自然科學家—沈括

自然科學家—沈括

在我國北宋時代，有一位博學多才、成就顯著的科學 家，他就是沈括(1031～1095)。 沈括精通天文、數學、物理學、化學、生物學、地理學、農學和醫學；他還是卓越的工程師、出色的軍事家、外交家和政治家；同時，他博學善文，對方誌律歷、音樂、醫藥、卜算等無所不精。他晚年所著的《夢溪筆談》詳細記載了勞動人民在科學技術方面的卓越貢獻和他自己的研究成果，反映了我國古代特別是北宋時期自然科學 達到的輝煌成就。《夢溪筆談》不僅是我國古代的學術寶庫，而且在世界文化史上也有重要的地位。

日本數學家三上義夫曾經說：沈括這樣的人在全世界數學史上找不到，只有中國出了這麼一個。英國著名科學史專家李約瑟博士稱沈括的《夢溪筆談》是中國科學 史上的坐標。

沈括治水

沈括十分重視發展農業生產和興修水利。早在他青年時期任沭陽縣主簿的時候，就主持了治理沭水的工程，組織幾萬民工，修築渠堰不僅解除了當地人民的水災威脅，而且還開墾出良田七千頃，改變了沭陽的面貌，那時他只有24歲。

在任寧國縣令的時候，他積極倡導並且主持在今安徽蕪湖地區修築規模宏大的堅固的萬春圩，開闢出能排能灌、旱澇保收的良田一千二百七十頃，同時還寫了《圩田五說》、《萬春圩圖書》等關於圩田方面的著作。

熙寧五年(公元1072年)，沈括主持了汴河的水利建設。為了治理汴河，沈括親自測量了汴河下游從開封到泗州淮河岸共八百四十多里河段的地勢。他採用“分層築堰法”，測得開封和泗州之間地勢高度相差十九丈四尺八寸六分。這種地形測量法，是把汴渠分成許多段，分層築成台階形的堤堰，引水灌注，然後逐級測量各段水面，累計各段方面的差，總和就是開封和泗州間“地勢高下之實”。這在世界水利史上是一個創舉。僅僅四五年時間裡，就取得引水淤田一萬七千多頃的顯著成績。在對地勢高度計算時，其單位竟細到了寸分，可見，沈括的治學態度是極其嚴肅認真的。

傑出的天文學家

沈括還是一個傑出的天文學家。熙寧五年(公元1072年)，也就在沈括負責汴河水建設時，沈括還負責領導司天監，在任職期間，他先後罷免了六名不學無術的舊曆官，不計出身，破格推薦精通天文歷算、出身平民的准南人衛朴進入司天監，主持修訂新曆的重要工作。

沈括和衛朴治學態度認真，對舊曆官憑藉演算湊數的修歷方法非常不滿，主張從觀測天象入手，以實測結果作為修訂曆法的根據。為此，沈括首先研究並改革了渾儀、浮漏和影表等舊式的天文觀測儀器。

渾儀是測量天體方位的儀器。經過歷代的發展的演變，到宋朝，渾儀的結構已經變得十分複雜，三重圓環，相互交錯，使用起來很不方便。為此，沈括對渾儀作了比較多的改革。他一方面取消了作用不大的白道環，把儀器簡化、分工，再借用數學工具把他們之間的關係聯繫起來(“省去月道環，其侯月之出入，專以曆法步之”)；另一方面又提出改變一些環的位置，使它們不擋住觀測視線。沈括的這些改革措施為儀器的發展開闢了新的途徑。後來元朝郭守敬於元世祖至元十三年(公元1276年)創製的新式測天儀器──簡儀，就是在這個基礎上產生的。

漏壺是古代測定時刻的儀器，由幾個盛水的容器裝置成階梯的形式，每一容器下側都有孔，依次往下一容器滴水漏水。最下面的容器沒有孔，裡面裝置有刻着時間標度的“箭”，隨着滴漏水面升高，“箭”就慢慢浮起，從顯露出來的刻度可以讀出時刻。沈括對漏壺也進行了改革。他把曲筒銅漏管改做直頸玉嘴，並且把它的位置移到壺體下部。這樣流水更加通暢，壺嘴也堅固耐用多了。

此外，沈括還製造了測日影的圭表，而且改進了測影方法。

沈括在《渾儀議》、《浮漏議》和《景表議》等三篇論文 中介紹了他的研究成果，詳細說明改革儀器的原理，闡發了自己的天文學見解，在是我國天文學史上的具有重要的作用。

沈括和衛朴的一系列革新活動遭到守舊勢力的攻擊和陷害。在沈括和衛朴的堅決鬥爭下，衛朴主持修訂的奉元歷終於在熙寧八年(公元1075年)修成頒行。但是，由於守舊勢力阻撓和破壞，比較先進的奉元歷只實行了十八年就被廢止了。但是沈括並不因此而灰心，在晚年又進一步提出了用“十二氣歷”代替原來曆法的主張。

我國原來的曆法都是陰陽合曆，而“十二氣歷”卻是純粹的陽曆。它以十二氣作為一年，一年分四季，每季分孟、仲、季三個月，並且按節氣定月份，立春那天算一月一日，驚蟄算二月一日，依此類推。大月三十一天，小月三十天，大小月相間，即使有“兩小相併”的情況，不過一年只有一次。

有“兩小相併”的，一年共有三百六十五天；沒有的，一年共三百六十六天。這樣，每年的天數都很整齊，用不着再設閏月，四季節氣都是固定的日期。至於月亮的圓缺，和寒來暑往的季節無關，只要在曆書上註明“朔”、“望”就行了。

沈括所設計的這個曆法是比較科學 的，它既符合天體運行的實際，也有利於農業活動的安排。他預見到他的這一主張必定會遭到頑固守舊派的“怪怒攻罵”，極力阻撓，而暫時不能實行，但是，他堅信“異時必有用予之說者”。現在世界各國採用的公曆，也就是陽曆，在分月上還不如沈括的“十二氣歷”合理。

物理學家+化學家+數學家

沈括對物理學研究的成果也是極其豐富而珍貴的。《夢溪筆談》中所記載這方面的見解和成果，涉及力學、光學、磁學、聲學等各個領域。特別是他對磁學的研究成就卓著。沈括在《夢溪筆談》中第一次明確地談到磁針的偏角問題。

在光學方面，沈括通過親自觀察實驗，對小孔成像、凹面鏡成象、凹凸鏡的放大和縮小作用等作了通俗生動的論述。他對我國古代傳下來的所謂“透光鏡”(一種在背面能看到正面圖案花紋的銅鏡)的透光原因也做了一些比較科學 的解釋，推動了後來對“透光鏡”的研究。此外，沈括還剪紙人在琴上做過實驗，研究聲學上的共振現象。

在化學方面，沈括也取得了一定的成就。他在出任延州時候曾經考察研究漉延境內的石油礦藏和用途。他利用石油不容易完全燃燒而生成炭黑的特點，首先創造了用石油炭黑代替松木炭黑製造煙墨的工藝。他已經注意到石油資源豐富，“生於地中無窮”，還預料到“此物后必不行於世”，這一遠見已為今天所驗證。另外，“石油”這個名稱也是沈括首先使用的，比以前的石漆、石脂水、猛火油、火油、石腦油、石燭等名稱都貼切得多。

在《夢溪筆談》中有關“太陰玄精”(石膏晶體)的記載里，沈括根據形狀、潮解、解理和加熱失水等性能的不同，區分出幾種晶體，指出它們雖然同名，卻並不是一種東西。他還講到了金屬轉化的實例，如用硫酸銅溶液把鐵變成銅的物理現象。他記述的這些鑒定物質的手段，說明當時人們對物質的研究已經突破單純表面現象的觀察，而開始向物質的內部結構探索進軍了。

沈括在數學方面也有精湛的研究。他從實際計算需要出發，創立了“隙積術”和“會圓術”。沈括通過對酒店裡堆起來的酒罈和壘起來的棋子等有空隙的堆體積的研究，提出了求它們的總數的正確方法，這就是“隙積術”，也就是二階等差級數的求和方法。

沈括的研究，發展了自《九章算術》以來的等差級數問題，在我國古代數學史上開闢了高階等差級數研究的方向。此外，沈括還從計算田畝出發，考察了圓弓形中弧、弦和矢之間的關係，提出了我國數學史上第一個由弦和矢的長度，求弧長的比較簡單實用的近似公式，這就是“會圓術”。這一方法的創立，不僅促進了平面幾何學的發展，而且在天文計算中也起了重要的作用，並為我國球面三角學的發展作出了重要貢獻。

地理學家+醫學家

沈括在地學方面也有許多卓越的論斷，反映了我國當時地學已經達到了先進水平。他正確論述了華北平原的形成原因：根據河北太行山山崖間有螺蚌殼和卵形礫石的帶狀分佈，推斷出這一帶是遠古時代的海濱，而華北平原是由黃河、漳水、滹沱河、桑乾河等河流所攜帶的泥沙沉積而形成的。

當他察訪浙東的時候，觀察了雁盪山諸峰的地貌特點，分析了它們的成因，明確地指出這是由於水流侵蝕作用的結果。他還聯繫西北黃土地區的地貌特點，做了類似的解釋。

他還觀察研究了從地下發掘出來的類似竹筍，以及桃核、蘆根、松樹、魚蟹等各種各樣化石，明確指出它們是古代動物和植物的遺迹，並且根據化石推論了古代的自然環境。這種思想，直到文藝復興時期，意大利人達·芬奇對化石的性質開始有所論述，比沈括晚了四百多年。

沈括視察河北邊防的時候，曾經把所考察的山川、道路和地形，在木板上製成立體地理模型。這個做法很快便被推廣到邊疆各州。熙寧九年(公元1076年)，沈括奉旨編繪《天下州縣圖》。他查閱了大量檔案文件和圖書，經過近二十年堅持不懈的努力，終於完成了我國製圖史上巨作《守令圖》。這是一套大型地圖集，共計二十幅，其中有大圖一幅，高一丈二尺，寬一丈；小圖一幅；各路圖十八幅(按當時行政區劃，全國分做十八路)。圖幅之大，內容之詳，都是以前少見的。

在製圖方法上，沈括提出分率、准望、互融、傍驗、高下、方斜、迂直等九法，這和西晉．裴秀著名的製圖六體是大體一致的。他還把四面八方細分成二十四個方位，使圖的精度有了進一步提高，為我國古代地圖學做出了重要貢獻。

沈括對醫藥學和生物學也很精通。他在青年時期就對醫學有濃厚興趣，並且致力於醫藥研究，搜集了很多驗方，治癒過不少危重病人。同時他的藥用植物學知識也十分廣博，並且能夠實際出發，辨別真偽，糾正古書上的錯誤。他曾經提出“五難”新理論；沈括的醫學著作有《良方》等三種。現存的《蘇沈良方》是後人把蘇軾的醫藥雜說附入《良方》之內合編而成的。

文武雙全

沈括文武雙全，不僅在科學上取得了輝煌的成績，而且為保衛北宋的疆土也做出過重要貢獻。北宋時期，階級矛盾和民族矛盾都十分尖銳。遼和西夏貴族統治者經常侵擾中原地區，擄掠人口牲畜，給社會經濟帶來很大破壞。沈括堅定地站在主戰派一邊，在熙寧七年(公元1074年)擔任河北西路察訪使和軍器監長官期間，他攻讀兵書，精心研究城防、陣法、兵車、兵器、戰略戰術等軍事問題，編成《修城法式條約》和《邊州陣法》等軍事著作，把一些先進的科學技術成功地應用在軍事科學 上。同時，沈括對弓弩甲胄和刀槍等武器的製造也都作過深入研究，為提高兵器和裝備的質量做出了一定貢獻。