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三点二次插值法

来源:baiyundou.net   日期:2024-09-23

公元721年,由于李淳风的《麟德历》,多次预报日食不准,于是唐玄宗命令僧人“一行”主持修编新历。

所谓“一行”,只是佛法名号,本名叫张遂,如今河南南乐县人,曾祖是李世民的功臣、名列凌烟阁二十四功臣之一的郯国公张公谨,后为避开武则天侄子的纠缠而剃度为僧。

鲜为人知的是,“一行”可能是比“玄奘”更伟大的唐僧,因为他制造了世界上第一台机械钟,还曾横跨南北万里实测天文,提供了相当精确的地球子午线一度弧的长度,另外还是一位数学大师等,是一位具有卓越贡献的大科学家。

现代机械钟表鼻祖

所谓“工欲善其事,必先利其器”,一行主张在实测的基础上编订历法,就必然要相关的仪器,于是一行首先做了两件仪器:

首先发明了“黄道游仪”,目的是为了符合岁差现象。此后,一行用它测量28宿距天球极北的度数,在世界上第一次发现了恒星位置变动的现象,比欧洲要早约1000年。

其次改进“浑天仪”,模拟天体运行,并可测定时间。在汉代张衡设计的基础上,一行做了大幅度改进,变得更加精巧、复杂,“注水激轮,令其自转,昼夜一周”,除了表现星宿的运动以外,还能表现日升月落,测定朔望、报告时辰非常准确。(下图,汉代浑天仪)

更为重要的是,在水运浑天仪上,一行还设计两个木人,用齿轮带动,一个木人每刻(古代把一昼夜分为一百刻)自动击鼓,一个木人每辰自动撞钟,可以自动报时,犹如后世西方的自鸣钟。李约瑟《中国科学技术史》:“一行和梁令瓒所发明的平行联动装置,实质上就是最早的机械时钟,是一切擒纵器的祖先。”

宋元之后,在一行的基础上,得到突破性的新发展,计时器摆脱了天文仪器的结构形式,测时更准确,所以元朝能在开封与西域寻斯干城同时观测天文,得出“寻斯干城的月食比开封的早了约1更半”的结论,其实就是揭开了地球的经度问题。

1370年,西方首次出现的钟表——威克钟,源头何在?不是显而易见吗!因此,钟表是货真价实的中国原创发明,是中国对世界的巨大贡献,只不过西方站在中国这个巨人的肩膀上后来居上。

横跨万里实测天文

为了解决当时天文疑问,更准确的观测天象,制定精度更高的历书,于是一行组织了一场大规模、大范围的天文大地测量行动。

古人认为“日影一寸,地差千里”,其实是对地球子午线一度弧长度的错误认知。南朝刘宋时的何承天,曾在交州(今越南河内一带)有过测算,发现该说法可能存在错误,隋朝天算家刘焯提出南北大范围实测去验证。

除此之外,当时发现观测地点不同,日食发生的时间和表现的食象均不同,各个节气的日影长度和漏刻昼夜分也不相同。简而言之,不同地点的天象不同,同一天文现象在不同地点的表现不同,而中国疆域广袤,经常遇到此类问题,因此就需要大范围实测。

于是,一行组织了十三路人马奔赴各地,其中北到北纬51度左右的铁勒回纥部(今蒙古乌兰巴托西南),南到约北纬18度的林邑(今越南的中部),超出了现在中国南北的陆地疆界,在世界科学史上史无前例。各路人马实测数据,“测候日影,回日奏闻”,一行则“以南北日影较量,用勾股法算之”,因此一行不仅领导实测,还要分析计算数据。

最终,通过大规模实测,一行取得了很多发现,其中发现今天河南上蔡武津馆到河南滑县,相距526里270步,北极高度相差1.5度,从而得出大约351里80步,北极高度相差一度的结论,这实际上给出了地球子午线一度的长度,同时推翻了“日影一寸,地差千里”的认知。

同时,实测发现林邑与铁勒的北极星高度差为30多度,其实就揭示了地球存在维度。元朝郭守敬奉命制定《授时历》时,再次验证这一点,发现南海与北海的北极星高度相差50°。

最后,关于本文话题,还有三点值得一谈:

首先,一行在推算《大衍历》时,发明了求任何地方每日影长和去极度的计算方法(称做“九服晷影”),和二次不等间距插值法(比今天常用的牛顿插值公式更简洁),制作了世界数学史上最早的一张正切函数表等。可见,古代中国数学的确远远超过了西方。

其次,唐元在各地测算北极星高度,元朝又发现时差问题。于是,元朝赵友钦论证了地圆说,即“测北极出地高下(纬度),及东西各方月食之时刻早晚(经度),皆地体浑圆,地度上应天度之证。”相比亚里士多德的轻松论证地球方法,中国的是不是更艰苦、更科学?

第三,唐僧一行的成就很多,单说机械钟表成就,就应该广为人知,但让人遗憾的是,如今中国人普遍认为机械钟表属于欧洲的原创发明。其实,中国古代还有很多原创发明,西方只是进行了改进,但却被很多中国人误认为是西方的原创发明。

总之,由于中国疆域广袤,天文活动历史悠久且频繁,所以逐渐发现北极星高度、子午线长度等问题,再提出解决方案,最后通过大范围、大规模实测解决问题,整个过程非常合理,符合人类对未知事物的认知逻辑。

值得深思的是,古希腊大师们似乎根本不需要这一过程,没有见到历史积累与传承,然后某些大师突然肉眼看看、脑子想想,就知道北极星高度差,就测算出地球周长,实在让人不可思议。

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(编辑:自媒体)
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