第七章 圓錐曲線和方程
自從意外地來到這個時代開始,郭煒就一直很想接觸了解當代各個領域的高端人物,以便為自己的知識嫁接尋找一個合適的渠道。隨著郭煒地位的穩(wěn)固和抬升,在政治軍事和工程應用方面的問題都得到了初步的解決,就連商業(yè)和農(nóng)業(yè)方面都有了自己的代理人了,可是在郭煒極為看重的數(shù)學工具方面,卻是一直不得其門而入。
在這個時代,除了極個別天才的愛好者以外,高水平的數(shù)學人才基本上都集中在司天監(jiān)和國子監(jiān)的算學部里面了,戶部和三司那些丈量田畝、統(tǒng)計丁口和收取稅賦的工作都只是算學的一些低端應用,里面沒有什么高等級的數(shù)學人才。
但是郭煒一開始需要數(shù)學人才去解決的卻是彈道問題,這種問題如果沒有一個好的開端的話,是很難激起司天歷算和國子博士的興趣的,光靠郭煒搞行政命令根本就是動力不足,所以第一批火炮的射表根本就沒有用到什么高級數(shù)學工具,純粹就是靠著工匠們的經(jīng)驗和生硬的試驗數(shù)據(jù)來堆砌。
本來郭煒還一直是在做著循序漸進的打算,之前讓司天監(jiān)配合著軍器監(jiān)根據(jù)單擺原理去搞計時工具,然后又自己用內(nèi)帑做出來兩套觀天鏡給司天監(jiān)使用,就是想逐步地介入到司天監(jiān)的歷算工作中去,最終讓自己的數(shù)學知識與這個時代接軌,從而引發(fā)真正的數(shù)學進步。
單純地依靠肉眼來觀察星空,再加上傳統(tǒng)習慣的思維定勢影響,基于渾天說宇宙論的綴滿恒星的固定天球配合上黃道(太陽的視運動軌跡)、白道(月亮的視運動軌跡)、天赤道(地球赤道在天球上的投影)也就差不多已經(jīng)足夠說明整個星空的運行了,郭煒想在這個體系里面插入自己的觀點,很難;想要引入更多的數(shù)學工具,似乎也沒有必要。
有了觀天鏡以后,對群星的觀測精度得到大幅度的提高,情況就會大大的不同了,宣夜說由此而出現(xiàn)了復活的機會,圓錐曲線、三角函數(shù)也有了用武之地。
只要郭煒給司天監(jiān)提供不同放大倍數(shù)的觀天鏡,按照現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)的水平來看,完全可以做到從一倍到十倍的系列,以后還能做到更大的倍數(shù)。由于宇宙確實不是渾天說所表示的那個樣子,太陽、月亮、五星和其他恒星確實不是在同一個天球上面,它們和大地之間的距離絕不等同,所以在不同放大倍數(shù)下的星空一定會有所不同,這樣的話,只要郭煒進行一些提示和指導,在事實面前,司天監(jiān)完全可能弄出來基于宣夜說體系下的群星軌道。
對于遼遠的恒星與大地之間的距離,因為大多數(shù)恒星距離地球?qū)嵲谔h了,因為對恒星本質(zhì)的認識水平不足,從而對絕對星等、相對星等也沒有一個準確的定義,即使應用了一些三角幾何,即使有不同倍率的觀天鏡作為對比工具,機械工程行業(yè)出身的郭煒也很難指導司天監(jiān)做出十分準確的計算。郭煒能夠做到的就是,讓司天監(jiān)的官員們認識到,不同的星星和大地的距離是不同的,最起碼銀河是由千億顆星星組成,而這些星星與大地之間的距離還是清晰可辨的,這種定性的認識就足以讓司天監(jiān)的官員摒棄渾天說的天球而接受宣夜說的無限虛空中漂浮著眾多發(fā)光體。
但是太陽、月亮和五星則不同,在郭煒的知識結(jié)構(gòu)中,這些都是距離地球極近的太陽系天體,郭煒相信在觀天鏡的輔助下,司天監(jiān)或許可以測算出它們與地球的準確距離和各自的視運動軌跡。如果說距離地球極遠的眾多恒星因為視差不明顯而可以被渾天說當成了綴在天球上的光點,那么太陽、月亮和五星的視運動早就是這個天球中的例外了。
例外太多的理論是不完美的,紛紛在天球上獨走的太陽、月亮和五星昭顯了渾天說的這種不完美,太陽和月亮圓周視運動的不均勻突出了這種不完美,五星視運動的順逆無常更加說明了這種不完美。只是古代的中國人沒有西方那種對于天堂的執(zhí)念,沒有想當然地去定義“最完美的圓周運動”和天堂的水晶球,也就沒有必要用繁復的本輪、均輪系統(tǒng)來表示這些天體的復雜視運動,出于實用性的考慮,古代的中國天文學家直接承認了這種例外,并且依靠插值運算方法來計算這些天體的視運動。,
不過只要郭煒把太陽系和橢圓軌道這兩個概念傳導給司天監(jiān),所謂的例外也就消解了太陽、月亮的視運動之所以不均勻,那是因為地球繞太陽公轉(zhuǎn)和月亮繞地球公轉(zhuǎn)都是橢圓軌道,地球和月亮在近日點、近地點和遠日點、遠地點的線速度是不同的;五星的視運動之所以順逆無常,那是因為它們和地球是以不同的公轉(zhuǎn)周期環(huán)繞太陽運動,這樣以地球為參照點的時候才會顯得一會兒順行一會兒逆行。當宣夜說具備了自己的天體運行規(guī)律假說,可以準確預言各種天體的視運動的時候,沒有宗教信條束縛的司天監(jiān)搞出來一套完整的宣夜說宇宙體系并非難事。
如果司天監(jiān)接納了橢圓軌道的概念,再接受了一些幾何證明和解析幾何方法,再有長年積累的天文數(shù)據(jù),甚至都可以把開普勒的行星運動定律給整出來吧?而且一旦司天監(jiān)精研起橢圓軌道來,其他的圓錐曲線也會有所涉獵的吧?只要他們在閑暇之余研究研究拋物線,炮兵們就可以從中受益了。
只是這樣的發(fā)展郭煒原先是打算循序漸進慢慢來的,不過現(xiàn)在好了,借著司天少監(jiān)王處訥匯報歲星犯月天象的契機,郭煒就可以提早進行這個步驟了。
近代科學的發(fā)展和工業(yè)革命,哲學家傳統(tǒng)與工匠傳統(tǒng)的合流在其中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用,哲學家不再歧視勞動、工匠們有能力學習理論,這兩種情況一起出現(xiàn),近代科學的誕生和工業(yè)革命的發(fā)生就是不可阻擋的了。
但是這兩種情況的出現(xiàn),又是建立在社會生產(chǎn)力的發(fā)展上面的。只有社會生產(chǎn)力發(fā)展到相當?shù)乃剑r(nóng)業(yè)可以養(yǎng)活更多的人,手工業(yè)中的技術(shù)應用越來越多,那些格物致知追尋人間至道或者終極原理的哲人中有一部分才會去關(guān)注生產(chǎn)勞動,而這些哲人也就不會再是有錢有閑階級的專利;也只有社會生產(chǎn)力發(fā)展到相當?shù)乃剑粋€社會的教育水平才能大幅度提高,識文斷字不再被富貴階層壟斷,工匠們才有機會去了解相關(guān)的理論。
在郭煒曾經(jīng)的那個時空,這樣的臨界點大概在宋朝和明末都有過,可惜都被野蠻扼殺了,如今郭煒治下的大周離著這種境界還有很長一段距離,不過想想也就是和平兩三百年即可的事,如果郭煒再定向促進一下,這樣的臨界點可未必不能提早出現(xiàn)。
郭煒想做的就是:主動引導司天監(jiān)官員這樣的專業(yè)天文和數(shù)學人才,讓他們把理論注意力擴展到更大的領域,尤其是要把他們的數(shù)學工具通俗化;在軍器監(jiān)的工匠中教授數(shù)學和文化知識,讓他們在豐富的實踐經(jīng)驗之外還具備一定的理論水平。既然還達不到全社會哲學家傳統(tǒng)與工匠傳統(tǒng)合流的水平,那么就先用行政手段在司天監(jiān)和軍器監(jiān)實現(xiàn)它。
理想很豐滿,現(xiàn)實很骨感。
顯德八年的整個年底,郭煒的大部分精力都投入到了司天監(jiān)和軍器監(jiān),這才發(fā)現(xiàn)有些事情并不是想想就能成的。
這個時代的數(shù)學語言和郭煒學過的那些數(shù)學語言相差可是太大了郭煒發(fā)現(xiàn)自己首先要做的不是引導或者教會司天監(jiān)官員們使用一些數(shù)學工具,而是必須先學會怎么用籌算算式和天元術(shù)、四元術(shù)把自己所知的數(shù)學知識給表達出來,一如初到貴境的時候?qū)W會工尺譜并且完成從五線譜和簡譜到工尺譜的接軌。
好在郭煒是工科生,是數(shù)學用得相當不錯的工科生,是做了資本家之后還沒有丟掉本行的工科生。也好在經(jīng)過繼位之初的爭衡和郭煒親征收取幽薊以后,群臣對郭煒已經(jīng)開始敬畏起來,即使郭煒一時放手了大部分的朝政,他們也還是不怎么敢弄權(quán)。
軍器監(jiān)那邊暫時就教不了什么了,民間的工匠或許有很多不識字的,軍器監(jiān)的工匠可都能夠識字,至于經(jīng)史子集就沒必要教他們了,而在郭煒找到合適的簡化的數(shù)學語言之前,教工匠們數(shù)學的事情也難以進行,畢竟郭煒可沒空去做一個數(shù)學老師,雖然對工程師、技術(shù)員的應用數(shù)學郭煒比這個時代的其他數(shù)學家更通。
不過王處訥提到的“軍器監(jiān)新制的漏刻”郭煒卻是看過了,利用了單擺原理、優(yōu)質(zhì)彈簧鋼儲能和擒縱器,這種所謂的新漏刻已經(jīng)夠資格被稱作時鐘,可惜體積還是頗為龐大,距離隨軍應用的水平還差了很遠。遺憾的是郭煒也無法繼續(xù)指點他們了,雖然穿越前的郭煒在童年時候拆過許多鐘表,但是除了單擺、發(fā)條和鋼齒輪以外他也看不懂更多的。
年底的這段時間,郭煒主要還是不斷把司天監(jiān)的技術(shù)官員召到廣政殿來,一面學習籌算算式和天元術(shù)、四元術(shù)的表達方法,一面把自己的數(shù)學知識逐步用“天竺手算”等名義透出去。代數(shù)方程?西文字母用梵文或者特定漢字代替也是一樣的嘛