早期的人们并不全都满足于用神话来解释自然。一些富于探索精神的人开始用一种理性的态度去了解自然世界。经过长期的观察，他们逐渐积累了大量有系统的知识。因此，不少古文明在天文、地理、历法、数学（尤其是几何学）、冶金、建筑和农业等各个方面都获得了很大的发展。

人类的古代文明主要发源于地球的北半球，在欧亚大陆的温带地区。这些文明可以大致分为两个重要的板块^[1]：一个是在欧亚大陆东方的中国地区；另一个是在欧亚大陆的西方，包括两河流域和地中海沿岸（我们也可以称之为“泛地中海地区”）。由于地理的隔阂，这两大板块的文明在早期基本是独立发展的。19世纪以前，这两个地区很少有直接的互动。

让我们先回顾一下东方文明在科学上的发展。中国有文字记载的历史据说有5000年。不过在此之前，生活在这个地区的人很早就已经开始利用自然了。中国经历过旧石器时代、新石器时代和青铜器时代。在3000多年前周朝建立时，中国就已经形成了一个高级的农业社会。通过对于日月运行的观测，人们已经可以制定一套相当准确的历法。由于农业的需要，中国人很早就修建了一些有规模的水利工程。在春秋战国时期，人们对了解自然的学问非常重视，例如在儒家的经典《大学》里，就提出了“格物、致知、诚意、正心、修身、齐家、治国、平天下”的治学程序。所谓“格物致知”就是从观察事物中找出自然的规律。中国人很早就已经提倡了科学的精神。

在春秋战国时期，中国处于百家争鸣的时代。不同的学者提出了不同的学说，互相较量。这情形有点类似于欧洲同一时代的希腊城邦社会。不过，这种活跃的学术气氛到秦统一中国以后就再难以复见了。

在古代的中国，对自然现象有相当深入的研究。据《史记》记载，在尧帝的时候，就已经设立了专职的天文官。在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中，就已有许多关于天文观察的记载。在中国古代的文献里，很早就出现了有关二十八宿的天文描述。我国古代在创制天文仪器方面，也做出了出色的贡献。我国最早的天文仪器大概是土圭（又称“圭表”），是用来度量日影长短和角度的日晷。西汉的落下闳制成了我国古代测量天体位置的仪器“浑仪”。东汉的张衡创制了世界上第一架利用水力推动的“浑象”（又称“浑天仪”）（见图1.5）。

图1.5　古代中国的天文观测仪器(www.daowen.com)

古人使用日晷（左图）来量度日影的长短和角度，从而知道时间和季节。浑仪（右图）是用来测量不同天体位置的仪器。均在汉代已有记载。

在古代各大文明中，中国在数学上的发展曾经是领先的。中国的传统数学称为算学，据说起源于仰韶文化，距今已有5000余年历史。在周公时代，“数”是当时训练学者的六艺之一。根据李约瑟（Joseph Needham）的研究：十进位制在公元前1400年的中国商代就已经出现。比同时代的巴比伦和古埃及的数字系统更为先进。早在公元前2世纪，中国就已经出现了一本《九章算术》的数学著作。这本书列出了开平方、开立方等计算方法，提出了正负数的概念。西汉的张苍、耿寿昌增补和整理了《九章算术》，更详细地说明了开平方、开立方和求解线性方程组的算法。

西汉时候出现的《周髀算经》记载了许多汉代的数学成就，包括几何学里重要的勾股定理。汉代的张衡不但是著名天文学家和物理学家，也是一位数学家。他发现圆周率的值接近3.15。随后的刘徽把这个值近似到 3.14。到了公元5世纪，祖冲之更在数学上做出了出色的成就。他所推算的圆周率可以准确到小数点后7位。

对于历法的制定，中国的古人尤其先进。在战国年间，中国人已经编制了6种不同的古历法。目前已知的第一部最完整的历法，是汉武帝年间（前2世纪）由邓平、唐都、落下闳及司马迁等制定的《太初历》。其规定一年为365+（385/1539）日；一个月为29+（43/81）日；一年为12个月，每19年有7个闰月。当时还清楚地列出了二十四节气的概念。二十四节气主要是根据日晷反映出的太阳的运动规律制定的。每年日影最长的那天称为“冬至”，日影最短为“夏至”。在春、秋两季各有一日其昼夜时间长短相等，分别定为“春分”和“秋分”。而其他的一些节气则根据季节变化做出相应的规定。

中国古人为何对日月运行的规律掌握得如此准确？主要是因为当时的中国已经是一个高级农业社会，在耕作上需要配合季节的变化。还有，古人认为天象的变化可能与世间的大事有一定的关联，所以他们很认真地研究和记录天文的现象。