第一节　科学思想、方法及手段

科学家的世界观和自然观　亲身实践、“穷究试验”　对数学和量化分析的重视　珠算的发展与普及

明朝后期科技领域的代表人物，为我们留下了卷帙较多的著述，其中既有集某一领域大成的科技专著，也有研讨哲学和泛学术问题的作品。即使是科技专著，因其多带有总结色彩，所论亦时而超出单纯的科技领域。中国传统科学技术的发展，本来具有偏重经验、实用而缺乏理论概括的特点。明朝后期到清初的科学家著述，则为我们提供了比较难得的研讨中国古代科学思想、方法和手段的资料。

科学研究的主要对象是外部世界，因此科学家的世界观会对他的研究工作产生重要影响。在讨论世界本原问题的理、气之争中，晚明科学家大体都崇尚气本原论，代表人物有李时珍、宋应星、方以智。

李时珍（1518—1593），蕲州（今湖北蕲春）人，著有药物学巨著《本草纲目》。他在《本草纲目》中指出，世界的本原是气，宇宙万物皆由气所化生。人之所以生病，并非鬼神作祟，而是因为“邪气”的侵扰。医生治病的过程，就是培植人体正气，抗击邪气，使人体生理机能恢复到正常的平衡状态。万物由气所形成，而禀气各异，既在本原上有统一性，又存在着各种各样的变化。“气之凝也，则结而为丹青，气之化也，则液而为矾汞。其变也，或自柔而刚，乳卤成石是也，或自动而静，草木成石是也。飞走含灵之为石，自有情而之无情也，雷震星陨之为石，自无形而成有形也”。“天地造化而草木生焉，……得气之粹者为良，得气之戾者为毒”[1]。针对通常被视为灾异的人类遗传变异、返祖一类现象，李时珍认为这也不过是气的特殊变化：“太初之时，天地缊，一气生人，乃有男女。……人之变化，有出常理之外者”，“天地之造化无穷，人物之变化亦无穷”[2]。

宋应星（1587—1666？）[3]，江西奉新人，以所著工农业生产技术专著《天工开物》知名，另外还写有两部讨论哲学和自然观问题的著作《论气》《谈天》[4]，其中对中国古代的气论哲学有所发展。他认为，世界是由无形的“气”和有形的“形”两种东西构成的，其中气又为根本。“人物受气而生”，“天地间非形即气，非气即形，……由气而化形，形复返于气”[5]。世间一切事物现象及其变化，无非是同一物质“气”不断转化为各种具体形态，各种形态最终又复返为“气”的过程。宋应星在《天工开物》中总结的各种生产技术，其实质都是利用某种材料加工制造各种形态的物品。从这种认识经验出发加以扩充，自然就会将世间万事万物都看成某种原始材料“气”在“天工”作用之下形成的不同制造物[6]。这种思想，显然又与长期观察自然、研究生物的李时珍不谋而合。在对气的讨论中，宋应星还触及了声学理论问题，指出声音是由“气”的波动产生的，“物之冲气也，其如激水然”，“逼气而成声”[7]。这一看法也是相当先进的。

方以智（1611—1671），桐城（今属安徽）人，明清之际思想家。他虽不以某一科技专长知名，但却是当时最渊博的学者之一，所著博物学著作《物理小识》《通雅》，囊括了天文历算、物理、化学、医学、药物学等多方面科技内容。此外还有《东西均》《药地炮庄》《浮山前后集》《博依集》《易余》《性故》《膝寓信笔》等十余种著述，总计数百万言。思想体系博大精深，其中对古代自然科学哲学的批判性总结尤其受人重视。[8]他总结了古代的气论哲学，认为“一切物皆气所为也，空皆气所实也”[9]。“地在天中，球也，四周六合各以所履为下，首立为上，气鼓之为然，渐阤以转，人如蚁不知耳”[10]。他还指出：“盈天地间皆物也，人受其中以生，生寓于身，身寓于世，所见所用，无非事也，事一物也。……通观天地，天地一物也”[11]，从而对“气”的物质属性作出了更加明确的肯定。

对于明朝中叶以来知识界坐谈心性、不重实事的空虚学风，晚明科学家普遍抱反对态度。他们在各自的研究领域，都能孜孜以求，注重学习，亲身实践，强调“博采实考”“责实求精”“穷究试验”，这也是他们获得重大成就的主要原因。

李时珍指出：“医者贵在格物”[12]。他为写作《本草纲目》，在长期临床实践的基础上，详尽阅读、研究前代医药典籍，广泛披阅，“凡子、史、经、传、声韵、农圃、医卜、星相、乐府诸家”，“上自坟典，下至传奇，凡有相关，靡不收采”[13]，积累了大量的资料。他跋山涉水，四出考察，足迹遍及大江南北，并且深入到少数民族地区。每到一处，除对各种药物进行实地观察、采集外，还虚心向当地人民请教药物知识，搜集了许多民间药方。他动手栽培和加工炮制过不少药物，为了解某些药性，甚至冒着危险亲自试服（彩图4）。

宋应星为写作《天工开物》，长期深入田间、作坊，通过亲身调查获取工农业生产技术的第一手资料，详细地记下各种工艺进程，并绘制图画。他十分重视科学实验，认为科学的结论应当建立在实验的基础之上，“皆须试见而后详之”[14]。

徐光启（1562—1633），上海人，明神宗万历三十二年（1604）进士，官至内阁大学士。曾撰著农学巨著《农政全书》，并与耶稣会传教士共同翻译《几何原本》、《泰西水法》等西方科技著作，编定《崇祯历书》。徐光启博闻强识，“于物无所好，惟好学，惟好经济。考古证今，广咨博讯，遇一人辄问，至一地辄问，问则随闻随笔。一事一物，必讲究精研，不穷其极不已。故学问皆有根本，议论皆有实见”[15]。但在明末黑暗、腐败的政治环境下，并未能够充分施展“经济”的抱负，仅以科技成就为后世所知。徐光启一生钻研农学，经常深入农村调查研究，“躬执耒耜之器，亲尝草木之味，随时采集，兼之访问”[16]。还曾在上海、天津开辟实验农庄，对农作物选种、施肥、嫁接以及北种南移、南种北移等问题亲自试验，作出记录。主持修历工作时，徐光启已年近70，仍然亲自到观象台观测，不慎从台上跌下，摔伤腰膝。他曾强调观测工作的重要性说：“谚曰‘千闻不如一见’，未经目击而以口舌争，以书数传，虽唇焦笔秃，无益也。”[17]

徐霞客（1586—1641），江阴（今属江苏）人，名弘祖，以别号霞客为世所知，是古代著名的地理学家和旅行家。他一生淡泊功名，不求仕进，而将大量的时间和精力花费在旅行考察上（图3-1）。自万历三十五年（1607）22岁起，直到病逝前半年，30余年中几乎年年外出旅行。足迹所及，东抵东海中的普陀山，西到云南西部的腾冲，北至河北蓟县盘山，南达广东罗浮山，走遍了今江苏、浙江、安徽、福建、广东、广西、江西、河南、陕西、山东、河北、山西、湖南、湖北、贵州、云南16个省区，对各地的地貌、地质、水文、气候、生物等状况进行深入细致的考察，访问群众、搜集文献、采集标本，并随即写出详细的考察日记。这些日记在他死后经友人整理流传至今，也就是著名的《徐霞客游记》。徐霞客的长途考察基本上是徒步跋涉，所到之处很多是荒僻的高山、深谷、密林，盗贼出没，虎狼窥伺，艰险万分。但无论环境如何恶劣，他都不屈不挠，勇往直前，充分体现出一名科学工作者求索真理的坚定信念和牺牲精神。正因如此，他才被誉为“千古奇人”，《游记》也被誉为“千古奇书”[18]。

方以智在前人的基础上，将纷繁复杂的自然科学研究概括为“质测”二字。质，指实物；测，指观察、验证。他在《物理小识·自序》中总结说：“物有其故，实考究之，大而元会，小而草木螽蠕，类其性情，征其好恶，推其常变，是曰质测。”在他看来，任何事物都有其形成、发展的原因，都有其所以然之“故”，只有通过“实考”才能将其探究出来。大到天文星象，小到草木昆虫，都可以通过“实考”鉴定其性质，判断其优劣，把握其规律和变化，这就是所谓“质测之学”。他在搜集各种科学资料时，非常重视实证和试验。所著《通雅》《物理小识》诸书，在“质测”原则指导下，对中国传统自然科学和新传入的西方科学进行了范围广泛的记述与考辨，广征博引，证诸见闻，力辟宋明以来蹈虚空谈、舍物言理之风，充分表现出务实求证的科学精神。方以智还指出，在“质测之学”以上，存在着更深邃的“通几之学”。通，意为贯通；几，意为隐微。通观天地万物，从可以感知的具体现象当中抽象出隐微不可感知的本质，“寂感之蕴，深究其所自来，是曰通几”。用今天的概念来讲，“质测之学”代表自然科学研究，“通几之学”则代表着哲学研究。方以智精辟地分析了两种研究的关系。他认为，这两种研究性质虽异，但却存在着密切联系。“质测”之中蕴涵着“通几”所要探求的道理，“质测即藏通几者也”[19]，故而“通几”应以“质测”为基础，否则就会成为无根空论。另一方面，“通几”对“质测”具有指导作用，可以帮助后者克服自身的局限性和片面性，故曰“通几护质测之穷”[20]。两者相辅相成，不可执此废彼。上述对哲学、科学关系的讨论，是方以智思想的精华，在中国古代科学思想史上占有重要地位。

晚明科学思想中还有一个值得注意的倾向，即对数学和量化分析的重视。中国古代的数学研究曾经取得很高的成就，但到明朝前期后继无人，趋于衰微。明朝后期，一些科学家在各自研究领域，不约而同地注意到数学和量化分析的重要性。他们的有关论述不仅推动了数学研究的复兴，而且对整个自然科学领域都有指导意义。

朱载堉（1536—1611），明宗室郑恭王朱厚烷子，仁宗朱高炽第六代孙。本为郑王世子，得继王爵，但他淡泊名利，辞让王位不居，卒谥端清。朱载堉精通乐律、数学、天文历法，著有《乐律全书》等著作共百余万言，在科技史和艺术史上占有重要地位[21]。朱载堉在乐律研究中创建了“十二平均律”的数理理论，其中包含有大量的复杂数学运算。其所涉及不同进位制的小数换算问题，不仅详细说明演算过程，还总结出了计算公式“律度相求口诀”。书中提到求解等比数列的方法、开平方和立方的方法，其详尽程度都超出前人。朱载堉反复强调数学在自然科学研究当中的基础作用。他在《乐律全书》所收《律历融通》中说：“欲明律历之学，必以象数为先”，“凡天地造化，莫能逃其数”，“数者，自然之用也，其用无穷而无所不通”。在《进历书奏疏》中进而指出：“天运无端，惟数可以测其机，天道至玄，因数可以见其妙。理由数显，数自理出，理数可相倚而不可相违。”朱载堉所说的“理”实际上就相当于科学原理、规律。在他看来，规律当中可以归纳出数据，规律也可以用数据表示。数是可以从客观世界的运动、变化当中推算出来的，由此又可以进一步预测客观世界未来的运动和变化。

徐光启是晚明倡导数学研究和应用的又一重要人物。他一贯主张将数学作为科学研究的基础，然后施用于各种有关民生日用的具体技术。他指出：“象数之学，大者为历法，为律吕，至其他有形有质之物、有度有数之事，无不赖以为用，用之无不尽巧极妙者”；“算术者，工人之斧斤寻尺，……此事不能了彻，诸事未可易论”；“明理辨义，推究颇难，法立数著，遵循甚易”[22]。在与传教士合作翻译欧几里得《几何原本》的过程中，徐光启学到了西方数学严密的逻辑推理方法，对其极为推崇。他说：“此书为益，能令学理者祛其浮气，练其精心，学事者资其定法，发其巧思，故举世无一人不当学。……能精此书者，无一事不可精，好学此书者，无一事不可学”；“窃意百年之后必人人习之，即又以为习之晚也”[23]。崇祯二年（1629），徐光启上《条议历法修正岁差疏》[24]，提出“盖凡物有形有质，莫不资于度数”的论点，认为客观物质世界的运动规律在本质上都可以表现为数学的函数关系。因此他提出“度数旁通十事”，举出应用数学原理的十项具体科学领域，包括天文和气象学、水利学、音乐、军事工程学、会计学、建筑学、机械力学、大地测量学、医学、计时。他希望朝廷能够对这十项领域“接续讲求”，找到较多的研究者“分曹速就”，实际上是建议成立一个包括若干专门研究机构的科学院。这种对基础理论科学的重视以及关于基础理论科学与其他应用科学关系的认识，已经体现出了近代科学的精神[25]。

宋应星写作《天工开物》时，也十分强调通过实验测取数据，用不同数据的对比关系来说明科学道理。《天工开物》共记载了130多项生产技术方面的数据，包括农业上的农时、田间管理、单位面积产量，手工业上的生产工具尺寸、材料消耗、材料配方、使用寿命、经济效率以及不同物质的物理性能等，从而大大增强了这部著作的科学价值[26]。近代学者丁文江通过对《天工开物》的研究指出：“先生（指宋应星）之学，其精神与近世科学方法相暗合。”[27]

珠算的发展和普及，是这一时期科技史中的一件大事。中国古代进行数学演算的方式，长期以来主要是筹算。随着商品经济的发展，实用算术在社会生活当中的重要性日渐突出，简化演算方式、提高演算速度的需要也愈益迫切。宋元时期，多种快速思维的运算口诀相继出现，超出了一般筹算的速度。在结构原理和记数形式基本不变的前提下，筹算逐渐被可以拨动、机械化程度更高的珠算所代替。珠算发明的具体时间，今已不得其详。元末陶宗仪《南村辍耕录》卷二九“井珠”条提到了“拨之则动”的“算盘珠”[28]，说明珠算和算盘已经出现。但这一时期仍然可以见到筹算的材料。大体上从元朝到明初，是珠算、筹算并用的阶段，珠算尚未完全普及。

明朝中叶，珠算运算方法、包括算盘形制、规格等等已经定型，完全取代了筹算（图3-2）。社会上也出现了大量论述珠算算法的著作。流传到今天的，主要有1573年成书的徐心鲁《盘珠算法》、1578年成书的柯尚迁《数学通轨》、1584年成书的朱载堉《算学新说》、1592年成书的程大位的《直指算法统宗》、1604年成书的黄龙吟《算法指南》等等。朱载堉在《算学新说》中运用珠算进行开平方、开立方等复杂演算，并记述了有关口诀。通过珠算，他可以在乐律计算中准确地算到二十五位数，而且比筹算节省大量时间。不过就对社会的影响而言，最重要的珠算著作还是程大位的《直指算法统宗》。

程大位（1533—1606），休宁（今属安徽）人，长期经商，并且喜爱数学，广泛搜求古近数学著作，于晚年撰成《直指算法统宗》17卷。书中收录了595个数学问题及其解法，其中大部分是从前人著述中摘录的，但具体解法都是用珠算完成，演算过程与前人的筹算有所不同。后来程大位又将此书缩编为《算法纂要》4卷。《直指算法统宗》是一部集珠算算术大成的著作，内容系统而全面，作为应用算术书，在社会上产生了巨大影响，多次被翻印和改编。明末李之藻编译介绍西方算术的《同文算指》，即从《直指算法统宗》中摘录了不少应用问题，以补西算之不足。清康熙五十五年（1716）刊本《直指算法统宗》，卷首由程氏族孙程世绥作序，程世绥概述这部书的流行情况说：“风行宇内，迄今盖已百有数十余年，海内握算持筹之士，莫不家藏一编，若业制举者之于四子书、五经义，翕然奉以为宗。”在日本、朝鲜诸国，《直指算法统宗》也都曾广泛流传，深受重视。