第八节 取则天象:天数之学与科技文明
一、天象、天体与历法
中国古代科学技术以其辉煌的成就对人类文明进化做出杰出的贡献。古代书籍如《周礼·考工记》《易·系辞上》等都把科技工巧提升到圣人所为的高度,予以重视,所以科技成就非常突出,举世闻名的“四大发明”(火药、指南车、造纸术、印刷术)就推动了整个世界文明的进程。由于我国古代的农业经济社会特征与天人合一的政治文化观念,在诸多科学技术发明中,天文学与数学的成就是最为突出的,是古老科技文化的核心。
在天文台和天文馆内,我们都可以看到一架布满星图的“浑天仪”(或“浑天象仪”),那就是古人用来观察天体现象与观测星空变化成果的记录。对天文学,历代王朝都非常重视,从殷周时代的“卜”、“占”、“巫”、“史”到秦汉时代的“太史令”及明清时代的“钦天监正”,都是司职天文的,是朝廷的重要官员。所以从天文与政治的关系来看,天文学的文化意义相对集中地表现在以下三个方面。
一是天象观测与计算问题:从田野考古发现看,河南安阳小屯村殷墟相继出土了大量的甲骨辞片,中有相当多的天文资料和星占内容; 1973年长沙马王堆三号汉墓出土帛书有《五星占》(附《五星行度表》)和《天文气象杂占》各一篇,既反映了秦汉时期对行星运动的精确推算,也表现出天文与占卜交融的文化观念。从现有典籍看,《尚书》中《尧典》《夏小正》对天象、气象与农时的记载,《胤征》有公元前2137年的日食记录,以及《诗经》中大量的天文知识,均说明早期天文学的显要成就。而在历代史书的《天文志》《五行志》中,我们可以看到两个方面,一方面是客观的天文记录:比如对“太阳黑子”、“彗星”、“新星”的观测与发现,对天球赤道(地球赤道在天球上的投影)、黄道(想象中的太阳周年视运动)的认识,对天球测量提出的“七衡六间”理论,对日月运动与二十八宿运行规律的追踪,以及为了观测天文现象而相继创制了众多仪器如浑天仪、六合仪、三辰仪、四游仪、水运仪象台等;另一方面就是天人感应、取则天象的星占学系统,使科技处于政治与神学的荫庇与笼罩之下。于是司马迁在《史记·天官书》中就建立起了星官体系,就是将天上星座划分为“五宫”(中宫天极、东宫苍龙、南宫朱鸟、西宫咸池、北宫玄武),来拟状人世间官制,以“历示凶吉”,贯通天人。同时将天上星宿分域与地上州郡分野相配,亦即“天则有列宿,地则有州域”(《史记·天官书》)的天人副称思想。
二是由天象观测到天体结构理论:古代天象观测家以日月与五星(金、木、水、火、土)与二十八宿(东方苍龙七宿:角亢氐房心尾箕;北方玄武七宿:斗牛女虚危室壁;西方白虎七宿:奎娄胃昂毕觜参;南方朱雀七宿:井鬼柳星张翼轸)为视域坐标,提出了系统的天体结构理论。关于这一点,《汉名臣奏》引蔡邕说最简明:
言天体者有三家;一曰周髀,二曰宣夜,三曰浑天。宣夜之学绝,无师法。周髀术数俱存,考验天状,多所违失,故史官不用。唯浑天者,近得其情,今史官所用候台铜仪,则其法也。
图2-8-1 张衡像
从这段话中,可以看到我国古代论天体结构的三大理论,即盖天说、浑天说与宣夜说。宣夜说因为没人传,所以消亡,盖天说因当时观测不准,所以不被史官所用,只有浑天说成为古代官方天文学的代表,而东汉太史令张衡的天文成就正是以浑天理论支撑的。而从古代天体结构理论看文化思想,有几点是比较明确的:其一宣夜说的消亡与其理论的假设性相关,而浑天与盖天的长期存在,说明了可观测的实证思想占据了上风,且具有某种经验化倾向。其二,浑天说与盖天说比较,浑天说始终处于优势,其关键在于为官学所掌,即官方天文学,从这一点也可以看到古代科技思想受政治观念的影响。其三,天体结构理论的发展始终与历法的演变相关,这又鲜明地带有授时制历的农业经济文化特征。
三是授时制历的成就:历法属数理天文学,是中国古代天文学的核心,但同时它又是贯通天人的纽带,具有某种政治化的神秘意识。历法的制定缘于对太阳回归年的观测,所谓“历”,就是调配年、月、日的具体方案;而“历法”则是制历的规律与法则。作为农业社会,授时制历,以应农时,以定民心,是帝王极为关注的问题。但因观测与计算出现的时间误差以及一些天文异象的出现,改历也成为王朝政治的一件大事。
图2-8-2 徐光启像
考察古代历法制度,在先秦就相传有“古六历”:黄帝历、颛顼历、夏历、殷历、周历、鲁历。秦至西汉前期采用颛顼历,汉武帝时改制《太初历》,为第一部较完备的古代历法。继此以后,汉有《三统历》《后汉四分历》《乾象历》,南北朝有《大明历》,隋有《皇极历》,唐有《麟德历》《大衍历》,宋元有《统天历》《授时历》,其中郭守敬、王恂编制的《授时历》为古历中最精良之法,也是中国古历的终结。明末崇祯二年(1629)徐光启组织历局,聘请传教士罗雅谷、汤若望( J. A. S. Von Bell)参加编译,制成《崇祯历书》,已采用西历计算系统与天文概念;至清顺治元年,汤若望删削此书,更名《西洋新法历书》,又编成《时宪历》,已与中国传统古历法不同。
从数理天文学的意义看古代历法,不仅要解决计年月日,设置闰日诸端,还牵涉到诸如对日月五星运动的计算、对日月食的预报、昏旦中星和时刻的测定等问题。其中有三方面最为突出:
一是因对太阳回归年的测定,我国古代制定了较为系统的计算单位和记录方法。早在商周阴阳历中已有平年、闰年、大月、小月之分,并使用“干支纪日法”,即用“天干”(甲乙丙丁戊己庚辛壬癸)与“地支”(子丑寅卯辰巳午未申酉戌亥)的单数相配,六十一循环,称“六十甲子”。至东汉,复改先秦时岁星纪年法或太岁纪年法,而为干支纪年法,构成特有的计时体系。
二是二十四气体系的完成。西周至春秋时期,以圭表测日影,以确定“二至”(冬至、夏至)、“二分”(春分、秋分)四气的时刻,而至《吕氏春秋》所记,已增加“立春”、“立夏”、“立秋”、“立冬”四气,到《淮南子·天文训》,二十四气已备。二十四气可分为两类,即从冬至到大雪,奇数称中气,偶数称节气。而从“冬至”开始间隔依次排列中气和节气,定出的二十四气称“平气”,后来太阳视运动不均匀性的发现,制历者又将周天分成二十四等分,以太阳行到某一分点定为某相应的气,称“定气”。由于太阳视运动不均匀性,有时一气仅十四天多,一气则近十六天,于是往往出现一月仅一气(中气或节气)情况,于是自西汉时制定一置闰法则,即将无中气的月份作为闰月。二十四气体系的建立不仅对农耕经济的自然运作起了重要的指导意义,而且也是古代“月令”文化的理论基础。
三是重视对“朔”的推算,以确定一月之初。所谓朔,指月、日黄经相同时刻,月处日与地之间,人在地上看不见月亮,这个日子古历称为朔日,也就是朔望月的起算日初一。据文献记载,夏朝以平旦为朔,殷朝以鸡鸣为朔,周朝以夜半为朔。周朝国君已有祭“朔”仪式,可见其重视程度。东汉以前历法家视月行速度为不变常数,以朔望月平均周期推算“朔”,称“平朔”,后因发现日、月视运动不均匀性,于是对依此而得出的朔,称“定朔”。由此,天文学史家依据历法用气朔的不同,划分出三大阶段,即平气、平朔时期(春秋至唐初),平气、定朔时期(唐初至明末)和定气、定朔时期(清代)。
值得注意的是,古代历法之制与先民观物取候、因人体天的思维方式相关,所以有很强的经验性。在古代相关文献中,由于所用历法不同,因此记录物候也有很大的差距。比如《诗经·小雅·四月》说“四月维夏,六月祖暑”,为什么四月份就是夏天了呢,原来这用的是夏朝的历法(以寅月为正)。《楚辞·九章》中有“望孟夏之短夜”,也是用夏历的。又如《春秋·庄公七年》有“秋,大水,无麦、苗”的说法,《孟子》中记录曾子歌颂孔子说“江汉以濯之,秋阳以暴之,皜皜乎不可尚矣”,为什么秋天大水会冲掉麦子?秋天的太阳为什么比夏天的太阳还烈?原来这都用的是周朝的历法(以子月为正),与夏历相差两个月的时间。
二、术数与数学
“数”在中国古代科技领域占有重要的地位,它一方面是作为一种专门的科学技术即数学显其辉煌的成就;另一方面又是古人视为贯通“三才”之道、起着支配社会人生发展变化的内在规律,就是“有数存焉”的“命”。美国科学史家乔治·萨顿(George Sarton)称科学史为“秘史”,数学是“秘中之秘”,作为中国古代“秘中之秘”的“数”,也显然不仅限于技术知识的数学,而是兼含具有普遍性的科技文化内涵的象数哲学思想。
先民的“数”观念源起于结绳记事、镌龟卜筮,而“数”科学的传承发展则依靠教育。在西周时代的王朝教育,已有“保氏”教“九数”,春秋末孔子曾为“委吏”(会计),又教弟子以“六艺”,“数”居其中。而作为诸子教育的另一学派墨子亦精通数学,其学“以绳墨自矫”,“又善守御”(孙诒让《墨子传略》),所以《墨经》中载有多种推理、演绎等逻辑方法,兼及数学的定义、定理。汉武帝设太学、立五经博士,《易》居其教学范围,并由此形成汉代的象数哲学思想。数学教育在隋、唐时代有较大的发展,如隋代在国子寺设立算学,唐代在国子监设立数学馆,由算学博士执教。虽然隋唐数学作为学科得以专立,主要是为培养通赋税的官吏,但作为教育制度的改变,确实推动了数学的发展,唐高宗曾令太史令李淳风与算学博士梁述等编注《十部算经》,与此紧密联系。宋元明清数朝继隋唐之制,算学教育均属专门,极受重视。如南宋时有“崇宁国子监算学令”,中有“诸学生习《九章》《周髀》义及算问,兼通《海岛》《孙子》《五曹》《张丘建》《夏侯阳》算法,并历算、三式、天文书”(鲍瀚之《数术记遗》卷末)等规定。清末谭嗣同上《兴算学议》也称“儒生益不容不出而肩其责,孜孜以教育贤才为务矣,此议立算学格致馆之本意”。这种崇教重数的思想,无疑促进了古代数学研究的进展。
从知识系统来看,清人阮元《畴人传》等史籍已记载了古代大量的数学家及其成就。其中有汉代的张苍、耿寿昌、许商、刘歆、张衡、刘洪;魏晋南北朝的赵爽、刘徽、何承天、张丘建、祖冲之、祖暅、甄鸾;隋唐的刘焯、王孝通、李淳风、张遂(僧一行)、边冈;宋元的沈括、贾宪、刘益、李冶、秦九韶、杨辉、朱世杰、郭守敬;明清的吴敬、王文素、顾应祥、程大位、朱载堉、徐光启、李之藻、梅文鼎、明安图、汪莱、李锐、徐有壬、戴煦、李善兰等。而古代算书如《九章算术》《周髀算经》《缀术》(祖冲之父子)、《心机算术括》(张遂)、《数书九章》(秦九韶)、《测圆海镜》(李冶)、《通证古今算学宝鉴》(王文素)、《算学新书》(朱载堉)、《梅氏丛书辑要》(梅文鼎)、《则古昔斋算学》(李善兰)等,都成就卓著。而数学作为科学之母,我国古代数学又与天文、财税、音乐、哲学等学科交叉,成绩斐然。如果从世界数学史来看中国古代的数学成就,有几方面相对突出。
图2-8-3 祖冲之像
一是春秋战国间“十进位值制”的形成。徐岳《数学记遗》即云:“黄帝为法,数有十等。”所谓“十进”,是指“逢十进一”;“位值制”亦名“地位制”,如2在十位即20,在百位即200。数字位置不同,表示数值不同。这种计数方法较古巴比伦、埃及、希腊的计算方法更为优越,而印度到公元7世纪方采用十进位值制记数法, 10世纪始传入欧洲。所以李约瑟在《中国科学技术史》中赞美这一成就:“如果没有这种十进位制,就几乎不可能出现我们现在这个统一化的世界。”
二是秦汉以降对《九章算术》研究的巨大成就。该书集数学246个问题,分为九章,即方田、粟米、差分、少广、商功、均输、盈不足、方程、勾股。关于《九章算术》的成书,学界总结出七种说法(参见李迪《〈九章算术〉争鸣问题的概述》,载《九章算术与刘徽》,北京师范大学出版社1982年版)。刘徽为《九章算术》作序时说:“周公制礼而有九数,九数之流则九章是也。”依照数学史家的考论,《九章算术》基本成书于汉代,历代研习者如刘洪、刘徽、祖冲之、李淳风、杨辉、戴震、李潢等,皆有所成,其中三国时刘徽的《九章算术注》则因应用勘进理论,成为中国古代数学理论的奠基著作。
图2-8-4 刘徽像
三是自汉以来因天文学的兴盛而对“圆周率”的探求与计算。据《隋书·律历志》载:“自刘歆、张衡、刘徽、王蕃、皮延宗之徒,各设新历,未臻折衷。宋末南徐州从事史祖冲之更开密法。”这是对圆周率研究学史的追溯。近代数学史家钱宝琮著有《张衡〈灵宪〉中的圆周率问题》一文(载《科学史集刊》1958年)讨论“衡率”,可知圆周率研究在汉代天文学领域已有显著成果。然而根据刘徽《九章算术注》批评张衡“欲协其阴阳奇耦之说而不顾疏密”,祖暅《浑天论》批评其“伤于周多而径少,衡之疏也”(《开元占经》卷一),又证明了《隋书·经籍志》所说的圆周率至魏晋以后臻于精密的说法。刘徽的《九章算术注》改变汉人“周三径一”观点,以“割圆术”新算法求出3. 14的率数;而祖冲之继割圆术从正六边形出发,求出精确到八位数的圆周率,即3. 1415926。这一成就早于西方千年,所以受到科学史家的交口赞誉。
除了以上三方面的突出成就之外,唐代《十部算经》(《九章算术》《周髀算经》《海岛算经》《孙子算经》《夏侯阳算经》《张邱建算经》《五经算经》《五曹算经》《缀术》《缉古算经》)的编纂,标志了数学教育与研究的成绩。而宋元时代出现的数学“四大家”,即秦九韶与《数书九章》,李冶与《测圆海镜》《益古演段》,杨辉与《日用算法》《杨辉算法》,朱世杰与《算学启蒙》《四元玉鉴》等,在三角理论、高次方程理论、天元术与四元术等方面的卓著成就,使中国古代数学计算达到新的高标(参见李俨、杜石然《中国古代数学史话》,中华书局1964年版)。而明清时代数学研究在天文数学、商业数学、珠算学等方面也有长足发展,并与西方数学理论及方法逐渐融通交互,其成绩也由古代向近代演进,汇入世界性学术潮流。
三、古代“士”的地位及其科技成就
在没有明确的学科划分的古代,科技工作者都属于“士”阶层,所以“士”与科技的关系,在很大程度上决定中国古代科技发展的导向以及学科发展的不均匀性。考察士与科技的关系,要从士的政治角色意识和其承担的社会功用方面考量,因为士的社会功能是“任事”与“致圣人之道”。孔子说:“士志于道。”(《论语·里仁》)“士不可以不弘毅,任重而道远。”(《论语·泰伯》)《孟子·尽心上》记载王子垫问孟子:“士何事?”孟子说:“尚志。”由此可见,士之尚志达道,均落实于治国修身,所谓“唯而以尚同一义为政故也”(《墨子·尚同》)。缘此,又构成“士”在中国古代文化的几个独特现象。
首先,“士”所主科技之事被限制于国家事务之内。这也构成中国古代文化中具有国家观念和政治意义的“圣人”造物的传统。也就是说古人对科技发展与器物创造持赞美态度,总是喜欢将技术的功用提升到道的境界,以为非“圣人”莫属。比如《周礼·考工记》说:“炼金以为刃,凝土以为器,作车以行陆,作舟以行水,皆圣人之所作也。”据考古发现,我国先民早在旧、新石器时代即为生存和发展创造了大量的器物文明,在古代文献中,诸如《世本·作篇》记录的上古三代工艺发明,《周礼·考工记》记录的春秋时期手工技术,《墨经》中有关先秦光学、力学、几何学的记录,《史记》《汉书》中对秦汉以来科技进步的记录,以及康有为《康子内外篇·民功篇》对“圣人造物”资料的汇总,可见其详。但是将这些创造归于“圣人”所为,实际上是一种对科技态度的思想错位,这也必然导致了对并非“圣人”的具体科技人才的轻贱。如《礼记·王制》云:“凡执技以事上者,祝、史、射、御、医、卜及百工。凡执技以事上者,不贰事,不移官,出乡不与士齿。”而做不符合圣人规范、统治者需要的“**声、异服、奇技、奇器”者,则被列于“四杀”之一。直到明清时代,王徵、阮元言及西方“奇器”,尚谓“特工匠技艺流耳,君子不器”和“奇器之作”,“虽小道必有可观”,其尊圣贱技、重道轻器观念可谓根深蒂固。虽然历代也不乏从市井、田野寻求科技人才之例,如汉武帝时招募民间天文学家落下闳等参与编定《太初历》,但是最有趣的也正在此尊、贱之间,使中国古代科学的隆替在道技之间徘徊。科技工作者往往是借助具有政教性质的“圣学”得以弘展其科技才能,为国家的进步发展做出贡献,所以从圣学看科技,应该是观测我国古代科技兴衰的一重要标志。
其次,“士”阶层是依附于君权而存在,从而出现以君主为中心、以知识层为主体的官僚政体,并决定了古代科技史上知名科学家多为达官显宦。比如从古代数学家的队伍构成看,如张衡、沈括、郭守敬等皆任职太史令,习天文星历诸学;耿寿昌为大司农,管理农业赋税;许商任将,职守工程建设等,都是位居高职的官员。这又与中国古代的史官文化有着紧密的联系。据《周官》《礼记》记载,周代就有太史、小史、内史、外史、左史、右史等职守,所谓“太史掌国之六典,小史掌邦国之志,内史掌书王命,外史掌书,使乎四方,左史记言,右史记事”。这也表明了周代史官文化的包容性与影响力。再由此来看古代著名的科学家,大多都是与这种政史体制紧密相关的人物,如汉代的司马迁、张衡在科技的成就,关键在他们均居职“太史令”。考察汉代官制,太史令居在史官,职掌天文、星历、卜占诸学,西汉时司马迁参与太初历的制定和编撰《天官书》,即与其“文史星历,近乎卜祝之间”(《报任少卿书》)的职守相关。据《后汉书·百官志》,太史令列职“太常”系,总属“掌礼仪祭祀”,而“太史令一人,六百石”,“掌天时、星历。凡岁将终,奏新年历。凡国祭祀、丧、娶之事,掌奏良日及时节禁忌。凡国有瑞应、灾异,掌记之”。刘昭注引《汉宫仪》:“太史待诏三十七人,其六人治历,三人龟卜,三人庐宅,四人日时,三人《易》筮,二人典禳,九人籍氏、许氏、典昌氏,各三人,嘉法、请雨、解事各二人,医一人。”综此可知,如身居太史令的张衡,其科学成就卓异于世,学识广博称著于时,完全取决于他的官职与工作。这又表现在几个具体问题上,比如张衡科学研究的官方性质,对政教礼治的极度关注,信奉科学,于天文、星历、术算有卓越贡献,好谈灾异,于卦候、九宫、风角、卜占均有研究等。特别是他在《灵宪》中既表现出科学的理性,又充斥了神学的虚妄,从科学思想来看是一悖论,从他的史官职守看又是十分自然的,而这种矛盾本身,也正是中国古代科技思想发展过程中始终存在的一大特性。
再次,由此政体与“士”的生存形态,又决定中国古代与国家事务关系密切的学科最为发达,否则即渐趋衰落。因此,从古代科技分科成就来看,除了天文学、数学之外,如农牧业、手工业、纺织业、冶炼术、生物学、建筑学、地学、医学以及机械制造等,都有卓越的成果,其中最突出成绩当然还是在天文学、数学、农学、地学和医学等方面,因为这些方面的科学技术成果与国家政治事务和人生修养保健具有最为密切的关系。
在天、数之学外,我国古代农学成就又突出表现于:一是农田水利工程的建设;二是农业生产工具的发展;三是对农时的观察与掌握;四是对土地的利用;五是农作物的选种、育种成果;六是围绕农业兴盛的蚕桑、园艺与畜牧的贡献。古代农业的辉煌成就,始终处于自觉的运作中,这包括历代王朝劝课农桑的政策、历代学人治农学而完成的大量农书与对农业生产的理论指导。中国文化中的“三才”理论与经营思想,亦因农学思想而发扬光大。
古代地学成就实际包括地理学、地质学与地震学等,《易·系辞》说“仰以观于天文,俯以察于地理,是故知幽明之故”,已表现了地学的重要性。具体而言,古代地学一在政治统治的需要(战争、防御与管理),一在农业生产的需要(因地制宜)。其成就主要在:一是地学与行政管理的结合;二是地形地质与都城建设的关系;三是地图绘制的成果;四是中西丝绸之路的开辟;五是因地制宜而建造的工程(如水利工程与长城);六是对自然与人文地理的理论问题的探讨(如流水地貌与人口控制问题等);七是地震的预测与救助。
我国古代医学与文化哲学的整体性、内省性相关,形成其独特的治疗与理论体系。成书于春秋战国时期的《黄帝内经》基本奠定中医理论基础,即阴阳五行学说、脏象学说、经络学说、形神学说与天人学说。至东汉张仲景《伤寒论》的“四诊”(望、闻、问、切)、“八纲”(阴阳、表里、虚实、寒热)等理论观与治疗法的提出,使中医学更为完整。而与中医学相配,中药学也举世瞩目,其中成书汉代的《神农本草经》、唐代苏敬等的《新修本草》与明代李时珍的《本草纲目》,成就最大。尤其是李时珍的著述被西方学者誉为“东方医学巨典”。综观中医、中药学特色,有几点值得注意:一是中医理论将人体视为自然之一部分,置放于广阔的自然运动的平衡态;二是脉诊成为中医独特的治疗方法,要注重人体内在的循环系统;三是外科学方面坚持整体观念,注重调养、锻炼(如气功);四是针灸为特殊的治疗手段,其产生于新石器时代,至今不衰。
此外,因养生炼丹而取得的化学成就,因农业、天文、舆服制度以及战争所需而发展起来的机械制造术、物理学,因重视水利建设而兴起的工程学和因表现帝王威严塑造华美宫室而繁盛的建筑学等,均维系于政治与人生这一主干。而这种与政治人生相关的科技成果发达的现象,提升到一种文化哲学观念,则内含着“士”的生存形态,即“致圣人之道”。
图2-8-5 《本草纲目》书影
中国古代学术自汉代起就进入经学化,科技也不例外,如医学著作被称为《黄帝内经》,数学著作被称为《周髀算经》,天文学著作被称为《开元占经》等。这也决定了在我国古代科技文化的发展进程中,始终贯穿了一个“道”的传统。古代学者对“道”与“技(艺)”、“器(物)”关系的看法,往往表现出一元化形态,就是以“道”为主,以“技”、“器”为辅,以“技”、“器”为手段,以“道”为目的之观念。《易·系辞》云:“形而上者谓之道,形而下者谓之器。”南宋理学家朱熹解释说:“形而上者,无形无影是此理;形而下者,有情有状是此器。”(《朱子语类》卷九五)即使在政教气息比较淡薄的道家著述如《庄子》中,其《养生主》篇内也托“庖丁”之口说:“臣之好者道也,进乎技矣。”当然,值得注意的是,在中国古代这种重道轻技的思想只是一种比较值,而非绝对值,因为古人重道即内含了技与器,我国古代与国家事务关系密切的学科最为发达,就是证明。由于这种道技关系及其矛盾,中国古代科技观念始终处在提升与坠落之间,这使她在农耕经济文化襁褓中诞育出丰硕的科技成果,也因为近代大工业社会的兴起,这种较强地依附于农耕经济文化和宗法政治文化的科技思想的衰落,也就比较明显了。
图2-8-6 《黄帝内经》书影