秦国工匠挑战数学难题

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  举世公认的“数学王子”只有一个,就是著名的德国数学家、物理学家、天文学家、大地测量学家卡尔·弗里德里希·高斯。他在19岁那年(1796年)发现了正十七边形的尺规作图法,创造了数学史上的奇迹,这是他对科学的伟大贡献之一。
  早在公元前1世纪的西汉中期,《周髀算经》就提出了用尺规进行几何作图的问题,其“卷上”载:“万物周事而圆方用焉,大匠造制而规矩设焉。或毁方而为圆,或破圆而为方。”查四百余年两汉连弧镜的圆周等分,从3至33,包括素数在内,有序不缺。
  拙著《秦镜文化研究》(上海书画出版社,2018年8月)完全证明了汉承秦制的论断。在书中的216个图例中,有连弧镜63面,占全书29.2%,其中包括了20以内的所有素数。素数的定义为:一个大于1的正整数,除了1和它本身以外,不能被其他正整数整除,即为素数,又可称质数。迄今所知,除数字17外,凡素数皆不能用尺规来进行几何作图。今天我们仍然做不到的事,秦国工匠却早已在挑战这些数学方面的世界难题,我们不能不表示钦佩。
  我们在中国古代郊祀歌词中,经常会看到一些具有特殊含义的数字,而且多与帝王及其天命结合在一起。如魏晋时期(无名氏)的《帝临》曰:“帝临中坛,四方承宇。绳绳意变,备得其所。清和六合,制数以五。海内安宁,兴文匽武。后土雷媪,昭明三光。穆穆优游,嘉服上黄。”
  本文取《秦镜文化研究》中的五个图例,来具体了解秦国工匠进行数学挑战的实例。详见表一以及图1至图5。
  图1涡云地七连弧镜
  有一块涡云纹的秦瓦当(详见《秦镜文化研究·秦镜涡云纹研究》图1),其涡云纹定名,为秦镜地纹的命名提供了重要依据,可以一改过去作“云纹”“卷云纹”“勾云纹”等不统一的称谓。秦镜连弧纹数字,以七、八为多,且其存世量不分伯仲,这种情况一直传承至西汉早期。到了景武之际的花瓣镜与草叶镜,就成了一统天下的十六连弧,这是后话。
  图2勾连地十一连弧三龙雷合形镜
  觀此龙纹异常华美,且呈“龙雷合形”之状,详见本书《秦镜菱雷纹研究》。龙躯下方可见一足,着力于钮座外缘之弦纹上,富有韵律和动感。龙首造型简洁、龙目细长、龙口开张,唯有龙的上下颔用状如灵芝的纹样装饰;依同样的装饰手法,龙尾同样以花草的藤蔓和花叶等进行构图,线条饱满灵动。龙躯的菱雷纹之上有状如鳞羽或是龙翼的纹样飘扬,给整体增加了飞扬、灵动之感。龙躯之下有一足鼎立,似撑起全部龙身,却毫无负重之感。纹样整体犹如神龙在飞动之中穿越雷纹而过之一瞬间,动静、虚实相结合,美轮美奂。
  《止水阁藏镜》图25系为同类镜,直径20.5厘米,重量430克。
  图3云雷地十三连弧四叶四龙镜
  此组龙纹可见龙躯居中而设,龙首侧视、上昂,似仰天长啸作龙吟状,可见上下龙颔大张,露出尖锐的龙牙;龙颈反转呈C形;龙肢并龙爪左右分开,一肢朝上,一肢朝下,粗壮且有力,起到了稳定画面重心的作用。龙翼向龙身两侧张开,末端向内弯曲形成涡卷结构,龙翼其上有龙羽飞扬,似有腾挪飞动之感。此镜与陕西历史博物馆所藏之十三连弧镜为同类器物。
  图4素地十七连弧方花纹四凤三龙一虎镜
  此镜方花纹外四凤皆身形硕大,展翅翱翔。奇特之处在于凤头甚小,眼珠突出。方花纹内四兽实为三龙一兽,左、右、下方三龙均呈龙行虎步状,上方一兽显为虎豹之形。此镜有三个明显特点。其一,在诸多方花纹镜系列的地纹中,唯此镜为素地。其二,直径是东周尺(23.10厘米)的标准12寸(误差-0.8%)。其三,17等分圆周问题在数学史上非常著名,德国大数学家高斯于1796年3月30日发现了正十七边形的尺规作图方法,从而使他下定决心终身从事数学研究工作。此镜挑战作图17连弧的年代,比高斯的伟大创造要早了两干多年。《汉广陵国铜镜》图1系为十七连弧圈带镜,直径18.5厘米。
  图5涡云地十九连弧方花纹凤鸟镜
  此镜两组凤鸟主纹,内区较大,外区稍小。《史记·秦本纪》曰:“秦之先,帝颛顼之苗裔孙日女修。女修织,玄鸟陨卵,女修吞之,生子大业。……大费拜受,佐舜调训鸟兽,鸟兽多驯服,是为柏翳。舜赐姓赢氏。”
  此镜有着秦镜烙印之涡云纹地,由此可知,此器属秦镜当是毋庸置疑。此镜直径为东周尺之整11寸(误差+0.4%),在二十年前,由台北藏家购于甘肃天水,这里正是秦国的发祥之地。
  寻觅多少年,有等分数字为素数的秦汉连弧镜,皆可谓是凤毛麟角、见之不易。分析其原因,必是铸制难度较大。除了表一以外,经不完全统计,其有依据的存世量仅在10面上下,详见表二。
  数学是一门并非人见人爱的学科。然而,两千多年前的秦国工匠们,却将有关的数学知识实践于铜镜文化之中,使数学贴近生活,让数学变得有趣。与此同时,他们亦对世界数学史,作出了应有的一份贡献。笔者期盼通过本文,推进人们对中国传统文化的了解、关爱、赞美、传播。
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