第一節　科學思想、方法及手段

科學家的世界觀和自然觀　親身實踐、“窮究試驗”　對數學和量化分析的重視　珠算的發展與普及

明朝后期科技領域的代表人物，為我們留下了卷帙較多的著述，其中既有集某一領域大成的科技專著，也有研討哲學和泛學術問題的作品。即使是科技專著，因其多帶有總結色彩，所論亦時而超出單純的科技領域。中國傳統科學技術的發展，本來具有偏重經驗、實用而缺乏理論概括的特點。明朝后期到清初的科學家著述，則為我們提供了比較難得的研討中國古代科學思想、方法和手段的資料。

科學研究的主要對象是外部世界，因此科學家的世界觀會對他的研究工作產生重要影響。在討論世界本原問題的理、氣之爭中，晚明科學家大體都崇尚氣本原論，代表人物有李時珍、宋應星、方以智。

李時珍（1518—1593），蘄州（今湖北蘄春）人，著有藥物學巨著《本草綱目》。他在《本草綱目》中指出，世界的本原是氣，宇宙萬物皆由氣所化生。人之所以生病，并非鬼神作祟，而是因為“邪氣”的侵擾。醫生治病的過程，就是培植人體正氣，抗擊邪氣，使人體生理機能恢復到正常的平衡狀態。萬物由氣所形成，而稟氣各異，既在本原上有統一性，又存在著各種各樣的變化。“氣之凝也，則結而為丹青，氣之化也，則液而為礬汞。其變也，或自柔而剛，乳鹵成石是也，或自動而靜，草木成石是也。飛走含靈之為石，自有情而之無情也，雷震星隕之為石，自無形而成有形也”。“天地造化而草木生焉，……得氣之粹者為良，得氣之戾者為毒”[1]。針對通常被視為災異的人類遺傳變異、返祖一類現象，李時珍認為這也不過是氣的特殊變化：“太初之時，天地缊，一氣生人，乃有男女。……人之變化，有出常理之外者”，“天地之造化無窮，人物之變化亦無窮”[2]。

宋應星（1587—1666？）[3]，江西奉新人，以所著工農業生產技術專著《天工開物》知名，另外還寫有兩部討論哲學和自然觀問題的著作《論氣》《談天》[4]，其中對中國古代的氣論哲學有所發展。他認為，世界是由無形的“氣”和有形的“形”兩種東西構成的，其中氣又為根本。“人物受氣而生”，“天地間非形即氣，非氣即形，……由氣而化形，形復返于氣”[5]。世間一切事物現象及其變化，無非是同一物質“氣”不斷轉化為各種具體形態，各種形態最終又復返為“氣”的過程。宋應星在《天工開物》中總結的各種生產技術，其實質都是利用某種材料加工制造各種形態的物品。從這種認識經驗出發加以擴充，自然就會將世間萬事萬物都看成某種原始材料“氣”在“天工”作用之下形成的不同制造物[6]。這種思想，顯然又與長期觀察自然、研究生物的李時珍不謀而合。在對氣的討論中，宋應星還觸及了聲學理論問題，指出聲音是由“氣”的波動產生的，“物之沖氣也，其如激水然”，“逼氣而成聲”[7]。這一看法也是相當先進的。

方以智（1611—1671），桐城（今屬安徽）人，明清之際思想家。他雖不以某一科技專長知名，但卻是當時最淵博的學者之一，所著博物學著作《物理小識》《通雅》，囊括了天文歷算、物理、化學、醫學、藥物學等多方面科技內容。此外還有《東西均》《藥地炮莊》《浮山前后集》《博依集》《易余》《性故》《膝寓信筆》等十余種著述，總計數百萬言。思想體系博大精深，其中對古代自然科學哲學的批判性總結尤其受人重視。[8]他總結了古代的氣論哲學，認為“一切物皆氣所為也，空皆氣所實也”[9]。“地在天中，球也，四周六合各以所履為下，首立為上，氣鼓之為然，漸阤以轉，人如蟻不知耳”[10]。他還指出：“盈天地間皆物也，人受其中以生，生寓于身，身寓于世，所見所用，無非事也，事一物也。……通觀天地，天地一物也”[11]，從而對“氣”的物質屬性作出了更加明確的肯定。

對于明朝中葉以來知識界坐談心性、不重實事的空虛學風，晚明科學家普遍抱反對態度。他們在各自的研究領域，都能孜孜以求，注重學習，親身實踐，強調“博采實考”“責實求精”“窮究試驗”，這也是他們獲得重大成就的主要原因。

李時珍指出：“醫者貴在格物”[12]。他為寫作《本草綱目》，在長期臨床實踐的基礎上，詳盡閱讀、研究前代醫藥典籍，廣泛披閱，“凡子、史、經、傳、聲韻、農圃、醫卜、星相、樂府諸家”，“上自墳典，下至傳奇，凡有相關，靡不收采”[13]，積累了大量的資料。他跋山涉水，四出考察，足跡遍及大江南北，并且深入到少數民族地區。每到一處，除對各種藥物進行實地觀察、采集外，還虛心向當地人民請教藥物知識，搜集了許多民間藥方。他動手栽培和加工炮制過不少藥物，為了解某些藥性，甚至冒著危險親自試服（彩圖4）。

宋應星為寫作《天工開物》，長期深入田間、作坊，通過親身調查獲取工農業生產技術的第一手資料，詳細地記下各種工藝進程，并繪制圖畫。他十分重視科學實驗，認為科學的結論應當建立在實驗的基礎之上，“皆須試見而后詳之”[14]。

徐光啟（1562—1633），上海人，明神宗萬歷三十二年（1604）進士，官至內閣大學士。曾撰著農學巨著《農政全書》，并與耶穌會傳教士共同翻譯《幾何原本》、《泰西水法》等西方科技著作，編定《崇禎歷書》。徐光啟博聞強識，“于物無所好，惟好學，惟好經濟。考古證今，廣咨博訊，遇一人輒問，至一地輒問，問則隨聞隨筆。一事一物，必講究精研，不窮其極不已。故學問皆有根本，議論皆有實見”[15]。但在明末黑暗、腐敗的政治環境下，并未能夠充分施展“經濟”的抱負，僅以科技成就為后世所知。徐光啟一生鉆研農學，經常深入農村調查研究，“躬執耒耜之器，親嘗草木之味，隨時采集，兼之訪問”[16]。還曾在上海、天津開辟實驗農莊，對農作物選種、施肥、嫁接以及北種南移、南種北移等問題親自試驗，作出記錄。主持修歷工作時，徐光啟已年近70，仍然親自到觀象臺觀測，不慎從臺上跌下，摔傷腰膝。他曾強調觀測工作的重要性說：“諺曰‘千聞不如一見’，未經目擊而以口舌爭，以書數傳，雖唇焦筆禿，無益也。”[17]

徐霞客（1586—1641），江陰（今屬江蘇）人，名弘祖，以別號霞客為世所知，是古代著名的地理學家和旅行家。他一生淡泊功名，不求仕進，而將大量的時間和精力花費在旅行考察上（圖3-1）。自萬歷三十五年（1607）22歲起，直到病逝前半年，30余年中幾乎年年外出旅行。足跡所及，東抵東海中的普陀山，西到云南西部的騰沖，北至河北薊縣盤山，南達廣東羅浮山，走遍了今江蘇、浙江、安徽、福建、廣東、廣西、江西、河南、陜西、山東、河北、山西、湖南、湖北、貴州、云南16個省區，對各地的地貌、地質、水文、氣候、生物等狀況進行深入細致的考察，訪問群眾、搜集文獻、采集標本，并隨即寫出詳細的考察日記。這些日記在他死后經友人整理流傳至今，也就是著名的《徐霞客游記》。徐霞客的長途考察基本上是徒步跋涉，所到之處很多是荒僻的高山、深谷、密林，盜賊出沒，虎狼窺伺，艱險萬分。但無論環境如何惡劣，他都不屈不撓，勇往直前，充分體現出一名科學工作者求索真理的堅定信念和犧牲精神。正因如此，他才被譽為“千古奇人”，《游記》也被譽為“千古奇書”[18]。

方以智在前人的基礎上，將紛繁復雜的自然科學研究概括為“質測”二字。質，指實物；測，指觀察、驗證。他在《物理小識·自序》中總結說：“物有其故，實考究之，大而元會，小而草木螽蠕，類其性情，征其好惡，推其常變，是曰質測。”在他看來，任何事物都有其形成、發展的原因，都有其所以然之“故”，只有通過“實考”才能將其探究出來。大到天文星象，小到草木昆蟲，都可以通過“實考”鑒定其性質，判斷其優劣，把握其規律和變化，這就是所謂“質測之學”。他在搜集各種科學資料時，非常重視實證和試驗。所著《通雅》《物理小識》諸書，在“質測”原則指導下，對中國傳統自然科學和新傳入的西方科學進行了范圍廣泛的記述與考辨，廣征博引，證諸見聞，力辟宋明以來蹈虛空談、舍物言理之風，充分表現出務實求證的科學精神。方以智還指出，在“質測之學”以上，存在著更深邃的“通幾之學”。通，意為貫通；幾，意為隱微。通觀天地萬物，從可以感知的具體現象當中抽象出隱微不可感知的本質，“寂感之蘊，深究其所自來，是曰通幾”。用今天的概念來講，“質測之學”代表自然科學研究，“通幾之學”則代表著哲學研究。方以智精辟地分析了兩種研究的關系。他認為，這兩種研究性質雖異，但卻存在著密切聯系。“質測”之中蘊涵著“通幾”所要探求的道理，“質測即藏通幾者也”[19]，故而“通幾”應以“質測”為基礎，否則就會成為無根空論。另一方面，“通幾”對“質測”具有指導作用，可以幫助后者克服自身的局限性和片面性，故曰“通幾護質測之窮”[20]。兩者相輔相成，不可執此廢彼。上述對哲學、科學關系的討論，是方以智思想的精華，在中國古代科學思想史上占有重要地位。

晚明科學思想中還有一個值得注意的傾向，即對數學和量化分析的重視。中國古代的數學研究曾經取得很高的成就，但到明朝前期后繼無人，趨于衰微。明朝后期，一些科學家在各自研究領域，不約而同地注意到數學和量化分析的重要性。他們的有關論述不僅推動了數學研究的復興，而且對整個自然科學領域都有指導意義。

朱載堉（1536—1611），明宗室鄭恭王朱厚烷子，仁宗朱高熾第六代孫。本為鄭王世子，得繼王爵，但他淡泊名利，辭讓王位不居，卒謚端清。朱載堉精通樂律、數學、天文歷法，著有《樂律全書》等著作共百余萬言，在科技史和藝術史上占有重要地位[21]。朱載堉在樂律研究中創建了“十二平均律”的數理理論，其中包含有大量的復雜數學運算。其所涉及不同進位制的小數換算問題，不僅詳細說明演算過程，還總結出了計算公式“律度相求口訣”。書中提到求解等比數列的方法、開平方和立方的方法，其詳盡程度都超出前人。朱載堉反復強調數學在自然科學研究當中的基礎作用。他在《樂律全書》所收《律歷融通》中說：“欲明律歷之學，必以象數為先”，“凡天地造化，莫能逃其數”，“數者，自然之用也，其用無窮而無所不通”。在《進歷書奏疏》中進而指出：“天運無端，惟數可以測其機，天道至玄，因數可以見其妙。理由數顯，數自理出，理數可相倚而不可相違。”朱載堉所說的“理”實際上就相當于科學原理、規律。在他看來，規律當中可以歸納出數據，規律也可以用數據表示。數是可以從客觀世界的運動、變化當中推算出來的，由此又可以進一步預測客觀世界未來的運動和變化。

徐光啟是晚明倡導數學研究和應用的又一重要人物。他一貫主張將數學作為科學研究的基礎，然后施用于各種有關民生日用的具體技術。他指出：“象數之學，大者為歷法，為律呂，至其他有形有質之物、有度有數之事，無不賴以為用，用之無不盡巧極妙者”；“算術者，工人之斧斤尋尺，……此事不能了徹，諸事未可易論”；“明理辨義，推究頗難，法立數著，遵循甚易”[22]。在與傳教士合作翻譯歐幾里得《幾何原本》的過程中，徐光啟學到了西方數學嚴密的邏輯推理方法，對其極為推崇。他說：“此書為益，能令學理者祛其浮氣，練其精心，學事者資其定法，發其巧思，故舉世無一人不當學。……能精此書者，無一事不可精，好學此書者，無一事不可學”；“竊意百年之后必人人習之，即又以為習之晚也”[23]。崇禎二年（1629），徐光啟上《條議歷法修正歲差疏》[24]，提出“蓋凡物有形有質，莫不資于度數”的論點，認為客觀物質世界的運動規律在本質上都可以表現為數學的函數關系。因此他提出“度數旁通十事”，舉出應用數學原理的十項具體科學領域，包括天文和氣象學、水利學、音樂、軍事工程學、會計學、建筑學、機械力學、大地測量學、醫學、計時。他希望朝廷能夠對這十項領域“接續講求”，找到較多的研究者“分曹速就”，實際上是建議成立一個包括若干專門研究機構的科學院。這種對基礎理論科學的重視以及關于基礎理論科學與其他應用科學關系的認識，已經體現出了近代科學的精神[25]。

宋應星寫作《天工開物》時，也十分強調通過實驗測取數據，用不同數據的對比關系來說明科學道理。《天工開物》共記載了130多項生產技術方面的數據，包括農業上的農時、田間管理、單位面積產量，手工業上的生產工具尺寸、材料消耗、材料配方、使用壽命、經濟效率以及不同物質的物理性能等，從而大大增強了這部著作的科學價值[26]。近代學者丁文江通過對《天工開物》的研究指出：“先生（指宋應星）之學，其精神與近世科學方法相暗合。”[27]

珠算的發展和普及，是這一時期科技史中的一件大事。中國古代進行數學演算的方式，長期以來主要是籌算。隨著商品經濟的發展，實用算術在社會生活當中的重要性日漸突出，簡化演算方式、提高演算速度的需要也愈益迫切。宋元時期，多種快速思維的運算口訣相繼出現，超出了一般籌算的速度。在結構原理和記數形式基本不變的前提下，籌算逐漸被可以撥動、機械化程度更高的珠算所代替。珠算發明的具體時間，今已不得其詳。元末陶宗儀《南村輟耕錄》卷二九“井珠”條提到了“撥之則動”的“算盤珠”[28]，說明珠算和算盤已經出現。但這一時期仍然可以見到籌算的材料。大體上從元朝到明初，是珠算、籌算并用的階段，珠算尚未完全普及。

明朝中葉，珠算運算方法、包括算盤形制、規格等等已經定型，完全取代了籌算（圖3-2）。社會上也出現了大量論述珠算算法的著作。流傳到今天的，主要有1573年成書的徐心魯《盤珠算法》、1578年成書的柯尚遷《數學通軌》、1584年成書的朱載堉《算學新說》、1592年成書的程大位的《直指算法統宗》、1604年成書的黃龍吟《算法指南》等等。朱載堉在《算學新說》中運用珠算進行開平方、開立方等復雜演算，并記述了有關口訣。通過珠算，他可以在樂律計算中準確地算到二十五位數，而且比籌算節省大量時間。不過就對社會的影響而言，最重要的珠算著作還是程大位的《直指算法統宗》。

程大位（1533—1606），休寧（今屬安徽）人，長期經商，并且喜愛數學，廣泛搜求古近數學著作，于晚年撰成《直指算法統宗》17卷。書中收錄了595個數學問題及其解法，其中大部分是從前人著述中摘錄的，但具體解法都是用珠算完成，演算過程與前人的籌算有所不同。后來程大位又將此書縮編為《算法纂要》4卷。《直指算法統宗》是一部集珠算算術大成的著作，內容系統而全面，作為應用算術書，在社會上產生了巨大影響，多次被翻印和改編。明末李之藻編譯介紹西方算術的《同文算指》，即從《直指算法統宗》中摘錄了不少應用問題，以補西算之不足。清康熙五十五年（1716）刊本《直指算法統宗》，卷首由程氏族孫程世綏作序，程世綏概述這部書的流行情況說：“風行宇內，迄今蓋已百有數十余年，海內握算持籌之士，莫不家藏一編，若業制舉者之于四子書、五經義，翕然奉以為宗。”在日本、朝鮮諸國，《直指算法統宗》也都曾廣泛流傳，深受重視。