60　沈括（公元1031—1095年）

中國科學史上的里程碑。

沈括，字存中，號夢溪丈人，浙江杭州錢塘縣人，北宋政治家、科學家。沈括出身于仕宦之家，幼年隨父宦游各地。1063年（北宋嘉祐八年），進士及第，授揚州司理參軍。宋神宗時參與熙寧變法，受王安石器重，歷任太子中允、檢正中書刑房、提舉司天監(jiān)、史館檢討、三司使等職。1080年（北宋元豐三年），出知延州，兼任鄜延路經(jīng)略安撫使，駐守邊境，抵御西夏，后因永樂城之戰(zhàn)牽連被貶。晚年移居潤州（今江蘇省鎮(zhèn)江市），隱居夢溪園。1095年（北宋紹圣二年），因病辭世，享年64歲。

沈括一生致志于科學研究，在眾多學科領域都有很深的造詣和卓越的成就，被譽為“中國整部科學史中最卓越的人物”。其代表作《夢溪筆談》，內(nèi)容豐富，集前代科學成就之大成，在世界文化史上有著重要的地位，被稱為“中國科學史上的里程碑”。

據(jù)《宋史·藝文志》記載，沈括的著述有22種155卷。除《夢溪筆談》外，還有綜合性文集《長興集》《志懷錄》《清夜錄》，醫(yī)藥著作《良方》《蘇沈良方》，科學著作《渾儀議》《浮漏議》《景表議》《熙寧奉元歷》《圩田五說》《萬春圩圖記》《天下郡縣圖》《南郊式》《諸敕格式》《營陣法》，音樂類著作《樂論》《樂律》《樂器圖》等，但大多失佚，存世較少。

主要學術成就

隙積術指如何計算垛積，沈括運用類比、歸納的方法，以體積公式為基礎，把求解不連續(xù)個體的累積數(shù)，化為連續(xù)整體數(shù)值來求解，已具有了用連續(xù)模型解決離散問題的思想。在中國數(shù)學史上，發(fā)展了自南北朝時期就停滯不前的等差級數(shù)求和問題，并推進到高階等差級數(shù)求和的新階段，開創(chuàng)了中國垛積術研究的先河。

南宋數(shù)學家楊輝、元朝數(shù)學家朱世杰，都是在沈括的基礎上進一步研究，取得了令世人矚目的成就。

會圓術，實際上是指由弦求弧的方法，其主要思路是局部以直代曲，對圓的弧矢關系給出一個比較實用的近似公式。在中國數(shù)學史上，沈括第一個利用弦、矢求出了孤長的近似值。這一方法的創(chuàng)立，不僅促進了平面幾何的發(fā)展，而且在天文計算中也起了重要的作用，為中國球面三角學的發(fā)展作出了重要貢獻。

會圓術問世后，得到了廣泛應用，郭守敬、王恂等都用到過會圓術。

磁學

沈括記錄了人工磁化的方法，并用人工磁化針來做實驗，對指南針進行深入研究。沈括比較了指南針的四種裝置方法：水浮法、碗沿法、指甲法和懸絲法，指出懸絲法最優(yōu)，并作了相應的分析。

地磁偏角指地球表面任一點的地磁子午線與地理子午線的夾角，即磁針靜止時，所指的北方與真正北方的夾角。在世界上沈括最早經(jīng)實驗證明了磁針“能指南，然常微偏東”，即地磁的南北極與地理的南北極并不完全重合，存在磁偏角。這比哥倫布橫渡大西洋發(fā)現(xiàn)磁偏角現(xiàn)象早了400多年。

光學

沈括通過觀察實驗，對小孔成像、凹面鏡成像等原理進行了準確而生動的描述，他用“礙”（焦點）的概念，指出了光的直線傳播、凹面鏡成像的規(guī)律，并把光通過“礙”成像稱為格術，即現(xiàn)代光學中的等角空間變換關系。

沈括還對平面、凹凸面等鏡面成像的不同進行研究，注意到表面曲率與成像之間的關系，并以此對“古人鑄鑒”時正確處理鏡面凹凸與成像大小的關系進行了研究與分析，提出若將小平面鏡磨凸，就可“全納人面”。

沈括還對透光銅鏡的原理作出了正確推論，推動了后世對透光鏡的研究。此外，沈括還第一次記錄了“紅光驗尸”的內(nèi)容，是中國關于濾光應用的最早記載，至今還有現(xiàn)實意義。

聲學

沈括通過對聲學現(xiàn)象的觀察，注意到音調(diào)的高低由振動頻率決定，并記錄下了聲音的共鳴現(xiàn)象。他還用紙人來放大琴弦上的共振，形象地說明了應弦共振現(xiàn)象，這比諾布爾和皮戈特的琴弦上紙游碼試驗早了500年。

沈括還提出了“虛能納聲”的空穴效應，以此來解釋兵士用皮革箭袋作枕頭，可以聽到數(shù)里外人馬聲的原因。此外，沈括還記錄并深入分析了制鐘的聲學問題。

膽水煉銅

據(jù)沈括《夢溪筆談》記載，信州鉛山縣有苦泉（硫酸銅溶液），流而成澗。舀取泉水煎熬，就能得到膽礬（硫酸銅），熬制膽礬就能生成銅，熬膽礬的鐵鍋日子久了也會變成銅。沈括的這段記錄即濕法煉銅，利用化學置換反應提煉金屬。

膽礬化鐵成銅的記載古已有之，西漢淮南王劉安《淮南萬畢術》、東晉葛洪《抱樸子》均有類似記載。據(jù)郭正誼考證，沈括的記載錄自中唐時期成書的《丹房鏡源》。直到1098年（北宋紹圣五年），張潛主動將《浸銅要略》獻給朝廷，在北宋政府的大力提倡下，膽銅法生產(chǎn)才被迅速推廣開來。

石油制墨

世界上最早記載有關石油的文字，見于東漢史學家班固所著的《漢書》。歷史上，石油曾被稱為石漆、膏油、肥、石脂、脂水、可燃水等。直到北宋，沈括才在世界上第一次提出了“石油”這一科學的命名。

據(jù)沈括記載，鄜州、延州境內(nèi)產(chǎn)石油，當?shù)厝顺２杉酵吖蘩铮糜谡彰鳌＿@種油形似純漆，燃起來像燒麻桿，并冒出很濃的煙，能把帳篷熏黑。沈括將其命名為石油，并以石油碳黑制墨，光澤、亮度方面都很理想，于是就大量制造，并命名為“延川石液”，蘇軾用后評價其“在松煙之上”。

天象觀測

沈括對天象進行了細致的觀測，取得了一些新的發(fā)現(xiàn)與觀測結果。例如，沈括用晷、漏觀測發(fā)現(xiàn)了真太陽日有長有短。經(jīng)現(xiàn)代科學測算，一年中真太陽日的極大值與極小值之差僅為51秒。

沈括還詳細觀察了五星運行軌跡和隕石墜落時的情景；并為測量北極星與北天極的真實距離設計了窺管，每夜3次，連續(xù)3月，得200余圖，得出當時極星“離天極三度有余”的粗測結論。

改革歷法

1072年（北宋熙寧五年），沈括提舉司天監(jiān)，發(fā)現(xiàn)《大衍歷》沿襲至宋已落后實際天象五十余刻，遂破格提拔衛(wèi)樸改革舊歷；1075年（北宋熙寧八年），《奉元歷》修成頒行。新歷法改動了閏月和朔日的設置：熙寧十年冬至的臨界時分原用午時，新歷改用子時；閏十二月改為閏正月，以補算歲日朔日。

晚年時，沈括大膽革新，進一步提出了《十二氣歷》，以代替陰陽合歷。按中國古代歷法，陰歷和陽歷每年相差11天多，雖采用置閏的辦法加以調(diào)整，仍有很多缺陷。沈括發(fā)明的新歷，不用閏月；不以月亮的朔望定月，而參照節(jié)氣定月；一年分為12個月，每年的第一天定為立春，這樣既符合天體運行的實際，也有利于農(nóng)業(yè)活動的安排。900年后，英國氣象局用于統(tǒng)計農(nóng)業(yè)氣候的《蕭伯納歷》，其原理與《十二氣歷》相同。

英國科學史家李約瑟評價沈括為“中國科學史上的坐標”。1979年，南京紫金山天文臺為了紀念沈括，將1964年發(fā)現(xiàn)的一顆小行星2027命名為“沈括星”。

沈括在科學上具有難得的理性求索精神，但在做官為人方面卻難為人稱道。其最大的詬病，就是與蘇軾的關系。

蘇軾生于1037年，小沈括6歲，兩人是同年進士。北宋沿襲唐制，以史館、昭文館、集賢院為三館，通名崇文院。蘇軾和沈括都是院士，在崇文院共事多年。兩人才俊拱手，惺惺相惜，關系曾經(jīng)相當不錯。如果說蘇軾是文學大師的話，那么沈括就是科學界的泰斗。

1071年，作為反對王安石“熙寧變法”的代表，蘇軾被下放到杭州擔任通判一職。此時，沈括被朝廷派到杭州檢查水利。臨行前向神宗辭行，宋神宗對沈括說：“蘇軾通判杭州，卿其善遇之。”沈括到杭州見到蘇軾后，寒暄一番，回憶“當日在館閣之事”，臨行時他向蘇軾索要新作。沉浸在昔日舊友的醇醪中的蘇軾沒有多想，就把近作許多詩詞，包括后來授人話柄的《山村五絕》《吳中田為嘆》等均手書一份給沈括。沈括回到京城，在蘇軾的詩文中找出一些貶低誹謗新政的句子，便呈送給王安石、宋神宗等。1079年，御史何正臣、李定正式上書彈劾蘇軾，隨即烏臺詩案爆發(fā)。也就是一年的光陰，蘇軾迅速被貶黃州，親朋好友三十多人全都受到牽連，他的百首詩詞全部被指證含有藐視朝廷和皇帝的嫌疑。

或許沈括不是烏臺詩案（烏臺詩案發(fā)生于1079年（北宋元豐二年），時御史何正臣上表彈劾蘇軾，奏蘇軾移至湖州到任后謝恩的上表中，用語暗藏譏刺朝政，御史李定也曾指出蘇軾四大可廢之罪。該案先由監(jiān)察御史告發(fā)，后在御史臺獄受審。所謂“烏臺”，即御史臺，因官署內(nèi)遍植柏樹，又稱“柏臺”。柏樹上常有數(shù)百只烏鴉棲息筑巢，乃稱烏臺。所以此案稱為“烏臺詩案”）的主謀，但此事卻是因他而起。

救援活動也在朝野同時展開。不但與蘇軾政見相同的許多元老紛紛上書，連一些變法派的有識之士也勸諫神宗不要殺蘇軾。王安石當時已退休金陵，也上書神宗：“安有圣世而殺才士乎？”這場詩案終因王安石“一言而決”，蘇軾得到從輕發(fā)落，貶為黃州（今湖北省黃岡市）團練副使，“本州安置”，受當?shù)毓賳T監(jiān)視。蘇軾下獄一百零三日，險遭殺身之禍。

“烏臺詩案”揭示了中國古代知識分子在皇權體制下的困惑、軟弱和悲哀，也顯示了知識分子自身的弱點與陋習。

在那個時代，沈括算是個另類。進士出身卻醉心于科學（在當時是旁門左道，稱為雜學），使得他與其他文人顯得若即若離；堅定變法，卻又受到變法派的誤解和攻擊甚至排擠；和蘇軾本是好友，曾一起編纂《蘇沈良方》，卻無意引發(fā)“烏臺詩案”。最后在身體和精神的雙重壓抑中，歸退潤州（今鎮(zhèn)江），卜居“夢溪園”。在那里，沈括以筆記體寫出巨著《夢溪筆談》，內(nèi)容涉及天文、歷法、氣象、地質(zhì)、地理、物理、化學、生物、農(nóng)業(yè)、水利、建筑、醫(yī)藥、歷史、文學、藝術、人事、軍事、法律等諸多領域。

沈括生活的那個年代，群星璀璨。范仲淹、王安石、蘇軾這些大師，無論政績、著作和影響，都壓過沈括。但要論知識結構的廣博和思維推理的縝密，他們誰都比不過沈括。他是中國歷史上少數(shù)保持了對自然奧秘的興趣和科學探索精神的巨匠之一。《夢溪筆談》的每一個條目里，幾乎都有他不同凡響的思考和發(fā)現(xiàn)。