耿寿昌〈删补九章算术〉江铭辉五梦网
图:耿寿昌(Geng Shouchang,中国人,约公元前100年)
耿寿昌,生卒年月不详,汉宣帝(公元前73至48年)时,因善于计算,能商功利,长于运筹,被任命为大司农中丞(中承:汉代御史大夫,分御中丞、中丞,中丞为执法者,掌管图籍、秘书,受公卿奏章,弹劾不法事件,大司农中丞即管钱财、粮食的长管)。
耿寿昌把精通计算的长才运用到一般人民生计,成效颇着。譬如:他于边境中储藏粮谷,羌人不敢侵犯,又在边郡筑粮仓储谷,谷价跌时加价买进,谷价上涨时减价出售,称为”常平仓”,人民感到非常便利,皇上于是赐他为关内侯。除了商功外,他也利用其算数长才,主持土木工程,汉宣帝的陵墓就是他主持修建的。
耿寿昌不但在数学方面很有成就,在天文方面也颇有造诣。他在数学及天文学的贡献如下:
一、删补<九章算术>
他继张苍后,继续整理及补充<九章算术>,使该书更加完整。
二、 历史上记载制造中国最早的浑象,并使用浑仪观测日、月运行
“浑”字在中国古代有圆球的意思,汉代张衡(Zhang Heng)说:「立圆为浑」。浑仪是由许多同心环组成观测星球位置及其他天文数据的仪器,浑象是一种用来表演天体视运动的仪器,它是在一个圆球上刻画或镶嵌星座、赤道、黄道、恒隐圈、恒显圈等,它可绕极轴转动,以演示天体的东升西落和现代的天球仪相似。
盖天说是中国最古老的一种讨论天地结构的体系,最早记载盖天学说的书是<周髀算经>,它是中国一本古老的数学书,大概是战国时代的作品,内容叙述周公与商高的问答,其中涉及一些天文方面思想,盖天说主张天是圆形,像一个大锅盖,地是方形像棋盘,三国演义,诸葛亮说:「苍天如圆盖,陆地如棋局,世人分黑白,往来争荣辱……。」就是受盖天说的影响(图1),盖天说更进一步指出,天顶离地的高度是八万里,四边下垂,而地则是每边八十一万里,同时日月星辰也都在这半圆盖上运动,不会没到大地下面。诚然,盖天说有其缺失,例如:1. 天盖是否直接盖住地面,如何盖?这一点,天盖说的专家说:「天的圆盖并不直接连到大地上,而是像大伞似的悬在地的上空,有绳子绑住它的枢纽,周围有八根柱子撑着。所谓八根天柱,指的是地面大山,至于绳子就只好凭空想象,战国时代名诗人屈原(Qu Yuan,公元前340至278年),就对八柱提出质疑」;2.日月星辰是如何出没在天地之间?专家又说:「日月星辰并无所谓出没,譬如太阳的出没,只是因太阳离得远,人看不见,谓之”日没”,离得近,称之”日出”」,但这也说不通,因为我们平常观察日没日出,明明是看它从地平面升起,又向地平面沉下,如果因为远近的原因,则应该看见日出时太阳越来越大,日末时太阳越来越小。
图1:盖天说的示意图
由于盖天理论的缺失,为了实际的需要,到了西汉一些知名的天文学家就开始摸索想出了「浑天说」,浑天的思想其实早在战国时期就已萌芽,到了西汉名天文学家如杨雄(Yuang Xiong,汉成都人,公元前53至公元18年,为人口吃博学,着有甘泉赋、河东赋、法言、太玄经等)、落下闳(中国民间天文学家,活动于公元前100年,他发扬了中国的浑天说,也是太初历作者之一)、耿寿昌皆支持此学说。浑天说认为天是一整球,一半在地上,一半在地下,日月星辰随天球而运动,有时看不见是因为它们转到地面下去了。浑天说虽然是汉朝天文学家为了更好解释天文现象,避开盖天说所遭遇困难而产生的,但浑天说亦有其无法解释之处,譬如:大地究竟是属于平坦或是圆形?且大地如何悬浮在中央,而不坠落(因为那时并不知道万有引力这完意),浑天说的学者(譬如张衡)有人认为:宇宙像一颗鸡蛋,上天像蛋壳,大地像蛋黄,而大地之所以不会坠落是由于大地四周有水,它被水支撑着。
图2:张衡与其制造的侯风地动仪
张衡(东汉西鄂人,公元78至139年,通晓天文历算,所制的浑天仪及侯风地动仪,为当代最精良仪器,着有”两京赋”,内容多讥讽社会的奢靡)
由于盖天说早已深植人心,支持者亦不少,因此从此就与浑天说展开千年的争论。浑天说学者一方面举出其理论根据,即:全部天球的星星不能同时被看见,每次只能看到部分,28星宿总是半隐半现,同时日月星辰总是从地下升起,又从地下没落。
同时,为实验证明浑天说的正确性,他们进一步发明了浑象仪,以实物来证明浑天说的理论。
杨雄他原先是相信盖天说的,但后来发现盖天说有许多问题,提出八个问题质疑盖天说,即所谓的「离盖天八事」,并改信浑天说。他对落下闳及耿寿昌在浑天说所作的努力,推崇备至,他说:「或问落下闳对浑天学说的努力,没有人不称赞,至于耿中丞所制造的浑象仪之巧妙,没有一个人能达到」。
耿寿昌为了解释浑天理论所发明的铜制浑象,可能是历史上记载最早可查的浑象仪了。时至东汉张衡(Zhang Heng,中国东汉西鄂人,公元78至139年)(图2)进一步制造了更精密用水力来推动的”水运浑象仪”,它一日刚好转一圈,仪器装置在密室内,另外派人在外面直接观测夜空,当浑象转到某一位置时,密室内的仪器会标出夜空中间的星球,且显示某星刚从地平面升起或某星刚落下地平面,这时外面的人从实际夜空也看到同样的天象,这个表演轰动了整个京城。
至于浑仪在中国也已有悠久的历史,它一直是中国人观测天象最有力的工具,耿寿昌据说曾将它增加一个赤道环(亦有人说是落下闳改进的),用来观测太阳及月球的运动情形,他也将此成果写成<月行帛图>232卷,<月行度>2卷。