科学家的故事 | 中国科学史上的坐标——沈括

沈括

（1031年—1095年）

沈括（1031年—1095年），字存中，号梦溪丈人，浙江杭州钱塘县人，北宋政治家、科学家。沈括一生致志于科学研究，在众多学科领域都有很深的造诣和卓越的成就，被誉为“中国整部科学史中最卓越的人物”。

在以立德、立言、立功为“三不朽”的古代中国，要产生出一名杰出的科学家是一件很难的事情。不过宋代却出现了一位百科全书式的科学家，他是地理学家、物理学家、数学家、化学家、医学家、天文学家，还是水利专家、兵器专家、军事家，他就是沈括。

他的代表作《梦溪笔谈》，内容丰富，集前代科学成就之大成，在世界文化史上有着重要的地位，被称为“中国科学史上的里程碑”。中国科学院也曾为纪念他，将1963年发现的一颗小行星命名为沈括。可见他成就之高和影响之广泛。

人物生平

1

早年经历

惠宋仁宗天圣九年（1031年），沈括出生于浙江钱塘（今杭州市）沈氏家族，祖父沈曾庆曾任大理寺丞，父亲沈周、伯父沈同均为进士。沈括自幼勤奋好学，十四岁就读完了家里的藏书，并随父亲宦游州县，到过泉州、润州、简州和汴京等地，接触社会，增长见识，表现出对大自然的强烈兴趣和敏锐观察力。沈括自幼体弱，加上读书十分用功，经常需要服食中药调理。钱塘沈氏在医药学颇有建树，有家传药学书籍《博济方》，受家庭影响，沈括也从搜集医方开始钻研医学。皇祐二年（1050年），沈括借居苏州母舅家，从舅舅许洞的著作与藏书中得益甚多，开始对军事产生强烈的兴趣。

2

步入仕途

皇祐三年（1051年），父亲沈周去世；至和元年（1054年），沈括以父荫入仕，任海州沭阳县主簿，遂治理沭水，开发农田，颇有政绩。工程结束后，沈括辞去职务，来到哥哥沈披在任的宁国县，准备科举考试。嘉祐六年（1061年），沈披主持芜湖万春圩工程，沈括有治水经验，遂献计献策并作了详细记录。嘉祐八年（1063年），沈括进士及第，因排名在前六名之外，按制守选。次年，沈括守选期满，授扬州司理参军，负责一州刑狱。治平二年（1065年），经淮南路转运使张蒭推荐，沈括被调入京师，编校昭文馆书籍，参与详订浑天仪，并在闲暇研究天文历法之学。熙宁元年（1068年），沈括升任馆阁校勘，有机会接触皇家藏书，进一步充实自己的学识。八月，母亲病逝，沈括辞官护送灵柩回钱塘。

3

参与变法

熙宁四年（1071年），沈括守丧期满，进京述职，得到神宗和王安石的器重，被任为检正中书刑房公事。熙宁五年（1072年），沈括奉命主持汴河疏浚工程，七月，加官史馆检讨。按照惯例，皇帝每三年要到圜丘祭祀天地，吏员常借此修建园林、谋取私利。沈括便考察南郊大礼的历史沿革，撰成《南郊式》，被任命掌管郊祀事务。沈括按照新礼仪办事，所省费用数以万计，神宗十分满意。

熙宁八年（1075年）二月，沈括奉命修订“九军战法”，分九军为九营，各自为阵，背背相承，面面相向，灵活多变，名之为“边州阵法”。九月，编撰城垒、军营等建筑的营造法式。

4

出使辽国

熙宁八年（1075年）三月，宋辽边界冲突，辽要求以黄嵬山为分界线，宋廷不同意。辽使萧禧到汴京，指责宋廷谈判不诚，拖而不决，留在馆舍不肯离去。沈括就到枢密院查阅以前的档案文件，发现宋辽过去商定的协议是以古长城为界，而黄嵬山在古长城以南，相距有三十里之遥，遂上表呈报朝廷。神宗赏赐沈括白金一千两，让他以回谢使的身份出使辽国。

四月中旬，沈括从汴京出发时，预先找出相关书信档案数十件，让幕僚和吏员背熟。契丹宰相杨益戒每有问题提出，沈括就让手下吏员列举档案条文作答。谈判先后进行六次，杨益戒无言可对，就威胁说，以数里之地、绝两国之好，不利于和平。沈括以国之道义、民之根本为理由，申明寸土不让。在沈括一行力争下，辽廷最终有所退让，紧张的宋辽关系得以暂时缓解。

七月，沈括起程回国，据沿途地理形势、风俗民情画撰为《使契丹图抄》，献给朝廷。因出使有功，沈括被提拔为淮南、两浙灾伤州军体量安抚使；十月，权发遣三司使。次年十月，拜为翰林学士、权三司使。

5

弹劾被贬

熙宁十年（1077年），侍御史蔡确以依附大臣（吴充）、越权言事（免役法归司农寺负责）、前后态度不一等理由弹劾沈括。七月，沈括被罢去三司使、翰林学士，贬为起居舍人、集贤院学士、知宣州。

元丰元年（1078年），神宗打算起用沈括为知制诰、知潭州，蔡确再次上书，指责沈括“反复无常、附会大臣，被贬不足一年，不宜擢升”，诏命被撤回。元丰二年（1079年）七月，沈括复职龙图阁待制、知审官院。

6

戍守西夏

元丰三年（1080年），沈括改知延州，兼任鄜延路经略安抚使，抵御西夏。元丰四年（1081年）十月，蕃部数万人进攻边关要塞顺宁寨，沈括派少将景思谊、屈理带三千兵马进攻蕃军；接着命前锋李达领千人出击，携带十万人的军粮，宣称鄜延路总帅沈括将亲自率军督战。蕃兵不知虚实，军心涣散。宋军乘势进攻，攻下磨崖寨，得男女万人，牛羊三万。

元丰五年（1082年）二月，沈括以“守安疆界、就副边事有劳”，升为龙图阁学士。四月，西夏打算以金汤城为据点，招兵买马，攻打鄜延。沈括采取声东击西的战术，派副总管曲珍率军两万进军东川，扬言要去攻打葭芦，吸引西夏兵力布防，趁机攻下金汤。接着，沈括又用同样的策略攻下了葭芦。

7

兵败永乐

元丰五年（1082年）五月，沈括提出进取横山以筑城、以地理优势直接威胁西夏的战略主张。八月，神宗降诏徐禧总领筑城事宜，命沈括将帅府移到边界，以接济军用物资和救援。十四日后筑成，徐禧令景思谊领四千人镇守，率余部返回米脂。

九月九日，西夏出兵三十万攻永乐城，曲珍忙报知徐禧，徐禧统兵两万五千往援，令沈括留守米脂。由于兵力相差悬殊，宋军失利，九月二十日，永乐城失陷，徐禧、李稷、高永能、李舜举等殉国，折官两百三十人，损兵一万两千有余，谋取横山的计划宣告失败。

沈括作为一路帅臣，在明知永乐城“路险而远、不利协防与救助；且地理位置险要，敌军必争”的情况下，不坚持己见，而选择迎合徐禧，对永乐城之败有不可推卸的责任。

8

归隐梦溪

元丰五年（1082年）十月十七日，宋廷以沈括“议筑永乐城，敌至却应对失当”为由，贬为筠州团练副使，随州安置。沈括到随州后，寓居于法云禅寺，无亲无故，且行动受到很大限制。随州的三年是沈括一生中最忧伤、灰暗的时期，他开始重新审视自己的政治生涯，甚至对从政萌生出一丝“悔意”。

元丰八年（1085年）三月，神宗驾崩，太子赵煦继位，是为宋哲宗，大赦天下。沈括也得以内迁，改任秀州团练副使，本州安置、不得签书本州公事。秀州地处江南，毗邻故乡杭州，沈括的心情得以从颓废中好转起来，遂专心于学问，开始整理熙宁九年奉旨编绘的《天下郡县图》。元祐三年（1088年）八月，沈括编订完成《天下郡县图》，被特许到汴京进呈。哲宗赐绢百匹，准许沈括在秀州境内自由行动。

元祐四年（1089年）九月，沈括改任朝散郎、守光禄少卿、分司南京，准于外州居住。接到诏命后，沈括就举家搬迁至早年在润州购置的梦溪园，在此隐居，创作《梦溪笔谈》。绍圣二年（1095年），沈括因病辞世，享年六十五岁。

科学成就

数学方面

隙积术：隙积术指如何计算垛积，沈括运用类比、归纳的方法，以体积公式为基础，把求解不连续个体的累积数，化为连续整体数值来求解，已具有了用连续模型解决离散问题的思想。在中国数学史上，发展了自南北朝时期就停滞不前的等差级数求和问题，并推进到高阶等差级数求和的新阶段，开创了中国隙积术研究的先河。

会圆术：会圆术，实际上是指由弦求弧的方法，其主要思路是局部以直代曲，对圆的弧矢关系给出一个比较实用的近似公式。在中国数学史上，沈括第一个利用弦、矢求出了孤长的近似值。这一方法的创立，不仅促进了平面几何的发展，而且在天文计算中也起了重要的作用，为中国球面三角学的发展作出了重要贡献。

物理

磁学：沈括记录了人工磁化的方法，并用人工磁化针来作试验，对指南针进行深入研究。沈括比较了指南针的四种装置方法：水浮法，碗沿法，指甲法和悬丝法，指出悬丝法最优，并做了相应的分析。

磁偏角指地球表面任一点的地磁子午线与地理子午线的夹角，即磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。沈括在世界上最早经实验证明了磁针“能指南，然常微偏东”，即地磁的南北极与地理的南北极并不完全重合，存在磁偏角。这比哥伦布横渡大西洋时发现磁偏角现象早了400多年。

光学：沈括通过观察实验，对小孔成像、凹面镜成像等原理作了准确而生动的描述，他用“碍”（焦点）的概念，指出了光的直线传播、凹面镜成像的规律，并把光通过“碍”成像称之为格术，即现代光学中的等角空间变换关系。

沈括还对平面、凹凸面等镜面成像的不同进行研究，注意到表面曲率不同与成像之间的关系，并以此对“古人铸鉴”时正确处理镜面凹凸与成像大小的关系进行了研究与分析，提出若将小平面镜磨凸，就可“全纳人面”。

沈括还对透光铜镜的原理作出了正确推论，推动了后世对“透光镜”的研究。此外，沈括还第一次记录了“红光验尸”的内容，是中国关于滤光应用的最早记载，至今还有现实意义。

声学：沈括通过对声学现象的观察，注意到音调的高低由振动频率决定，并记录下了声音的共鸣现象。他还用纸人来放大琴弦上的共振，形象的说明了应弦共振现象，这比诺布尔和皮戈特的琴弦上纸游码试验早了500年。

沈括还提出了“虚能纳声”的空穴效应，以此来解释兵土用皮革箭袋作枕头，可以听到数里外人马声的原因。此外，沈括还记录并深入分析了制钟的声学问题。

化学

胆水炼铜：据沈括《梦溪笔谈》记载，信州铅山县有苦泉（硫酸铜溶液）、流而成涧。舀取泉水煎熬，就能得到胆矾（硫酸铜），熬制胆矾就能生成铜，熬胆矾的铁锅，日子久了也会变成铜。沈括的这段记录，即湿法炼铜，利用化学置换反应的方式提炼金属。

石油制墨：世界上最早记载有关石油的文字，见于东汉史学家班固所著的《汉书》。历史上，石油曾被称为石漆、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”这一科学的命名。

据沈括记载，鄜州、延州境内产石油，当地人常采集到瓦罐里，用于照明。这种油形似纯漆，燃起来像烧麻杆，并冒着很浓的烟，能把帐篷都熏黑。沈括将其命名为石油，并以石油碳黑制墨，光泽、亮度方面都很理想，于是就大量制造，并命名为“延川石液”，苏轼用后评价“在松烟之上”。

天文

改进仪器：浑仪是测量天体方位的仪器，经过历代的发展演变，到北宋时，结构十分复杂，使用起来很不方便。沈括对此作了很大改进：取消了浑仪上不能正确显示月球公转轨迹的月道环，放大了窥管口径，使其更便于观测极星，既方便了使用，又提高了观测精度。

漏壶是古代测定时刻的仪器，沈括对漏壶也进行了改革，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。

沈括还制造了测日影的圭表，他意识到了蒙气差对测量精度的影响，主张采用三个候影表来观测影差，以克服蒙气差对精度的影响，据此制成的新式圭表，提高了北宋圭表测影的技术水平。

天象观测：沈括对天象进行细致的观测，取得了一些新的发现与观测结果。例如，沈括用晷、漏观测发现了真太阳日有长有短。经现代科学测算，一年中真太阳日的极大值与极小值之差仅为51秒。

沈括还详细观察了五星运行轨迹和陨石坠落时的情景；并为测量北极星与北天极的真实距离设计了窥管，每夜3次，连续三月，得200余图，得出当时极星“离天极三度有余”的粗测结论。

改革历法：熙宁五年（1072年），沈括提举司天监，发现《大衍历》沿袭至宋已落后实际天象五十余刻，遂破格提拔卫朴改革旧历；熙宁八年（1075年），《奉元历》修成颁行。新历法改动了闰月和朔日的设置：熙宁十年冬至的临界时分原用午时，新历改用子时；闰十二月改为闰正月，以补算岁日朔日。

晚年时，沈括大胆革新，进一步提出了《十二气历》，以代替阴阳合历。按中国古代历法，阴历和阳历每年相差11天多，虽采用置闰的办法加以调整，仍有很多缺陷。沈括发明的新历，不用闰月；不以月亮的朔望定月，而参照节气定月；一年分为12个月，每年的第一天定为立春，这样既符合天体运行的实际，也有利于农业活动的安排。900年后，英国气象局用于统计农业气候的《萧伯纳历》，其原理也与《十二气历》相同。

地理

地形学：沈括根据太行山岩石中的生物化石和沉积物，分析出华北平原过去曾是海滨，今已东距大海已千余里，而华北平原是由黄河、滹沱河、涿水、桑乾河等冲积形成的。这是对华北平原成因（冲积平原）最早的科学解释。

沈括根据峭拔险峻的雁荡诸峰顶部在同一平面上的现象，推断雁荡山是由流水侵蚀作用而形成：流水将疏松破碎的岩石、土壤等冲走，留下坚硬、固结而耸峭的山峰。这种“流水侵蚀作用”的看法是十分正确的，直到18世纪末，英国的赫顿在《地球理论》一书中才提出类似观点，比沈括晚了约700年。

沈括还详细记录了各地发现的化石、并根据化石来推究古代气候的变迁，解释虹的大气折射现象，科学地描述了龙卷风生成的原因、形态和破坏威力，用月亮的盈亏来论证日、月的形状及海潮与月球的关系等等。沈括对自然地理的研究，在许多方面都走在了当时世界的前列。

地图学：元祐二年（1087年），历经十二年不懈的努力，沈括完成了奉旨编绘的《天下州县图》，图幅之大，内容之详，前所罕见。全套地图共有二十幅，包括全国总图和各地区分图，比例为九十万分之一。在制图方法上，沈括提出分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直等九个方法，并按方域划分出“二十四至”，从而大大提高了地图的科学性。可惜南宋战乱频发，此图竟毁于战火之中，成为千古遗憾。

沈括还首创了用“飞鸟图”来绘制地图，以代替传统的循路步法制图。“飞鸟图” 也就是“取鸟飞之数”，用的是飞鸟直达的距离，类似航空拍摄，这使地图的精确度大为提高。

沈括视察河北边防的时候，还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，呈现给神宗。这是中国地图史上木质地形图的第一次明确记载，比瑞士十八世纪出现的地理模型图早七百年。

水利

熙宁五年（1072年），沈括主持汴河的疏浚工程。为了治理汴河，他亲自测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸八百四十多里河段的地势。用“分层筑堰测量法”测出了河南开封上善门至泗州淮口直线距离420公里之内，水平高差为63.3米。存世古文献中最早记录水平高程测量的方法、过程和结果的科学家。

钱塘沈氏有收集药方的传统，受家学传统影响，沈括也注意搜集医方，并汇集成两本医药学著作《良方》和《灵苑方》（早佚），本着为病人负责的精神，沈括收方必“目睹其验”，并将实物与文献对证，对药物名称和功效进行考证，纠正其中的错误。

沈括在医药学上的贡献还表现在：《良方》中详细记述了秋石阴阳二炼法的程序要诀，有论者认为应属世界上最早的“提取留体性激素”的制备法；《梦溪忘怀录》中关于“药石井”的记述，被认为是最早的磁化、矿化水制备法；《梦溪笔谈》中还对一些矿物的药用价值进行了记录，如莽草、天竹黄等。

来源：福建省科技馆

编辑：肉肉 审核：cc 总编：卜建设