科學技術史第四講

科學技術史第四講：古代中國的科技文明電子科技大學目錄1古代中國科學技術的思想背景2古代中國自然、時空觀3古代中國的科學技術4近代中國科學技術落后的原因古代中國的文明特征1.漫長的封建社會

-從公元前221年到公元1912年清帝退位，中國的封建社會延續(xù)了2000多年。

-如果按照西方部分史學家的觀點，夏商時期中國已經(jīng)形成了封建社會的分封制度和等級制度。

-很多書籍將這2000多年的歷史稱為漫長的黑夜。黑夜代表封建社會中人類理性的蒙昧，但卻不能遮擋文明的燦爛。古代中國的文明特征2.燦爛的中華文明

-器物精巧

-制度領先

-文化發(fā)達精巧的器物《天工開物》是世界上第一部關于農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)的綜合性著作精巧的器物唐代雕刻的反陽凸字印刷模板新疆出土的唐俑，水平之高令人嘆為觀止精巧的器物郭守敬發(fā)明的簡儀，這是當時最先進的天文觀測儀器。景德鎮(zhèn)窯青花蕭何追韓信圖梅瓶

“中國古代的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)往往是超過同時代的歐洲，特別是15世紀以前更是如此，這可以毫不費力地加以證明?！薄霸?—13世紀，中國保持一個讓西方人望塵莫及的科學知識水平?！?/p>

-李約瑟第一節(jié)鴉片戰(zhàn)爭前的中國領先的制度西周的分封制度建立了封建社會的基本形態(tài)領先的制度唐朝開創(chuàng)的科舉制度。當年唐太宗見應試舉子從考場中魚貫而出,喜道:天下英雄,入我彀中矣!領先的制度唐律疏義,東亞最早的成文法之一,是中國歷史上保存至今的最具影響力的封建法典發(fā)達的文化百家爭鳴這個時期的文化思想，奠定了整個封建時代文化、法律的基礎，對中國和東亞地區(qū)的古代文化、法律有著非常深刻的影響。發(fā)達的文化漢樂府詩詞古典四大名著三國演義“在唐初諸帝時代，中國的溫文有禮、文化騰達和威力遠被，同西方世界的腐敗、混亂和分裂成為鮮明對照”。-韋爾斯《世界史綱》歷史年表夏朝（約前2100－前1700）商朝（約前1700－前1100）周朝（約前1100－前256），孔子（前551－前479）秦朝（前221－前206）漢朝（前206－后220）晉朝（265－420）隋朝（581－618）唐朝（618－907）宋朝（960－1279）元朝（1206－1368）明朝（1368－1644）清朝（1616－1911）中國文化的一般特征相對封閉的地理環(huán)境以血緣關系而非地緣關系組結(jié)而成的文化團體，親情高于契約以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主體，穩(wěn)定壓倒一切大一統(tǒng)專制政治體制，單一，崇尚權威作為政府官員的知識分子，科舉制度特殊的知識體系（經(jīng)史子集）連續(xù)而非斷裂的人神關系中國科學的一般特征1、實用、功利。

——所有的知識或服務于大一統(tǒng)王朝的需要，或服務于人民日常生活的需要。2、宜物。

——具體問題具體分析。靈活、機智。見機行事，與時俱進。3、有機自然觀。

——整體思維、辯證思維4、士大夫階層與技工階層相隔絕

——精英知識與實用知識從未結(jié)合，文人墨客喜吟詩作賦，好琴棋書畫，對工匠技藝不屑一顧勾股定理的證明一（原本）叔本華嘆說：這哪里是證明，分明是捕鼠器。對稱與和諧的證明勾股各自乘，并之為弦實。開方除之，既弦。按弦圖又可以勾、股相乘為朱實二，倍之為朱實四，以勾股之差自相乘為中黃實。加差實一亦成弦實?！w爽（公元3世紀初年人）《周髀算經(jīng)》注中國人的形象思維可謂無民族可出其右。形象思維是古代中國技術發(fā)達興盛的一個重要原因從發(fā)達走向衰落在歐洲黑暗年代，中國正進入盛唐時期并在宋朝達到中國科技的高峰明清兩朝，閉關鎖國，傳統(tǒng)固有的科技緩慢發(fā)展，近乎停滯。宋代的數(shù)學文獻有的到了明代已無人能懂。明末以來的西學引進基本無效，以致從19世紀中葉開始全面落后什么是科學科學一：近代數(shù)理實驗科學科學二：希臘理性科學科學三：博物學（NaturalHistory）科學四：技術文明李約瑟（JosephNeedham,1900-1995）的大著《中國的科學與文明》（ScienceandCivilisationinChina）“中國科學史”的“科學”即取上述“科學三”和“科學四”兩種定義，即同時包含了博物學與技術工藝等李約瑟提出的世紀之謎李約瑟難題既然中國古代科學技術成就非常偉大,但是中國的古代文明為什么沒有發(fā)展出現(xiàn)代科學技術？（李約瑟）目錄1古代中國科學技術的思想背景2古代中國自然、時空觀3古代中國的科學技術4近代中國科學技術落后的原因中國古代的自然觀未曾斷裂的文明傳承：在人類社會發(fā)展過程中，先后出現(xiàn)了幾個著名的古代文明，這些文明是現(xiàn)代文明的先驅(qū)。而這些曾經(jīng)讓人們無限憧憬的古代文明，時至今日，或者曾經(jīng)發(fā)生斷裂，或者已經(jīng)湮沒，蹤跡難尋，唯獨中華文明，綿延五千年，從未斷裂。這是人類文明史上的奇跡。認識古代中國科學要從自然觀開始：要了解中國古代科技文明，首先應對中國古人的自然觀有所了解。這里所說的自然觀，是指古人對人與自然關系的認識、對宇宙起源演變的認識以及對時空問題的認識。天人感應未曾斷裂的文明傳承：在人類社會發(fā)展過程中，先后出現(xiàn)了幾個著名的古代文明，這些文明是現(xiàn)代文明的先驅(qū)。而這些曾經(jīng)讓人們無限憧憬的古代文明，時至今日，或者曾經(jīng)發(fā)生斷裂，或者已經(jīng)湮沒，蹤跡難尋，唯獨中華文明，綿延五千年，從未斷裂。這是人類文明史上的奇跡。認識古代中國科學要從自然觀開始：要了解中國古代科技文明，首先應對中國古人的自然觀有所了解。這里所說的自然觀，是指古人對人與自然關系的認識、對宇宙起源演變的認識以及對時空問題的認識。天人感應周朝貴族對周之所以能夠取代商這一理論問題的思考，導致了中國傳統(tǒng)天命觀的變革。從天人感應到天人合一凡災異之本，盡生于國家之失。國家之失乃始萌芽，而天出災害以譴告之；譴告之，而不知變，乃見怪異以驚駭之；驚駭之，尚不知畏恐，其殃咎乃至。以此見天意之仁，而不欲陷人也——漢董仲舒《春秋繁露·必仁且智》受命之君，天意之所予也。故號為天子者，宜視天為父，事天以孝道也；號為諸侯者，宜謹視所候奉之天子也；號為大夫者，宜厚其忠信，敦其禮義，使善大于匹夫之義，足以化也；士者，事也，民者、瞑也；士不及化，可使守事從上而已?！枪适赂黜樣诿黜樣谔?，天人之際，合而為一——漢董仲舒《春秋繁露·必仁且智》天人相分天行有常，不為堯存，不為桀亡。應之以治則吉，應之以亂則兇。強本而節(jié)用，則天不能貧；養(yǎng)備而動時，則天不能??；修道而不貳，則天不能禍。故水旱不能使之饑，寒暑不能使之疾，祆怪不能使之兇。本荒而用侈，則天不能使之富；養(yǎng)略而動罕，則天不能使之全；倍道而妄行，則天不能使之吉。故水旱未至而饑，寒暑未薄而疾，祆怪未至而兇

——荀子《天論》思考：天人合一的觀念為什么會成為中國封建時代的主流自然觀？它對科學技術的發(fā)展會產(chǎn)生什么影響？天人合一與自然科學積極影響與消極影響積極：因為異常自然現(xiàn)象的出現(xiàn)是天心、天意的表達，這就要求人們認真地觀察這些自然現(xiàn)象，比如觀察天象的變化，以準確領悟天意，這無形中促進了一些自然科學如天文學的發(fā)展。消極：在天人合一觀長期影響下，中國人把自己視為大自然的一部分，無法客觀的觀察大自然、把大自然作為獨立的客體來研究，阻礙了自然科學的發(fā)展。時空問題時間流逝與空間三維管子《宙合》：“古往今來曰宙，四方上下曰合”抽象時間與具體時刻

-墨子《墨經(jīng)》：“久，古今旦暮”、“宇，東西家南北”。時空存在客觀性莊子《庚桑楚》：“出無本，如無竅；有實而無乎處，有長而無乎本剽。有所出而無竅者，有實，有實而無乎處者，宇也；有長而無本剽者，宙也。”時空問題時間流逝連續(xù)性孔子《論語》：“逝者如斯夫，不舍晝夜”時間的“無限性”

-莊子《齊物論》：“有始也者，有未始有有始也者，有未始有夫未始有有始也者?！睍r間的“有限性”黃賢《天文》：“不睹日月之光，不測躔度之流，不察四時之成，是無日月也，無躔度也，無四時也”時空問題空間“無限性”管子《宙合》：“宙合之意，上通于天之上，下泉于地之下，外出于四海之外，合絡天地，以為一裹。散之至于無間，……是大之無外，小之無內(nèi)，故曰有橐天地?！狈鸾痰目臻g無限概念《隋書·經(jīng)籍志》：“佛道天地之外，四維上下，更有天地，亦無終極。然皆有成有敗，一成一敗謂之一劫。自有此天地已前，則有無量劫矣。”時空問題空間取向性問題泰西謂地上下四旁，皆生齒所居。此言尤為不經(jīng)。蓋地之四面，皆有邊際，處于邊際者，則東極之人與西極相望，如另一天地，然皆立在地上。若使旁行側(cè)立，已難駐足，何況倒轉(zhuǎn)腳底，頂對地心，焉能立而不墮乎？這段話反映出了中國與西方在空間取向性上什么關鍵的區(qū)別？？？課后思考問題1.中國的古人對時空性質(zhì)有過什么樣的探討？.應如何看待他們對時空關系的探索？目錄1古代中國科學技術的思想背景2古代中國自然、時空觀3古代中國的科學技術4近代中國科學技術落后的原因大一統(tǒng)技術：天文學皇家的需要，農(nóng)業(yè)社會的需要。不以宇宙理論見長，而以積累觀測為主?；始覊艛嗵鞂W，禁止民間私習。陰陽合歷：日、氣、朔三要素。公元前4世紀，已測出太陽年為365.25天（四分歷）對日食和月食詳細的記載，從漢初到1785年，日食925次，月食574次異常天象的記錄，如太陽黑子（前28年）、極光、彗星（前613年－1621年包括哈雷彗星）、新星、超新星（前352－1604共75次）杰出的天學家：張衡（38－139）、祖沖之（429－500）、一行（683－727）、郭守敬（1231－1316）天文學——恒星觀測《甘石星表》和《全天星圖》反映出了中國古代恒星觀測的發(fā)達天文學——異常天象觀測“成帝河平元年三月乙未，日出黃有黑氣，大如錢，居日中央”

——《漢書·五行志》“十月癸亥，一客星出于南門，其大如斗笠，鮮艷繽紛，后漸衰萎，于次年六月沒。”

——《后漢書·天文志》后漢書這段文字記錄了發(fā)生于2000年前的超新星爆發(fā)事件，如今科學家為這個超新星編號為RCW86，距離地球大約8000光年。天文學——異常天象觀測《后漢書》記錄2000年前爆發(fā)的超新星合成圖天文學——異常天象觀測馬王堆出土的29幅彗星圖表明當時對彗星的觀測已非常細致，不僅注意到彗頭、彗核和彗尾，而且還知道彗頭和彗尾有不同的類型。天文學——儀器制作早期的渾天儀北京古觀象臺,當中位于中間的是建于明正統(tǒng)七年的渾天儀。天文學——儀器制作天文學——儀器制作宋代著名科學家蘇頌主持創(chuàng)制的水運儀象臺是十一世紀末我國杰出的天文儀器，集觀測、計時和表演功能于一身。國際上對水運儀象臺的設計給予了高度的評價。它還被認為是鐘表的祖先。天文學——儀器制作張衡的候風地動儀。據(jù)說，“地動儀以精銅制成，圓徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊”，中有都柱，外有八道，八道連接八條口含小銅珠的龍，龍頭下面有一只蟾蜍張口向上。一旦發(fā)生地震，都柱因受震動倒向八道之一，該道龍口張開，銅珠落入蟾蜍口中，觀測者即可得知地震的時間和方向。小兒辯日孔子東游，見兩小兒辯斗，問其故。

一兒曰：“我以日始出時去人近，而日中時遠也。”

一兒以日初出遠，而日中時近也。

一兒曰：“日初出大如車蓋，及日中則如盤盂，此不為遠者小而近者大乎？”

一兒曰：“日初出滄滄涼涼，及其日中如探湯，此不為近者熱而遠者涼乎？”

孔子不能決也。

兩小兒笑曰：“孰為汝多知乎？”

天文學曠世之爭——渾蓋之爭“宣夜之書亡，惟漢秘書郎郗萌記先師相傳云：“天了無質(zhì)，仰而瞻之，高遠無極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也。譬之旁望遠道之黃山而皆青，俯察千仞之深谷而窈黑，夫青非真色，而黑非有體也。日月眾星，自然浮生虛空之中，其行其止皆須氣焉。是以七曜或逝或住，或順或逆，伏見無常，進退不同，由乎無所根系，故各異也。故辰極常居其所，而北斗不與眾星西沒也?！?/p>

——《晉書·天文志》宣夜說只是一種初級的宇宙理論，它沒有與數(shù)學結(jié)合，不能用以編制歷法，不能預測日月星辰的運行。因為它認為天體的運動彼此獨立，互不相關，無規(guī)律可尋。這種主張，杜絕了人們探尋自然規(guī)律的可能性，所以，它不利于科學發(fā)展天文學曠世之爭——渾蓋之爭“其言天似蓋笠，地法覆槃，天地各中高外下。北極之下為天地之中，其地最高，而滂沲四隤，三光隱映，以為晝夜。天中高于外衡冬至日之所在六萬里，北極下地高于外衡下地亦六萬里，外衡高于北極下地二萬里。天地隆高相從，日去地恒八萬里。日麗天而平轉(zhuǎn)，分冬夏之間日所行道為七衡六間。每衡周徑里數(shù)，各依算術，用句股重差推晷影極游，以為遠近之數(shù)，皆得于表股者也?！?/p>

——《晉書·天文志》中國古代第一個堪稱科學理論的宇宙結(jié)構(gòu)學說是蓋天說。七衡六間圖蓋天說主張?zhí)斓厥莾蓚€中央凸起的平行平面，天在上，地在下，天離地的距離是8萬里，日月星辰圍繞著北極依附在天殼上運動。太陽依附在天殼上運行的軌道可分為七衡六間蓋天說如何解釋天象蓋天學家認為，人們居住在C點，以C點為圓心，以16.7萬里為半徑畫圓，交內(nèi)衡于L、L＇點；交中衡于M、M＇點；交外衡于N、N＇點，夏至日，太陽沿內(nèi)衡運動，到達L即為日出，CL為日出方向，圖中為東北方，太陽在圓弧LDL＇段運行時為白天，到達L＇即為日落，圖中所畫為西北方，太陽在其余弧上運動就是黑夜。這樣就解釋了為什么夏至日太陽在東北方升起，在西北方下落。渾天說渾天說主張地蘊含于天內(nèi)。天是一個圓球。天球一半在地上，一半在地下。根據(jù)這個模型晝夜變換、四季交替、恒星閃爍都能夠得到解釋。渾天說手中有兩大法寶：一是當時最先進的觀天儀——渾儀。借助于它，渾天家可以用精確的觀測事實來論證渾天說。在中國古代，依據(jù)這些觀測事實而制定的歷法具有相當?shù)木?，這是蓋天說所無法比擬的。另一大法寶就是渾象。利用渾儀人們可以形象地演示天體的運行，使人們不得不折服于渾天說的卓越思想，因此，渾天說逐漸取得了優(yōu)勢地位。到了唐代，天文學家一行等人通過天地測試徹底否定了蓋天說，使渾天說在中國古代天文領域稱雄了上千年。渾天說的優(yōu)勢渾蓋之爭的特點1.持續(xù)時間很長：這場爭論始于公元2世紀，持續(xù)時間長達1300多年2.實踐大于先驗：古人在這場爭論中，秉持著一個重要原則：判斷一個學說是否正確，關鍵在于其是否符合實際情況，而不是看其是否遵循某種先驗的哲學觀念。中國的古代數(shù)學公元前2100年，中國夏朝出現(xiàn)象征吉祥的河圖洛書縱橫圖有什么奇妙之處？河圖的解釋，在歷史上有多種說法。其中《尚書》中解釋說：“河圖，八卦；伏羲王天下，龍馬出河，遂則其文以畫八卦，謂之河圖?！?/p>

圖中每個陽、陰爻分別代表數(shù)9與數(shù)6，其中數(shù)字的配置依照“九六”說，是一種均衡的數(shù)字配置。在八卦中，相對稱的卦象，如乾與坤，其象數(shù)之和均為45。它與洛書中1至9的數(shù)字之和相同“易有太極，是生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦?！?/p>

中國古代數(shù)學的特點便捷的計數(shù)制度與計數(shù)工具思考算籌和十進制對中國古代數(shù)學有什么促進作用？古代中國的數(shù)學體系《九章算術》是古代數(shù)學的經(jīng)典之作。它成書不晚于公元1世紀。它的出現(xiàn)標志著中國傳統(tǒng)數(shù)學知識體系的完成。

第一章方田（分數(shù)四則運算和平面圖形求面積）第二章粟米（糧食交易的計算方法）第三章衰分（比例分配）第四章少廣（開平方與開立方）第五章商功（體積計算）第六章均輸（運輸中的均勻負擔）第七章盈不足（盈虧類問題計算）第八章方程（一次方程組解法與正負數(shù)）第九章勾股（勾股定理的應用）

《九章算術》的內(nèi)容算術方面分數(shù)四則運算比例算法盈不足術代數(shù)方面方程術正負術開方術幾何方面面積體積勾股定理及其應用運用算籌

《九章算術》的主要數(shù)學成就中國古代數(shù)學的特點不拘一格的推理模式與古希臘人唯一接受演繹的邏輯推理有別,中國古代數(shù)學家不拘一格地采用各種形式的推理方法。一般來說,中國古代數(shù)學是一種從實際問題出發(fā),經(jīng)過分析提高而概括出一般原理和方法,以求最終解決一大類問題的體系。與此格局相適應,中國數(shù)學經(jīng)典有其獨特的表達形式,其中“術”和相關的“注”就體現(xiàn)了中國古代數(shù)學家對一般方法的重視以及對邏輯推理的追求劉徽在《九章算術》“圓田術”的注中提出“割圓術”，作為計算圓的周長、面積及圓周率的基礎。這是劉徽最突出的數(shù)學成就，也是中國古代數(shù)學的瑰寶。劉徽從圓內(nèi)接正六邊形出發(fā)，取半徑r為1尺，一直計算到192邊形，得出圓周率的近似值π≈3.14，化成分數(shù)為157/50，這就是有名的“徽率”。案例：割圓術祖沖之繼承了劉徽的思想，其最突出的成就就是對圓周率的推算。據(jù)《隋書·律歷志》記載，祖沖之求得的π值的取值范圍為3.1415926<π<3.1415927（并稱為朒、盈數(shù)）。比德國數(shù)學家奧托（1550—1605）于1573年得到的要早1100年。利用劉徽的割圓術得到上述結(jié)果，需要從正六邊形起，連續(xù)的倍增正多邊形的邊數(shù)，至24576邊形。祖沖之世界著名的《一百個有挑戰(zhàn)性的數(shù)學問題》一書中，僅刊登兩位華人的畫像，一為祖沖之，一為陳景潤。中國古代數(shù)學的特點構(gòu)造性質(zhì)和算法機械化如果說古希臘的數(shù)學家以發(fā)現(xiàn)幾何學定理為樂事的話,那么中算家則以構(gòu)造精致的算法為己任。通過切實可行的手段把實際問題化歸為一類數(shù)學模型,然后應用一套機械化(或稱程序化)的算法求出具體的數(shù)值解,這是中國古代數(shù)學最為令人醒目的一個標志,難怪我們的先人把數(shù)學叫作“算學”。中國古代算數(shù)還特別看重算法的普適性案例：更相減損術“可半者半之，不可半者，副置分母、子之數(shù)，以少減多，更相減損，求其等也。以等數(shù)約之?！?/p>

--《九章算術》第一步：任意給定兩個正整數(shù)；判斷它們是否都是偶數(shù)。若是，則用2約簡；若不是則執(zhí)行第二步。第二步：以較大的數(shù)減較小的數(shù)，接著把所得的差與較小的數(shù)比較，并以大數(shù)減小數(shù)。繼續(xù)這個操作，直到所得的減數(shù)和差相等為止。則第一步中約掉的若干個2與第二步中等數(shù)的乘積就是所求的最大公約數(shù)。*其中所說的“等數(shù)”，就是最大公約數(shù)。求“等數(shù)”的辦法是“更相減損”法。案例：盈不足數(shù)“置所出率，盈、不足各居其下。令維乘所出率，并以為實；并盈、不足為法…置所出率，以少減多，余以約法、實。實為物價，法為人數(shù)?！?/p>

--《九章算術》今有共買物，人出八，盈三；人出七，不足四。問人數(shù)、物價各幾何？盈不足的算法盈不足術直接可以換成現(xiàn)代算法《九章算術》與《原本》的簡單對照比較項目《九章算術》《原本》建構(gòu)數(shù)學體系的方式實用方式理論方式表述體系開放的歸納體系封閉的演繹體系主要內(nèi)容算法202個命題475個構(gòu)造體系的方法