乱世里的算学世家
很久以前,南朝的一座城里,一户人家添了个男娃,取名祖冲之。
那时天下不太平,朝代更替得快,可再乱的日子里,也总有人低头摆弄数目。可以想象,这户人家的屋里,少不了算筹和讲历法、讲营造的书。孩子在这样的屋子里长大,耳朵里听的是数目,眼睛里看的是星象。
可以想象,小祖冲之从小就对数字和星星格外着迷。别的孩子爱玩耍嬉闹,他也许更愿意琢磨《九章算术》里的算题,一道题翻来覆去算上几天也不嫌烦。想来慢慢地,他博学多才的名声传开了,大人们提起他,总要夸上两句。
后来,他一心走在钻研学问的路上。这一生里,有两件事格外有名:一件是修订历法,一件是推算圆周率。后一件,就是咱们要讲的。
前人留下的难题
圆周率这个数,说起来简单,用起来却难。自古以来,人们都知道圆的周长和直径有个固定的比,可这个比究竟是多少,谁也说不准。最早的说法是“周三径一”,也就是圆周率等于3,可这数太粗略,稍一测算就知道不对。
你不妨找一根细绳,沿着圆桌的边缘绕一圈,再拿这根绳去量桌子的直径。会发现,绳子正好够量三段多一点。这个“三段多一点”,就是圆周率。可“多一点”到底是多少,要算准它,可不容易。
一代代人都试过把它算得更准些。可以想象,有人换着各种办法,想让弯弯的圆和直直的数碰到一起。圆是弯的,数是直的,想让两样碰到一起,从来不是件轻巧的事。
前人的路摆在那儿,数值却还有往前走的空间,像一条走到半截的小路,等着有人接着走。后来,祖冲之也来想这道难题,想把这个数推得更远。
这道题不是一个人的事。大家奔着同一个目标,各走各的路,谁也不是一个人在跑。至于祖冲之是怎么跑的,咱们接着往下看,边走边想。
算筹堆成的山
那个年代没有阿拉伯数字,人们算数靠的是一根根用竹子、骨头等做成的算筹,摆在席上或案上,靠纵横排列表示数目,靠手上不断移动、心里不断盘算来完成乘除运算。用这样的家什,要把一个数算到小数点后七位,不管走哪条路,都不容易。
算筹细细长长,像一根根小棍。摆成什么样,就代表什么数。一根一根拼起来,数就在桌面上长了出来。一个数摆下来,就是一小排;一串数摆下来,桌面就成了一片小小的田野。你玩过用小棍拼图形的游戏吗?算筹有点像,只是它拼出来的是数。
可以想象,这样的算数最怕出错,一个数摆歪了,后头的数就跟着歪。想来要算到那么多位,总离不开耐心。也许桌面上能摆的地方有限,摆满了就得收,收了再摆,脑子里还得记着前头的数。当然,这只是咱们的想象。
路总得一步一步走。想来要把数推到小数点后七位,靠的不是一时的灵光,更像是长久的耐性。这份耐性有多重,看看后来留下的那两个数,就明白了。
至于具体怎么算,这一页咱们先空着。他留给我们的,是最终的结果:一个略大的数,一个略小的数,把圆周率稳稳地夹在了中间。
想象中的灯下
不妨想象一幅画面:夜深了,烛火晃了一晃,屋里只剩算筹轻轻碰在一起的细响,嗒,嗒,嗒。
这只是我们替他点上的一盏灯。可以想象,一个心里装着难题的人,总要给自己留一小块安静的时间。别的事也许一桩接着一桩,哪一桩都不轻,可到了这盏灯下,世界就只剩下案上的数。
或许算得累了,他会搁下算筹,抬头看看天上的星。星星安安静静,数字却在案上排成长队,等着他一个一个点名。这些,都是我们替他想出来的样子。
灯下的算筹究竟怎样摆放,咱们不去画。用了哪条路,走了多少步,哪一步最费力,这些都留白。那条路是宽是窄,是直是弯,只任由我们去想象。能摸得着的,只有那一大一小两个极接近的数,还有我们心里想着的那盏灯。
算数这件事,考验的不只是聪明,更是耐心。数字最老实,对就是对,错就是错,不会因为谁辛苦就网开一面。
不管走的是哪一条路,总之,纸上终于落下了两个数:一个略大,一个略小,真正的圆周率,就藏在它们中间。
丈尺寸分里的圆
数有了,怎么写下来呢?
今天写圆周率,一个小数点就够。可那时候的人不用小数点。祖冲之的写法是这样的:把圆的直径定作一丈,再用丈、尺、寸、分、厘、毫、秒、忽这一串十进的单位,一级一级报出周长。这些单位一级比一级小,每一级都是上一级的十分之一。
他给出两个数。一个偏大,叫盈数:三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽。一个偏小,叫朒(nǜ)数:三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽。圆周率,就在这两个数之间。
两个数只差最后一个“忽”。换成今天的写法,就是3.1415927和3.1415926。最后那个“忽”,小得肉眼根本看不见。两个数挨得这样近,近到好像只隔着一层窗纸。
这一大一小是有讲究的。好比猜一个藏起来的数,先说“它不会比这个大”,再说“它不会比这个小”,两头一卡,范围就缩得很窄。他没有说圆周率正好是哪个数,只说它落在这一大一小之间。这份分寸,叫人佩服。
要紧的是,在算筹的年月里,能把范围卡得这么窄,已经叫人惊叹。这一步迈出去,圆周率的小数点后,又多了几位靠得住的数字。
一串数字之后
可以想象,等那两个数落定的时候,他放下算筹,长长吐出一口气。那些花下去的心力,总算有了交代。
除了这两个数,他还留下了又准又好记的分数。不妨想一想:七位小数又长又难记,田间的农人、作坊里的匠人未必肯天天挂在嘴边。要是有个更短的说法,用起来就方便多了。
结果摆在眼前:两个又短又好记的分数,一个粗些,一个细些,各有各的用处。一个顾着日常,一个顾着精细。
又准又好记的数
分数有个好处:说出来就是两个整数,不用拖一长串小数尾巴。祖冲之给出的分数有两个。
第一个分数,直径取七,周长取二十二,写作七分之二十二,也就是22÷7,叫约率。数小,好记,日常用着方便。只是粗了些,比起那一大一小两个数,还差着一截。
第二个分数更准:直径一百一十三,周长三百五十五。三百五十五比一百一十三,这叫密率。
这个分数短得很,说出口只有两个三位数,除开来是3.14159多一点,却和那一大一小的数贴得很近。要准,它紧贴着那一大一小两个数;要好用,有这一对整数。精确和好记,握在了同一只手里。这对整数是怎么找到的,同样留白。
可以想象,在旁人眼里,这不过是两个寻常的整数。谁也想不到,里头藏着那么多的心力。
一部深奥的书
数字之外,祖冲之还有别的心血。他编过《大明历》,还留下一部《缀术》。这部书内容深奥,后来沉进了岁月里,不少学问也跟着远去了。那部书里的学问太深了,深到后来几乎没有人能把它接着讲下去。
书里的字迹慢慢淡去了,写书的人却被牢牢记住。一个人肯花这么大的功夫,留下的东西,总会有人惦记。也许许多年后,会有个孩子翻到这个名字,好奇地问一句:这个人是谁?一个数,一盏灯,一本书,就这样把一个名字送到了很远的地方。
后来,写下这些数的人离开了人世。人走了,那个数没有走。
那两个只差一个“忽”的数还在,像一盏不灭的小灯。当年的算筹早已收进了岁月,灯却一直亮着,照着后来每一个想算准圆的人。
许多世纪无人越过
此后很久很久,当年的朝代早成旧事,后来的朝代也成了旧事,一茬又一茬地换。圆周率精确到小数点后第七位,这个纪录一保持就是好几个世纪,其间没人越得过去。
这漫长的岁月里,有人当过皇帝,有人当过农夫,有人在灯下读书,有人在田里插秧。朝代更替的消息传来传去,可在书页深处,这个数一动没动。
直到很多个世纪以后,远方的学者才把这个数算得更远,纪录就此被改写。
从想象中那盏夜灯下,到远方学者的案头,隔着许多个世纪,隔着山海,算的是同一个圆,要的也是同样的耐性。如果祖冲之能看到,大概只会笑一笑,再低头去算下一个数。
算筹收回匣中,祖冲之的名字却留在了数里。可他的本事,还没讲完。算筹之外,他手里另有一样活计,不靠纸笔,要一锤一凿地做出来。那是什么?