漢名天文學家如楊雄(Yuang Xiong,漢成都人,西元前53至西元18年,為人口吃博學,著有甘泉賦、河東賦、法言、太玄經等)、落下閎(中國民間天文學家,活動於西元前100年,他發揚了中國的渾天說,也是太初曆作者之一)、耿壽昌皆支持此學說。渾天說認為天是一整球,一半在地上,一半在地下,日月星辰隨天球而運動,有時看不見是因為它們轉到地面下去了。渾天說雖然是漢朝天文學家為了更好解釋天文現象,避開蓋天說所遭遇困難而產生的,但渾天說亦有其無法解釋之處,譬如:大地究竟是屬於平坦或是圓形?且大地如何懸浮在中央,而不墜落(因為那時並不知道萬有引力這完意),渾天說的學者(譬如張衡)有人認為:宇宙像一顆雞蛋,上天像蛋殼,大地像蛋黃,而大地之所以不會墜落是由於大地四周有水,它被水支撐著。
圖2:張衡與其製造的侯風地動儀
張衡(東漢西鄂人,西元78至139年,通曉天文曆算,所製的渾天儀及侯風地動儀,為當代最精良儀器,著有”兩京賦”,內容多譏諷社會的奢靡)
由於蓋天說早已深植人心,支持者亦不少,因此從此就與渾天說展開千年的爭論。渾天說學者一方面舉出其理論根據,即:全部天球的星星不能同時被看見,每次只能看到部分,28星宿總是半隱半現,同時日月星辰總是從地下升起,又從地下沒落。
同時,為實驗證明渾天說的正確性,他們進一步發明了渾象儀,以實物來證明渾天說的理論。
楊雄他原先是相信蓋天說的,但後來發現蓋天說有許多問題,提出八個問題質疑蓋天說,即所謂的「離蓋天八事」,並改信渾天說。他對落下閎及耿壽昌在渾天說所作的努力,推崇備至,他說:「或問落下閎對渾天學說的努力,沒有人不稱讚,至於耿中丞所製造的渾象儀之巧妙,沒有一個人能達到」。
耿壽昌為了解釋渾天理論所發明的銅製渾象,可能是歷史上記載最早可查的渾象儀了。時至東漢張衡(Zhang Heng,中國 東漢西鄂人,西元78至139年)(圖2)進一步製造了更精密用水力來推動的”水運渾象儀”,它一日剛好轉一圈,儀器裝置在密室內,另外派人在外面直接觀測夜空,當渾象轉到某一位置時,密室內的儀器會標出夜空中間的星球,且顯示某星剛從地平面升起或某星剛落下地平面,這時外面的人從實際夜空也看到同樣的天象,這個表演轟動了整個京城。
至於渾儀在中國也已有悠久的歷史,它一直是中國人觀測天象最有力的工具,耿壽昌據說曾將它增加一個赤道環(亦有人說是落下閎改進的),用來觀測太陽及月球的運動情形,他也將此成果寫成<月行帛圖>232卷,<月行度>2卷。