沈括和《梦溪笔谈》

图1 沈括像

沈括（1031—1095），字存中，钱塘（今浙江杭州）人，是我国古代以博学著称的科学家。《宋史·沈括传》说他“博学善文，于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算无所不通，皆有所论著”，这是对沈括在科学领域中所取得成就的公允评价。沈括还是个有作为的政治家。在王安石的变法运动中，沈括曾担任“权三司使”（主管财政经济）、“判军器监”等重要职务，他时常出京师往各地区察访新政实施的情况，积极参加了变法运动。

沈括一生的论著甚多，仅据《宋史·艺文志》所录就有22种155卷。现在有传刻本的仅《梦溪笔谈》26卷，《补笔谈》3卷，《续笔谈》1卷，《长兴集》19卷，以及《苏沈良方》15卷等。其中《梦溪笔谈》是沈括晚年定居镇江，在梦溪园中将他一生所见所闻和研究心得以笔记文学体裁写下的著作。书中关于科学技术的条目占三分之一以上，内容涉及数学、天文历法、地理、地质、气象、物理、化学、冶金、兵器、水利、建筑、动植物及医药等广阔的领域。其中有对当时科学技术成就的十分珍贵的忠实记录，如喻皓的《木经》，毕升的活字印刷，水工高超巧合龙门的三埽施工法，冷锻瘊子甲和灌钢技术，磁针装置四法，水法炼铜法，淮南漕渠的复闸，苏州昆山浅水中筑堤法等等，还有沈括本人坚持实践、殚心竭虑、深入钻研的科学成果，是我国科技史上一部十分重要的著作。

图2 沈括亲笔题字

沈括的主要科学成就

在天文历法方面，沈括有很深的造诣。注重观测的思想贯穿于他的天文研究活动中。他主持司天监工作期间，力主在实测日、月、五星行度的基础上改进历法。他亲自推荐和积极支持精于历术的淮南人卫朴进行改历工作。于1074年修成了奉元历。沈括对五星运行的轨迹和陨石坠落时的情景，均作过翔实而生动地描述，这是他进行了认真仔细观察的结果。为测验极星与天北极的真切距离，他亲自设计能使极星保持在视场之内的窥管，并用它连续进行了3个月的观测，每夜观测3次，“凡为二百余图”，进而得到当时的极星“离天极三度有余”的结论。沈括对晷漏进行了长达十余年的观测与研究，得到了超越前人的见解，如他第一次从理论上推导出冬至日昼夜一天的长度“百刻而有余”，夏至日昼夜一天的长度“不及百刻”的重要结果。沈括坚持了“月本无光”，“日耀之乃光耳”的科学认识，并用实验的方法用“一弹丸，以粉涂其半，侧视之则粉处如钩；对视之，则正圆”形象地演示了月亮盈亏的现象。

沈括十分重视观测手段的改进，“熙宁七年（1074年）七月，沈括上浑仪、浮漏、景（影）表三仪”，分别对测量天体位置、时间与日影长短的三种天文仪器，提出了经过深思熟虑的改进意见和设计方案，对于观测精度的提高，大有裨益。

针对传统的阴阳合历在历日安排上的缺欠，沈括提出了大胆的新建议。他主张使用与农业生产关系密切的十二气历，即以“十二气为一年”，以立春为一年之始，“大尽三十一日，小尽三十日”，“一大一小相间，纵有两小相并，一岁不过一次”，这样可以做到“岁岁齐尽，永无闰余”，而把传统的月相变化的内容仅作为历注书明。沈括的这一建议既简便又科学，比起现行的公历——格列高利历还要合理。沈括的建议在当时未被采用，反而招致了一些人的“怪怒攻骂”，但他相信“异时必有用予之说者”。其后八百余年，英国气象局确使用过与十二气历十分相似的肖纳伯历，用于农业气候的统计。

在数学方面，沈括研究的课题有“隙积术”和“会圆术”等。“隙积术”是求解垛积问题，这属于高阶等差级数求和问题，他具体提到的有累棋、层坛及酒家积罂等的垛积问题，对此，沈括创立了一个正确的求解公式，并开辟了一个数学研究的新方向，其后杨辉、朱世杰等人有更进一步的研究。“会圆术”是一个已知弓形的圆径和矢高求弧长的问题，沈括推导得求弓形弧长的近似公式，元代王恂、郭守敬等人授时历中的“弧矢割圆术”就利用了这个公式。

沈括在物理学方面的成就是多方面的。在对于磁学的研究上，他对指南针四种装置方法的明确记述和所进行的优劣比较，说明他是亲自进行了观察和实验的。他发现了磁针“常微偏东，不全南也”的现象，这是关于磁偏角的最早记载，比西欧的记录要早400年左右。沈括还曾认真地作过凹面镜成像的实验，得到了较《墨经》前进一步的结果。他正确地指出“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒”。这里所谓“过此”的“此”指的是凹面镜的焦点，沈括又称之为“碍”，也就是说：物在凹面镜焦点之内时得正像，在焦点上时不成像，而在焦点之外时得倒像。沈括还试图用小孔成像的原理，解释物在焦点外成倒像的现象。虽然这一解释并不完全正确，但他认为这焦点起着相当于小孔的作用，是他在试图解释这一光学现象时取得的有识之见。

对于我国古代光学杰作透光镜，沈括也进行了细心地观测和研究。他说：“世有透光鉴，鉴背有铭文，凡二十字。字极古，莫能读，以鉴承日光，则背文及二十字，皆透在层壁上，了了分明。人有原其理，以为铸时薄处先冷，唯背文上差厚后冷而铜缩多，文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。予观之，理诚如是。”透光镜在汉代就能制造，隋唐时就有文字记载，其制造方法还传到日本，近代日本仍铸造有透光镜。关于透光镜能反射背面花纹的原因，一千多年来不断有人进行探讨，沈括以铸镜时冷却速度不同来解释，虽然不一定符合历史事实，但他的探究精神，是值得称道的。据近来的中外研究，冷却法和磨制法，均可得到透光镜的效果，但从制镜的技术史上看，较一致的看法是认为利用磨制的方法而成的。

沈括又曾作过用纸人进行共振现象的实验。共振现象早在战国时期就为人们所发现，其后人们还曾发现了一些消除共振现象的方法。沈括的实验是用简单的仪器证明弦线的基音与泛音的共振关系。他剪一个小纸人，放在基音弦线之上，拨动相应的泛音弦线，纸人就跳动，弹别的弦线，纸人则不动。这个实验比欧洲人所做的类似实验要早好几个世纪。另外，沈括还对古代扁形乐钟的机制作过有益地探讨，在乐律上也有所研究。

在地学方面，沈括也有不少贡献。1074年4月，沈括到浙东地区察访，看到“峭拔险怪、上耸千尺、穹崖巨谷”的雁荡山诸峰的地貌景观，对此，他明确提出了流水侵蚀作用的自然成因说，“原其理，当是为谷中大水冲激，沙土尽去，唯巨石岿然挺立耳”。他还认为我国西部黄土地区“立土动及百尺，迥然耸立”的地貌特征，也是同一原因造成的，为这两个不同地区的地貌情况提供了科学的说明。同年秋，沈括到河北察访，他发现在太行山麓的“山崖之间，往往衔螺蚌壳及石子如鸟卵者，横亘石壁如带”，由此他机敏地推断说“此乃昔之海滨”。他还进一步指出，此地“今东距海已近千里，所谓大陆者，皆浊泥所湮耳”，以泥沙的淤积作用正确地解释了华北平原的成因。这些都是沈括独到的见解。

1075年，沈括在观察边防地区时，曾用木屑、面糊堆捏地形，“写其山川道路”，后因天寒又改用熔蜡制作，成立体地图，既真切又便于携带，“至官所”后，沈括又把它复制成木刻的立体地图，上呈朝廷。沈括的这一方法立刻受到重视与推广，使“边州皆为木图，藏于内府”。这种立体地图的出现比西欧要早七百余年。继沈括之后，南宋的黄裳和朱熹都制作过立体地图，其中朱熹所制立体地图是用胶泥作成，比木刻简便和优越。公元1076年，沈括奉命编修天下州县图，他经过12年的不懈努力，“遍探广内之书，参更四方之论”，计绘制全国大地图1轴（12尺×10尺），小图1轴，又全国十八路图各1轴，共20轴。在制作过程中，他把州县相对方位的描述，从原先的8个方位增至24个方位；同时十分注意两地间水平直线距离——“鸟飞之数”的测算，使得州县间的相对位置更为精确可靠。沈括的这些工作，在我国地图绘制史上占有重要的地位。据研究，著名的“禹迹图”可能就是沈括绘制的，在本章第九节中，我们还要谈到它。

此外，在水利测量方面，沈括在1072年视察汴河工程时，曾实测沿河各段水平高低，测得汴京上善门起，经过840里河道至泗州淮口高低相差194.86尺。他的测量方法是临时筑堰，量出堰内外两侧水面的差数，分段筑堰，逐段记录汇总。

对于药物学，沈括的主要贡献是：根据实物，对药物名称存在的一物多名或多物一名的情况，作了证同辨异的工作，校正了前人认识上的错误，如指明杜若即高良姜，赤剑就是天麻等等；对于药物的采集和使用等方面，也多有纠谬正误之处。他又十分重视验方的收集，编成《良方》一书，在自序中说，“予所谓良方者，必目睹其验，始著于篇，闻不预焉”，采取了比较审慎的科学态度。其中“秋石方”（载《苏沈良方》卷6）记载了世界上最早的荷尔蒙制剂的制备方法。

沈括的科学成就是多方面的，其中有不少创见和新说。他之所以能达到这样高的造诣，同他所处时代科学技术的发展状况以及他本人的科学思想与治学方法有密切的关系。

沈括的科学思想和治学方法

在青少年时期，沈括就跟随他的父亲经历过许多地方。成年以后，因工作的需要，沈括涉足的地区更为广阔，使他有机会耳闻目睹人民的各种创造。更重要的是，他随时留心观察，注意探索自然界的客观规律。他又曾历任昭文馆校勘、提举司天监事、史馆检讨、集贤院校理等职，从而得以博览群书。

在对自然界客观事物的实地考察、对研究对象长期的、仔细的观测以及科学实验工作的基础上，沈括应用合理的逻辑推理的方法，即所谓“原其理”或“以理推之”，从而引出符合科学的结论。这是沈括的科学思想与治学方法的精髓所在。

沈括对人民的实践经验和创造发明给予高度的正确评价。他说：“至于技巧、器械、大小尺寸、黑黄苍赤，岂能尽出于圣人！百工、群有司、市井、田野之人，莫不预焉。”在《梦溪笔谈》中记录了不少民间的科学技术人物和成就，便是在这种正确思想的指导下进行的。

在沈括的思想中也夹杂着某些封建性的、神秘主义的糟粕。如宿命论、因果报应说之类；又如他认为“欲以区区世智情识，穷测至理，不其难哉？”带有不可知论的色彩。他对于自然科学一些问题的见解，限于当时的科学水平，还带有朴素直观的性质。这些都是历史的局限性造成的。在他的身上虽然不可避免地存在着这些缺点，但由于沈括既以博学著称，而在天文学、数学、地学、物理学等许多方面又具有很深的造诣，因此，中外学者都公认他是历史上一位卓越的科学家。

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