廖運章
(廣州大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院/數(shù)學(xué)與交叉科學(xué)廣東普通高校重點實驗室,廣東廣州 510006)
鄒伯奇(1819—1869),幼名汝昌,字一諤,號特夫、特生,又號征君,廣東南海人,是中國清末百科全書式的科學(xué)家,在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、測繪學(xué)和儀器制造等方面造詣精深,曾獨立制造中國第一臺照相機,其生前未能刊行論著,留下大量科學(xué)手稿.
清同治十三年(1874年)親友從中選出部分手稿,刊刻《鄒征君遺書》(《學(xué)計一得》二卷,《補小爾雅釋度量衡》三篇,《格術(shù)補》一卷,《對數(shù)尺記》一卷,《乘方捷術(shù)》三卷,《鄒征君存稿》一卷,《皇輿全圖》一冊,《赤道南北恒星圖》二幅),清同治十年(1871年)丁取忠把鄒伯奇《粟布算草》卷二收入其刊刻的《白芙堂算學(xué)叢書》,刊行的鄒伯奇科學(xué)著作僅此兩種,目前中國國家圖書館均有收藏.
鄒伯奇未刊行的手稿部分由其后人保存,其子鄒達泉在《鄒征君遺書》識記中說:“復(fù)有未定之書,《測量備要》二冊,《玉篇類言》五冊,《考異》一冊,以俟異日.”2009年在鄒伯奇誕辰190周年之際,鄒伯奇故里廣東南海大瀝鎮(zhèn)政府、泌沖村委會與鄒伯奇后裔共同出版《鄒伯奇遺稿》一書,披露了一些從未面世的鄒伯奇科學(xué)論著珍貴遺稿,引起學(xué)界關(guān)注,對全方位了解與評價鄒伯奇的科學(xué)貢獻,意義重大.
《鄒伯奇遺稿》為非正式出版物,由鄒伯奇殘存手稿或后人抄錄其手稿本,以及從《學(xué)海堂集》、《鄒征君遺書》、《南??h志》、友人書信著作與有關(guān)碑刻的碑文等,經(jīng)化繁體為簡體、添加標(biāo)點符號等精心整理而成,分測量備要、繪地圖說、數(shù)學(xué)物理、光學(xué)論著、征君存稿、附錄等6卷,附有序、后記、書信手跡等5張圖片,其中新面世的科學(xué)論著遺稿多在前4 卷[1].
后人保存的鄒伯奇遺物遺稿,大部分已于1954年由鄒伯奇曾孫鄒孟才捐獻給廣州博物館,該博物館于1954年將收藏的遺稿用豎行印有“廣州市文一教育用品有限公司印售(紙12)”綠格稿紙抄輯,送交鄒伯奇后裔保存,計有《測量備要》1本(本文稱 A本)、無書名但頁碼連續(xù)的輯本3本(頁碼由中國數(shù)字標(biāo)記為三至七三,七四至一二三,一二四至一三三、之后不編頁碼有59葉,本文分別稱 B1、B2、B3 本).
1962年,鄒孟才將鄒伯奇有關(guān)“攝影之器”部分散稿和實物贈給梁恒心,梁恒心的論文《鄒伯奇攝影史料初探》,使世人了解到鄒伯奇在攝影史上的杰出貢獻[2].
20世紀(jì)80年代初,著名科學(xué)史家李迪(1927—2006)先生從鄒伯奇后人處借到遺稿4本和一些散頁,其中涉及科學(xué)內(nèi)容的有3本——甲本(即上述 B2 本)、乙本和丙本[3].
現(xiàn)存的鄒伯奇未刊刻科學(xué)論著遺稿,主要由A本、B1本、B2本、B3本和乙本、丙本以及若干散頁構(gòu)成.
李迪研究了鄒伯奇的甲乙丙3本科學(xué)論著遺稿和5篇散頁,認(rèn)為:丙本為鄒伯奇之孫鄒慶麟所抄輯;甲本抄輯人不詳,“從稿紙格式判斷,大約是民國時所輯,具體年代待考”,“從編號判斷,此本之前尚應(yīng)有1本才對,其頁碼應(yīng)由1到73,但迄今未發(fā)現(xiàn)”,主要內(nèi)容為地圖測繪及一些相關(guān)件;乙本內(nèi)容最為豐富,包括地圖測繪、儀器制造、數(shù)學(xué)以及公私函件等,是鄒伯奇手稿.但李迪稱對其中“科學(xué)內(nèi)容將另有專文予以論述”,目前尚未見到詳細(xì)論及,只是1984年李迪等提到一些[4].
事實上,甲本即B2本,是無書名但頁碼連續(xù)輯本的第2本,前有B1本后有B3本,1954年廣州博物館抄輯,現(xiàn)將A本、B1~B3本標(biāo)題內(nèi)容羅列如下(加“[]”者,原無標(biāo)題,標(biāo)題為筆者所加,下同).
A本:《測量備要》(南海鄒征君遺書)封面(如右圖)、條目(備物致用、按度考數(shù)),備物致用,按度考數(shù),指南尺銘,紀(jì)限儀用法,校紀(jì)限儀鏡凡例,校紀(jì)限儀背側(cè)透光鏡簡法,畫地圖功程,度算版釋例(附馮焌光跋),[圓錐斜剖成橢圓面],圓窖斜截成橢圓算草并圖,偃矩以望高覆矩以測深臥矩以知遠論,用指南針準(zhǔn)望求平遠法,用紀(jì)限儀望人知遠法,立表測影求地緯法,測地緯度法,算太陰地半徑差法,算清蒙氣差法,測勾陳大星檢表求地緯度法,測勾陳大星定子午線法,測地經(jīng)度法,己定地緯度測太陰求地經(jīng)度法,地球經(jīng)緯方向里數(shù)互求法,合算省算法,每月十三板至十八板查行海通書例,測月距星求倫頓平時法,寶慶府志地圖說(內(nèi)附按語),畫地圖淺說,按度考數(shù),求太陽實行用對數(shù),皇輿全圖跋,新制地球正背兩面全圖序,書吳子登太史所著量田法后,比例尺.
圖1 《測量備要》封面Fig.1 The cover of CE LIANG BEI YAO
B1本(三至七三):紀(jì)限儀用法,用指南針準(zhǔn)望求平遠法,書吳子登太史所著量田法后,偃矩以望高覆矩以測深臥矩以知遠論,度算版釋例(附馮焌光跋),八線表,[勾股容方],[圓錐斜剖成橢圓面],圓窖斜截成橢圓算草并圖,格術(shù)補卷一(述古),夢溪筆談(卷十九、卷三),格術(shù)補,論鄭復(fù)光《鏡鏡冷癡》,測地緯度法,清蒙氣差表,算清蒙氣差法,測地經(jīng)度法,己定地緯度測太陰求地經(jīng)度法.
B2本(七四至一二三):地球經(jīng)緯方向里數(shù)互求法,合算省算法,[查行海通書例],立表測影求地緯法,[二十四節(jié)氣日躔表],[二十四節(jié)氣每日(一日至十五日)距赤道度表],測月距星求倫頓平時法,大清會典地圖目錄,畫地圖淺說,謹(jǐn)——奏為詳考各省邊界圖籍請,附錄張應(yīng)科林縣險要圖說,札——前任河源縣學(xué)訓(xùn)導(dǎo)陳澧等,擬廣東全省圖度,擬廣州府全圖.
B3本(一二四至一三三、之后無頁碼59葉):廣東經(jīng)緯度表,清蒙氣差法,勾陳大星四游檢表數(shù),對數(shù)較表,求自然對數(shù)較,以各對數(shù)較互求對數(shù),求十進對數(shù)根,求真數(shù)三真數(shù)七至對數(shù),以對數(shù)尺明之,亦以對數(shù)尺明之,有對數(shù)較求大小兩真數(shù)之比例,用對數(shù)開方法,十進對數(shù)表,對數(shù)開方計息,立自然對數(shù)表算例,對數(shù)階升,開方捷法,以二為積求開無量數(shù)乘方之根,求律數(shù)連比例遞加率,對數(shù)代乘法,對數(shù)代除法,對數(shù)求真數(shù)中比例法,真數(shù)求對數(shù)中比例法.
A本用綠格“稿紙(20×20)”抄輯,稿紙每葉分左面和右面,中間豎行印有“廣州市文一教育用品有限公司印售(紙12)”,每面左上格外均有“NO.……”,用于編頁碼,每葉在左面用阿拉伯?dāng)?shù)字編碼,從 NO.1 到 NO.81,共81 葉,這與 B1、B2、B3本用中國數(shù)字連續(xù)編碼不同.1954年5月16日,廣州博物館接收鄒伯奇遺物,并給鄒伯奇后人一張印有“廣州博物館”的接收遺物清單,該清單為10×10豎行無方格稿紙、中間豎行印有“廣州市文一教育用品聯(lián)營社印售(正)”,清單正文末旁注“另手抄鄒氏遺稿貳本”字樣[5].由此看來,A本《測量備要》是其中之一,而B1、B2、B3應(yīng)合為另一本.從內(nèi)容來看,B1、B2本大多數(shù)與A本相同,B3關(guān)于對數(shù)的內(nèi)容源于《乘方捷術(shù)》,B1~B3本的其余部分也都與地圖測繪有關(guān).綜上分析,筆者認(rèn)為A本、B1本、B2本、B3本是鄒伯奇《測量備要》遺稿的重要組成部分.
《測量備要》是各類文獻提及最多的遺稿,如諸可寶1886年《疇人傳三編》、1927年《清史稿·疇人列傳》卷507鄒伯奇?zhèn)鞯?,后者還給出詳盡目錄,但迄今尚未發(fā)現(xiàn)內(nèi)容和目錄完全匹配的《測量備要》,其仍是“未定之書”.《測量備要》是否完稿、究竟包含哪些具體內(nèi)容等諸多疑問,學(xué)界鮮有深究.
A本是目前發(fā)現(xiàn)標(biāo)注《測量備要》書名的唯一遺稿,其目錄與《清史稿》羅列的目錄幾乎相同,只是“厚紙簿”、“檢數(shù)之書”、“展縮比例規(guī)”分別改為“蕃紙簿”、“檢核書”、“交連比例規(guī)”,同時增加“海目高差表”而已.應(yīng)該說,這就是《測量備要》勘定的內(nèi)容標(biāo)題.但A本并未按卷布列,所謂《測量備要》“四卷”、“二卷”等說法,目前尚無出處,鄒達泉的“《測量備要》二冊”較為合理.
從具體內(nèi)容設(shè)置看,A本對“備物致用”中的各種測量工具用途做了簡要說明,如“風(fēng)雨針,用以計山之高數(shù)(山高百尺降一分,故能知其高)”、“平水準(zhǔn),此器宜買洋貨,自難制造,用以較正置器之平”、“八線表、八線對數(shù)表,以備算三角法檢表所用”、“展縮比例規(guī),用以縮小地圖”等,舉例說明紀(jì)限儀、度算版等的原理和用法;對“按度考數(shù)”,只是概要提及“分圖畫方計里,以分率量遠,以指南尺定準(zhǔn)望,布置畢加入經(jīng)緯線于上,以備入總圖,總圖以經(jīng)緯線間格,據(jù)各方分圖勘入”,其中“測算”涉及的三角測量知識,尤為詳盡,如測量廣州大南門城樓、鎮(zhèn)海樓和潯岡頂?shù)木嚯x等.然而,對于“檢數(shù)之書”、“明數(shù)”、“步量”、“布圖”等,A本論及不多,還有一些題跋、書序等,雖不在目錄之列,卻和《測量備要》的主題——地圖測繪相關(guān)度高,且大多是行測繪圖的基本原理,極富重要的科學(xué)價值.
值得注意的是,B1本的八線表(4頁)、清蒙氣差表(2頁),B2本的各種圖,B3本的廣東經(jīng)緯度表(8頁)、勾陳大星四游檢表數(shù)(4頁)、對數(shù)較表(7頁)、十進對數(shù)表(4頁)、對數(shù)尺等,卻與“檢數(shù)之書”密切相關(guān);對于以“明數(shù)”、“步量”、“布圖”為題名或標(biāo)題展開內(nèi)容敘述的遺稿,目前未曾發(fā)現(xiàn),不過,相關(guān)內(nèi)容在其他遺稿散頁作了闡述,如在“輿圖局飭發(fā)各廳州縣繪圖章程”中說“一審方向……一量遠近……一記彎曲……一量水道……一列島嶼……一定準(zhǔn)望……一分司都……一定方里……一準(zhǔn)定分率……一明繪畫……一酌伸縮”,影求燈之法、量水計重法、水量碎物計積法、量算炮彈子法、鑊形求積術(shù)、鼓形求積術(shù)、圭田求積法等,對長度、面積和體積的量算予以說明.
綜合現(xiàn)存文獻,筆者認(rèn)為,《測量備要》整體架構(gòu)既定,條目(即目錄)所列標(biāo)題即是其內(nèi)容范疇,主體內(nèi)容“備物致用”以及“按度考數(shù)”中的“測算”基本完成,“檢數(shù)之書”不完備、“明數(shù)”、“步量”、“布圖”內(nèi)容缺失(隸屬于其他遺稿),具體內(nèi)容布局零散、與目錄不全相符,全書前后銜接不暢,尚未整體完稿.究其原因,編著《測量備要》是為測繪廣東省地圖做準(zhǔn)備,鄒伯奇在《與馮竹儒帖》中說,“余則自上年(同治三年、1864年)正月郭(嵩燾)撫臺延請開局繪廣東地圖……,初余欣然欲教人行測,頗購諸器,又搜求番字沿海之圖……又得番字行海洋歷……可據(jù)以測定隨地經(jīng)緯矣.乃絕無過而問之者,余亦手足疲倦,不任遠行,但玩過日而已.所為圖,但守候州縣造送,而方向道里,了無解者,輾轉(zhuǎn)斗湊,實難密合.同事趙子韶初秋夭折,煩懣之極……,幸有招毅生多聞多見,日夕往來,講求測量,多所擬作.惟工料無資措給,托諸空言,亦殊未快.”可見其欲用科學(xué)測量方法繪制一幅精密的廣東地圖,但事與愿違,最終只是傳統(tǒng)的“州縣造送”,《測量備要》未能定稿也就在所難免.
鄒伯奇擅長測繪,21歲(1840年)制造風(fēng)雨針和指南尺,25歲(1844年)按經(jīng)緯線繪制《皇輿全圖》、研制成攝影器用于地圖測繪,直至1869年卒于廣東地圖測繪局任上,大半生醉心于地圖測繪研究與實踐,并取得豐碩成果,《測量備要》就是其中的代表.
盡管清同治三年至五年繪制廣東地圖,未能按鄒伯奇《測量備要》及其經(jīng)緯測繪地圖之法開展實地測量以繪制地圖,但鄒伯奇及其弟子羅照滄、孔繼藩、鄒景隆(琎)、梁清等卻將這種當(dāng)時最先進的繪制地圖法用于家鄉(xiāng)南海、省城廣州等地的地圖測繪,跋山涉水、風(fēng)餐露宿、周行邑境,精心繪制而成《南??h境全圖》、《南??倛D》、《省城圖》等大量地圖,踐行“繪地之法較算天尤難,算天可安坐而推,繪地必舉足親歷”的繪圖理念.
鄒伯奇對地圖測繪的研究,核心思想主要蘊含于其《測量備要》及其相關(guān)遺稿中,突出成就體現(xiàn)在以下幾方面.
(1)闡釋經(jīng)緯測繪地圖的基本原理和方法,并用之于繪圖實踐.明末(1584年)意大利傳教士利瑪竇最早將西方經(jīng)緯度測量技術(shù)、經(jīng)緯網(wǎng)格地圖繪制方法介紹到中國,這在當(dāng)時對中國的士大夫來說僅僅是一種新奇的東西,并沒有當(dāng)作新技術(shù)加以推廣[6];清初康熙四十七年至五十七年(1708—1718),由耶穌會士參與,首次使用西方測量方法、按經(jīng)緯度投影繪制的《皇輿全覽圖》,是中國首次以實測經(jīng)緯度為基礎(chǔ)、以經(jīng)緯度分幅方法繪制的地圖,之后的雍正《皇輿十排全圖》、乾隆《內(nèi)府輿圖》均采用此法繪制[7],然而這些當(dāng)時科技含量高的地圖,因定為內(nèi)府秘籍,很少外傳,加之囿于諳熟西方經(jīng)緯測繪地圖的技術(shù)人才后繼乏人、測繪方法又無文字記載說明等,引入的西方測繪技術(shù)未對我國傳統(tǒng)地圖測繪產(chǎn)生推動性影響[8],地圖繪制主流依然是傳統(tǒng)的計里畫方形象畫法,時有出現(xiàn)采用畫方和經(jīng)緯度并舉的方法;清末魏源《海國圖志》(1841年)中的各國地圖,雖完全脫離中國傳統(tǒng)的計里畫方,采用經(jīng)緯度控制方法,且與《皇輿全覽圖》以過北京的子午線為起始零點不同,但只是摹繪而成,不考究其中原理和方法[9].鄒伯奇吸收西方經(jīng)緯測繪地圖技術(shù),改計里畫方法為經(jīng)緯線繪制法,認(rèn)為“地圖以天度畫方,至當(dāng)不易,然地本為圓體,經(jīng)緯相交皆為正角,而寫于平面,以經(jīng)緯為直線,至邊地則成斜方之形矣”,道出如何將地球表面(曲面)表示在地圖平面的地圖投影原理,并用“以圓繪圓”、以經(jīng)緯度分幅方法繪制了《皇輿全圖》(總圖1幅、分圖66幅);同時指出,“畫地圖,不可遽為總圖也.初稿先從一處起畫,以數(shù)寸為一里,以次接畫毗連各處,接續(xù)既廣,乃縮臨為總圖.”著名學(xué)者陳澧在《鄒特夫地圖序》中說,“地圖有經(jīng)緯,古未聞也.自康熙朝,內(nèi)府地圖始也,緯線橫,經(jīng)線中直而旁斜.……斜線非斜也,欲使近赤道者廣,近北極者狹也,地圓之理也.吾友南海鄒特夫,乃一變之為總圖,經(jīng)緯皆作弧線為分圖,每幅皆下廣上狹,和地圓之形,自有地圖以來無如.”
(2)論證了地圖投影中的三種透視方位投影:正射投影、球心投影(日晷投影)和球面投影.鄒伯奇在《新制地球正背兩面全圖序》中,稱“地形渾圓,上應(yīng)天度,經(jīng)緯皆為圓線.作圖者繪渾于平,須用視法調(diào)劑,方不至大失形似.然視法有三,皆為畫圖之用.其一在圓外視圓,法用正弦……,其一在圓心視圓,法用正切……,其一在圓周視圓,法用半切線……”用現(xiàn)代地圖投影的平面極坐標(biāo)公式表示,即是ρ=RsinZ且 δ=α,ρ=RtanZ與 δ=α,ρ=2Rtan和δ=α,其中R為地球半徑、點(ρ,δ)的天頂距Z和方位角 α[10].
(3)運用地球橢球扁率,精確計算經(jīng)緯線弧長,乃中國首創(chuàng)、國際領(lǐng)先.鄒伯奇在給梁清的一封書信中說,“今擬量畫南海地圖,俱以工部尺為準(zhǔn).……地球赤道經(jīng)二萬二千九百一十八里四四,二極經(jīng)二萬二千八百四十一里八七,以橢圓曲率算之,南海地在赤道北二十三度,其緯度一度相距應(yīng)一百九十九里四六,經(jīng)度一度相距應(yīng)一百八十四里一0一.南北境界相距津四十分經(jīng)度,闊應(yīng)增減萬分之三十七,今攤?cè)霑鴥?”鄒伯奇很有見地地認(rèn)為地球是一個橢球體,兩極扁平,極半經(jīng)小于赤道半經(jīng),測算時應(yīng)考慮地球扁率,以其提供的上述數(shù)據(jù)、用現(xiàn)代扁率公式α=(a、b分別是赤道半經(jīng)和極半經(jīng))計算,易知鄒伯奇得到的地球扁率為 1/299.31(其 中a=22 918.44/2=11 459.22、b=22 841.87/2=11 420.935),與同時代的埃弗勒斯1830年的1/300.80、白塞爾1841年的1/299.15、埃利1849年的1/299.32、克拉克I1966年的 1/294.98 等結(jié)果相近[11],和當(dāng)代用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)推算的1/298.26也較接近;如若用現(xiàn)代卯酉圈的曲率半徑公式N=與緯線弧長公式(其中第一偏心率、緯度B、經(jīng)度差l、ρ°=180°/π),不難求出南海經(jīng)度差為一度的緯線弧長是184.181(里),與“一百八十四里一0一”相符(計算小誤差),說明鄒伯奇當(dāng)時已完全掌握地圖投影的數(shù)學(xué)原理,難能可貴.
(4)揭示攝影測量原理,為以攝影之器測繪地圖奠定理論基礎(chǔ).鄒伯奇在其文《攝影之器記》中寫到,“畫地圖之法,余常制為攝影之器.以木為箱,前面開孔置中高鏡,中張一凈白簿紙,后面為門.將此器前面向所欲繪之處,以黑布蔽后面,開門視之,則此地諸物悉見紙上,形色位值不失毫厘.以彩筆摹之,則為平遠山水一幅,又移別位復(fù)摹一幅,以二幅各較其差角(以所繪各地距鏡心之遠近高下求之),即得各地之遠近,可以畫為平面圖矣.變而通之,其用不窮,亦快事也.”其中不但記錄研制攝影之器的目的(以攝影術(shù)測繪地圖)及其構(gòu)造原理,更重要的是剖析了攝影測量的前方交會原理,與現(xiàn)代攝影測量學(xué)教科書中的描述無異,即在空間物體前的兩個已知位置左攝站S1、右攝站S2,用攝影機攝取兩張影像左影像p1、右影像p2,然后在室內(nèi)利用攝影測量儀器量測定左右影像上的同名點(空間同一個點在左右影像上的像點)a1、a2的影像坐標(biāo),攝影光線S1a1與S2a2交會即得空間點A的空間坐標(biāo),從而由點及面利用影像重構(gòu)空間三維物體模型.鄒伯奇1844年最先設(shè)計以攝影術(shù)測繪地圖的方法,并約略與歐洲同時以攝影法作實地測繪[12].
《測量備要》遺稿是鄒伯奇一部論及運用經(jīng)緯法繪制地圖原理和方法的著作,尚有許多亟待挖掘、解讀的珍貴測繪史料,筆者將在后續(xù)的研究中予以探討.比如,研究發(fā)現(xiàn),利瑪竇所制的《山海輿地全圖》、《坤輿萬國全圖》均采用一種偽圓柱投影,并曾繪制過方位投影的東西半球圖[13],康熙銅版《皇典全覽圖》采用的是“正弦曲線等面積偽圓柱投影”(即著名的“桑遜投影”)[14],而鄒伯奇繪制的《皇輿全圖》究竟采用何種地圖投影法,從現(xiàn)有史料看可能是一種橫軸球面投影,有待考證;又如,在晷影測量中,“國朝晷影堂之法,則于表端置銅片,開小孔,使漏光于圭面,成橢圓形,北為日下邊影,南為日上邊影.伯奇嘗仿此二術(shù),精心測量窺幾之下,現(xiàn)出小圓光亦為橢形面,而圓心非即日心.”鄒伯奇訂正前人“圓錐心為日心”之誤,“再設(shè)數(shù)核之”,數(shù)學(xué)上的詳細(xì)證明,就記載在新面世的《測量備要》A本遺稿里,需進一步分析研究,等等.
致謝:鄒伯奇玄孫鄒忠廉先生提供的珍貴歷史文獻!
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