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沈括

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沈括(1031~1095年),字存中,号梦溪丈人,北宋浙江杭州钱塘县(今浙江杭州)人,汉族。北宋科学家、政治家。仁宗嘉佑进士,后任翰林学士。一岁时南迁至福建的武夷山、建阳一带,后隐居于福建的尤溪一带。仁宗嘉祐八年(1063年)进士。神宗时参与王安石变法运动。熙宁五年(1072年)提举司天监,次年赴两浙考察水利、差役。熙宁八年(1075年)出使辽国,驳斥辽的争地要求。次年任翰林学士,权三司使,整顿陕西盐政。后知延州(今陕西延安),加强对西夏的防御。元丰五年(1082年)以宋军于永乐城之战中为西夏所败,连累被贬。晚年在镇江梦溪园撰写了《梦溪笔谈》。我国历史上最卓越的科学家之一。精通天文、数学、物理学、化学、地质学、气象学、地理学、农学和医学。他还是卓越的工程师、出色的外交家。沈括

书香世家

天圣九年(1031年),沈括出身于浙江钱塘(今浙江杭州市)一官僚家庭。他的父亲沈周(字望之)曾在泉州、开封、江宁做过地方官,祖父曾任大理寺丞,外公许仲容曾任太子洗马,舅舅许洞是咸平三年(1000年)进士。母亲许氏,是一个有文化教养的妇女。

自幼好学

他自幼勤奋好读,在母亲的指导下,十四岁就读完了家中的藏书。后来他跟随父亲到过福建泉州、江苏润州(今镇江)、四川简州(今简阳)和京城开封等地,有机会接触社会,对当时人民的生活和生产情况有所了解,增长了不少见闻,也显示出了超人的才智,十八岁至南京,对医药产生兴趣。

皇祐二年(1050年),沈周知明州(宁波),沈括借居苏州母舅家。沈括从许洞的著作与藏书中得益甚多。沈括少年时体弱且练字过度而“病目昏”,从苏州表兄许复讨教得知疗法,“未尽一剂而瘥”,他就把此方抄下后录入《苏沈良方》卷2,“与人莫不验”。

蒙恩入仕

皇祐三年(1051年),沈周去世,3年后,沈括以父荫入仕,任海州沭阳县(今属江苏)主簿,修筑渠堰,开发农田,颇有政绩。

嘉祐六年(1061年),任安徽宁国县令,倡导并发起了修筑芜湖地区万春圩的工程,并撰写了《圩田五说》、《万春圩图记》。

嘉祐八年(1063年),三十三岁考中进士,被任命做扬州司理参军,掌管刑讼审讯。治平三年(1066年),被推荐到京师昭文馆编校书籍。在这里他开始研究天文历算。

熙宁二年(1069年),王安石被任命为宰相,开始进行大规模的变法运动。沈括积极参与变法运动,受到王安石的信任和器重,担任过管理全国财政的最高长官三司使等许多重要官职。

熙宁五年(1072年),兼任提举司天监,职掌观测天象,推算历书。接着,沈括又担任了史馆检讨。

熙宁六年(1073年)做集贤院校理。因职务上的便利条件,他有机会读到了更多的皇家藏书,充实了自己的学识。在此期间,撰写了《浑仪议》、《浮漏议》、《景表议》、《修城法式条约》、《营阵法》。还多次出使,视察了很多地方。

熙宁八年(1075年)以翰林侍读学士的身份,出使契丹交涉划界事宜,获成而还。他在出使途中绘记了辽国山川险阻及风俗人情,成《使虏图抄》,上于朝廷。

熙宁九年(1076年)任翰林学士,权三司使。王安石变法失败,沈括因为受到牵连以及诗案败露等原因,照例出知宣州(今安徽省宣城一带)。

熙宁十年(1077年),沈括出任宣州知州(今安徽宣城)。

元丰二年(1079年),爆发乌台诗案,因政治立场不同,曾出面指责苏轼

元丰三年(1080年),为抵御西夏,改知延州(今陕西省延安一带),兼任鄜延路经略安抚使。

问责被贬

元丰五年(1082年),升龙图阁直学士。但是不久又因为与给事中徐禧、鄜延道总管种谔、鄜延道副总管曲珍等人贪功冒进,不听随行内侍李舜举劝告,在死地筑城,酿成永乐城惨败,损失军人2万,民夫无算,高永亨、李舜举等都壮烈牺牲,并使得平夏城大捷以后良好的统一形势被葬送。此事沈括虽非首罪,但他毕竟负有领导责任,加之在战役中救援不力,因此被贬为均州(今湖北省均县)团练副使,随州安置,从此形同流放,政治生命宣告完结。

元祐二年(1087年),他完成了在熙宁九年即已奉命编绘的“天下郡县图”,定名为《守令图》,被特许亲自到汴京进呈。

归隐病逝

元祐三年,沈括移居到润州(今江苏镇江市东面),将他以前购置的园地,加以经营,名为“梦溪园”,在此隐居,八年后即宋哲宗绍圣二年(1095年)去世。他一生著作多达几十种,但保存的,除《梦溪笔谈》外,仅有综合性文集《长兴集》和医药著作《良方》等少数几部了。《梦溪笔谈》是中国科学史上的坐标,是沈括一生社会和科学活动的总结,内容极为丰富,包括天文、历法、数学、物理、化学、生物、地理、地质、医学、文学、史学、考古、音乐、艺术等共600余条。其中200来条属于科学技术方面,记载了他的许多发明、发现。

主要成就

兴修水利

沈括早在任沭阳县主簿的时候,就主持了治理沭水的工程,组织几万民工,修筑渠堰不仅解除了当地人民的水灾威胁,而且还开垦出良田七千顷,改变了沭阳的面貌,在任宁国县令的时候,他倡导并且主持在今安徽芜湖地区修筑万春圩,开辟出能排能灌、旱涝保收的良田一千二百七十顷,同时还写了《圩田五说》、《万春圩图书》等关于圩田方面的著作。

熙宁五年(1072年),沈括主持了汴河的水利建设。为了治理汴河,沈括亲自测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸共八百四十多里河段的地势。他采用“分层筑堰法”,测得开封和泗州之间地势高度相差十九丈四尺八寸六分。这种地形测量法,是把汴渠分成许多段,分层筑成台阶形的堤堰,引水灌注入内,然后逐级测量各段水面,累计各段方面的差,总和就是开封和泗州间“地势高下之实”。仅仅四五年时间里,就取得引水淤田一万七千多顷的成绩。在对地势高度计算时,其单位竟细到了寸分。

发现石油

沈括在书中读到“高奴县有洧水,可燃”这句话,觉得很奇怪,他决定进行实地考察。考察中,沈括发现了一种褐色液体,当地人叫它“石漆”、“石脂”,用它烧火做饭,点灯和取暖。沈括弄清楚这种液体的性质和用途,给它取了一个新名字,叫石油。

胆水炼铜

沈括随父亲居住在福建泉州时,就听说江西铅山县有一泓泉水呈青绿色、而且很苦,当地村民称为“胆水”,“胆水”就是硫酸铜溶液。村民将“胆水”放在铁锅中煎熬,就生成了“胆矾”。“胆矾”就是硫酸铜,硫酸铜在铁锅中煎熬,与铁产生了化学反应,就析出了铜。他对这一传说很感兴趣,于是就不远千里来到铅山县,看到了村民“胆水炼铜”的过程,并在《梦溪笔谈》中记录下来。

绘制地图

在长达三十余年的官宦生涯中,沈括很注重考察国家山河特点,形成了他的地理学说。他考察了浙江的雁荡山并提出雁荡山的凌空巨石是雨水千百年冲刷的结果,他考察了黄河三角洲并提出三角洲是黄河泥沙堆积而成的。他还有一大创造,就是用“飞鸟图”绘制了“大宋天下郡守图”,使得北宋的地图越来越精确。在宋代,由于测绘技术的局限,绘制地图用的是“循路步之”法,也就是沿路步行丈量,用步行得出的数据绘制地图,由于道路弯弯曲曲,山川高低错落,用“循路步之”法绘制的地图与实况有很大的误差,图上差之一厘,实地就差之千米。他采用“飞鸟图”也就是“取鸟飞之数”,用的是飞鸟直达的距离,有点像航空拍摄,使得地图的精确度大为提高。他的地理学说与《大宋天下郡守地图》在与辽国的边界谈判中发挥了重要作用。

天文方面

熙宁五年(1072年),沈括负责汴河水建设时,还负责领导司天监,先后罢免了六名旧历官,不计出身,破格推荐精通天文历算、出身平民的淮南人卫朴进入司天监,主持修订新历的重要工作。沈括和卫朴治学态度认真,对旧历官凭借演算凑数的修历方法非常不满,主张从观测天象入手,以实测结果作为修订历法的根据。为此,沈括首先研究并改革了浑仪、浮漏和影表等旧式的天文观测仪器。

浑仪是测量天体方位的仪器。经过历代的发展的演变,到宋朝,浑仪的结构已经变得十分复杂,三重圆环,相互交错,使用起来很不方便。为此,沈括对浑仪作了比较多的改革。他一方面取消了作用不大的白道环,把仪器简化、分工,再借用数学工具把他们之间的关系联系起来;另一方面又提出改变一些环的位置,使它们不挡住观测视线。沈括的这些改革措施为仪器的发展开辟了新的途径。后来元朝郭守敬于元世祖至元十三年(1276年)创制的新式测天仪器——简仪,就是在这个基础上产生的。

漏壶是古代测定时刻的仪器,由几个盛水的容器装置成阶梯的形式,每一容器下侧都有孔,依次往下一容器滴水漏水。最下面的容器没有孔,里面装置有刻着时间标度的“箭”,随着滴漏水面升高,“箭”就慢慢浮起,从显露出来的刻度可以读出时刻。沈括对漏壶也进行了改革。他把曲筒铜漏管改做直颈玉嘴,并且把它的位置移到壶体下部。这样流水更加通畅,壶嘴也坚固耐用多了。

此外,沈括还制造了测日影的圭表,而且改进了测影方法。

沈括在《浑仪议》、《浮漏议》和《景表议》等三篇论文中介绍了他的研究成果,详细说明改革仪器的原理,阐发了自己的天文学见解,这在中国天文学史上具有重要的作用。

沈括和卫朴的一系列革新活动遭到守旧势力的攻击和陷害。在沈括和卫朴的斗争下,卫朴主持修订的奉元历终于在熙宁八年(1075年)修成颁行。但是,由于守旧势力阻挠和破坏,奉元历只实行了十八年就被废止了。但是沈括并不因此而灰心,在晚年又进一步提出了用“十二气历”代替原来历法的主张。中国原来的历法都是阴阳合历,而“十二气历”却是纯粹的阳历。它以十二气作为一年,一年分四季,每季分孟、仲、季三个月,并且按节气定月份,立春那天算一月一日,惊蛰算二月一日,依此类推。大月三十一天,小月三十天,大小月相间,即使有“两小相并”的情况,不过一年只有一次。有“两小相并”的,一年共有三百六十五天;没有的,一年共三百六十六天。这样,每年的天数都很整齐,用不着再设闰月,四季节气都是固定的日期。至于月亮的圆缺,和寒来署往的季节无关,只要在历书上注明“朔”、“望”就行了。沈括所设计的这个历法是比较科学的,它既符合天体运行的实际,也有利于农业活动的安排。他预见到他的这一主张必定会遭到守旧派的“怪怒攻骂”,极力阻挠,而暂时不能实行,但是,他坚信“异时必有用予之说者”。

物理

《梦溪笔谈》中所记载这方面的见解和成果,涉及力学、光学、磁学、声学等各个领域。他对磁学的研究在《梦溪笔谈》中第一次明确地谈到磁针的偏角问题。在光学方面,沈括通过观察实验,对小孔成像、凹面镜成象、凹凸镜的放大和缩小作用等作了通俗生动的论述。他对中国古代传下来的所谓“透光镜”(一种在背面能看到正面图案花纹的铜镜)的透光原因也做了一些比较科学的解释,推动了后来对“透光镜”的研究。此外,沈括还剪纸人在琴上做过实验,研究声学上的共振现象。沈括还是最早发现地理南北极与地磁场的N,S极并不重合,所以水平放置的小磁针指向跟地理的正南北方向之间有一个很小的偏角,被称为磁偏角。

数学

沈括在从实际计算需要出发,创立了“隙积术”和“会圆术”。沈括通过对酒店里堆起来的酒坛和垒起来的棋子等有空隙的堆体积的研究,提出了求它们的总数的正确方法,这就是“隙积术”,也就是二阶等差级数的求和方法。沈括的研究,发展了自《九章算术》以来的等差级数问题,在中国古代数学史上开辟了高阶等差级数研究的方向。此外,沈括还从计算田亩出发,考察了圆弓形中弧、弦和矢之间的关系,提出了中国数学史上第一个由弦和矢的长度求弧长的比较简单实用的近似公式,这就是“会圆术”。这一方法的创立,不仅促进了平面几何学的发展,而且在天文计算中也起了重要的作用,并为中国球面三角学的发展作出了重要贡献。

地理

沈括正确论述了华北平原的形成原因:根据河北太行山山崖间有螺蚌壳和卵形砾石的带状分布,推断出这一带是远古时代的海滨,而华北平原是由黄河、漳水、滹沱河、桑乾河等河流所携带的泥沙沉积而形成的。当他察访浙东的时候,观察了雁荡山诸峰的地貌特点,分析了它们的成因,明确地指出这是由于水流侵蚀作用的结果。他还联系西北黄土地区的地貌特点,做了类似的解释。他还观察研究了从地下发掘出来的类似竹笋以及桃核、芦根、松树、鱼蟹等各种各样化石,明确指出它们是古代动物和植物的遗迹,并且根据化石推论了古代的自然环境。

沈括视察河北边防的时候,曾经把所考察的山川、道路和地形,在木板上制成立体地理模型。这个做法很快便被推广到边疆各州。熙宁九年(1076年),沈括奉旨编绘《天下州县图》。他查阅了大量档案文件和图书,经过近二十年的坚持不懈的努力,终于完成了中国制图史上的一部巨作——《守令图》。这是一套大型地图集,共计二十幅,其中有大图一幅,高一丈二尺,宽一丈;小图一幅;各路图十八幅(按当时行政区划,全国分做十八路)。图幅之大,内容之详,都是以前少见的。在制图方法上,沈括提出分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直等九法,这和西晋.裴秀著名的制图六体是大体一致的。他还把四面八方细分成二十四个方位,使图的精度有了进一步提高,为中国古代地图学做出了重要贡献。

生物药学

沈括对医药学和生物学在青年时期就对医学有浓厚兴趣,并且致力于医药研究,搜集了很多验方,治愈过不少危重病人。同时他的药用植物学知识也十分广博,并且能够实际出发,辨别真伪,纠正古书上的错误。他曾经提出“五难”新理论;沈括的医学著作有《沈存中良方》(得称《良方》)等三种。现存的《苏沈良方》是后人把苏轼的医药杂说附入《良方》之内合编而成的,现有多种版本行世。

《梦溪笔谈》及《补笔谈》中,都有涉猎医学,如提及秋石之制备,论及四十四种药物之形态、配伍、药理、制剂、采集、生长环境等。

军事方面

北宋时期,阶级矛盾和民族矛盾都十分尖锐。辽和西夏贵族统治者经常侵扰中原地区,掳掠人口牲畜,给社会经济带来很大破坏。沈括坚定地站在主战派一边,在熙宁七年(1074年)担任河北西路察访使和军器监长官期间,他攻读兵书,精心研究城防、阵法、兵车、兵器、战略战术等军事问题,编成《修城法式条约》和《边州阵法》等军事著作,把一些先进的科学技术成功地应用在军事科学上。沈括对弓弩甲胄和刀枪等武器的制造也都作过研究,为提高兵器和装备的质量做出了一定贡献。

主要著作

《圩田五说》

《万春圩图记》

《浑仪议》

《浮漏议》

《景表议》

《营阵法》

《守令图》

《梦溪笔谈》

《续笔谈》

《补笔谈》

《梦溪忘怀录》

《长兴集》

《苏沈良方》

《南郊式》

轶事

排挤苏轼

沈括生于1031年,大苏轼五岁,却晚他六年中进士。但是两人很有缘分,在“皇家图书馆”做过同事。1065年,苏轼进入史馆,而沈括在前一年调入昭文馆工作。北宋沿唐制,以史馆、昭文馆、集贤院为三馆,通名崇文院。

短暂的同事经历后,苏轼于1066年父丧后回乡两年多,等他再返回东京,就与沈括走上了不同的政治道路。1069年(宋神宗熙宁二年),王安石被任命做宰相,进行了激进的改革。沈括受到王安石的信任和器重,担任过管理全国财政的最高长官三司使等许多重要官职。苏轼却与改革总设计师王安石意见相左,他与“保守党”领袖司马光一起,组成著名的反对派。

由于获得了皇上的信任,王安石的改革自是无人能挡。1071年,作为反对派代表,苏轼下放到了杭州担任通判一职。当时,苏轼已经在文学方面很出名了,连皇帝祖母都很欣赏,沈括作为“中央督察”,到杭州检查浙江农田水利建设。临行前,宋神宗告诉沈括:苏东坡在杭州做通判,你遇到他应该亲切接待。”

到了杭州,虽然政见不同,诗人苏轼还是把沈括当老同事、好朋友。年长的沈括表面上也该相当和善吧,“与轼论旧”,把苏轼的新作抄录了一通。但回到首都,他立即用附笺的方式,把认为是诽谤的诗句一一加以详细的“注释”,“发现”、“发明”这些诗句如何居心叵测,反对“改革”,讽刺皇上等等,然后交给了皇帝。

不久,苏轼因为在诗文中“愚弄朝廷”、“无君臣之义”而入狱,险些丧命。例如苏轼歌咏桧树的两句:“根到九泉无曲处,世间唯有蜇龙知”——“皇帝如飞龙在天,苏轼却要向九泉之下寻蜇龙,不臣莫过于此!”这就是文字狱历史上的“乌台诗案”,牵连苏轼三十多位亲友,涉及他一百多首诗词。

当然,沈括不是苏轼入狱的主谋,主谋是王安石手下的李定、舒亶、何正臣、李宜四人。但他是始作俑者。

结果,苏轼在监狱中被关押130天,被下放到湖北黄冈任团练副使。

善于观物

“人间四月芳菲尽,山寺桃花始盛开”,(白居易《大林寺桃花》)当读到这句诗时,沈括的眉头凝成了一个结,“为什么我们这里花都开败了,山上的桃花才开始盛开呢?”,为了解开这个谜团,沈括约了几个小伙伴上山实地考察一番,四月的山上,乍暖还寒,凉风袭来,冻得人瑟瑟发抖,沈括茅塞顿开,原来山上的温度比山下要低很多,因此花季才来得比山下来得晚呀。凭借着这种求索精神和实证方法,长大以后的沈括写出了《梦溪笔谈》。

沈括在开封的相国寺里有一幅壁画,画着一个管弦乐队在演奏。有人看了以后,说画家画错了:当管乐演奏者在吹“四”字音的时候,那个弹琵琶的居然与大家不合调,手指不是在拨“四”字音所在的上弦,却是在掩着下弦。沈括看了后却认为画家很高明,深知音乐。他说:弦乐跟管乐不同。演奏管乐时,手指头按在什么音,就发出什么音,是同时的。演奏琵琶则不同,只有当手指拨弦之后,才会发音,动作是早于声音。正因为这样,当管乐演奏者在吹“四”字音的时候,弹琵琶的人的手指看上去不在弹“四”字音。

惧怕夫人

朱彧在《萍洲可谈》的记载,沈括前后有二任妻子,第二任是淮南转张刍之女,张氏骄蛮凶悍,平时常虐待沈括,将胡须连皮带肉扯将下来,儿女们抱头痛哭,跪求张氏息怒;又驱逐原配之子,年年状告其父子。但是张氏去世后,沈括竟郁郁寡欢,过扬子江时,一度跳水寻短,并于隔年去世。

唯物主义者

沈括认为“天地之变,寒暑风雨,水旱螟蝗,率皆有法”,并指出,“阳顺阴逆之理,皆有所从来,得之自然,非意之所配也。”就是说,自然界事物的变化都是有规律的,而且这些规律是客观存在的,是不依人们的意志为转移的。他还认为事物的变化规律有正常变化和异常变化,不能拘泥于固定不变的规则。正是这些比较正确的思想观点,促使他取得了那个时代在科学技术方面达到的高度成就。沈括曾提出已知的知识是有限的,人的认识是无限的观点,对科学的发展产生了很大的影响。

故居

镇江市区梦溪园,是北宋时期科学家沈括晚年居住的地方。

梦溪园原有面积约十亩左右,园里有岸老堂、萧萧堂、壳轩、深斋、远亭、苍峡亭等建筑,还有一条溪水流经园内。梦溪园是原梦溪园的一部分,于1985年恢复,占地2亩,计2幢建筑。前幢为清代修建的硬山顶平瓦房,坐东朝西,当中设正门入园,门上方嵌有茅以升题写的“梦溪园”大理石横额。后幢为清式厅房,坐北朝南,内有沈括雕像和文字图片、模型、实物,展现了沈括在天文、地理、数学、化学、物理、生物、地质、医学等方面的科研成就。

沈括墓

沈括墓位于杭州市余杭区安溪下溪湾太平山南麓,东为金龙山,西为凤凰山。早年遭受破坏。据明万历《钱塘县志》、民间口碑和外地学术界提供线索,终于1983年在安溪太平山南麓找到墓穴、翁仲。在墓砖堆积层下,采集到北宋青瓷划花碗残片及宋代“元丰、元佑”等年号古钱币数枚,正与墓葬时代、地点吻合。1986年被列为市级文物保护单位。沈括墓一期修复工程于2001年9月28日竣工。

行星

1979年7月1日,中国科学院紫金山天文台为了纪念他,将1964年发现的一颗小行星2027命名为沈括星。

人物评价

《宋史》评价他说: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。

蔡确对沈括的评价是:首鼠乖剌,阴害司农法。

英国科学史家李约瑟评价沈括“中国科学史上的坐标”和“中国科技史上的里程碑”。

日本数学家三上义夫说:(古代)日本的数学家没有一个比得上沈括。

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