• 沈括的历史影响——中国科学史上的坐标

  • 发布时间:2017-09-23 16:27 浏览:加载中
  •   沈括是一位博学多才、成就显著的科学家。他资质聪颖,勤于思考,并能够向各行各业能者学习,在物理学、数学、天文学、地学、生物医学等方面都有重要的成就和贡献。

      《梦溪笔谈》:一部笔记本百科全书式著作,该书在国际深受重视,被誉为“中国科学史上的里程碑”。

    自幼善观察,从诗画中探索科学


      宋仁宗天圣九年(1031年),在杭州钱塘(今浙江杭州)一个地方官吏的家里,一个小男孩呱呱坠地了,这个小男孩便是日后大名鼎鼎的沈括。

      沈括的父亲沈周,常年在外地做官,家里就只得由他的妻子许氏支撑。沈括的母亲是苏州人,出身书香门第,为人知书达理,贤慧慈爱。小沈括自幼就喜学好问,母亲便成了他的启蒙老师。小沈括最爱听妈妈讲故事,比如民间传说中的嫦娥奔月,夸父追日,牛郎织女……妈妈的姑苏乡音是那么柔和温婉,讲起故事来更是娓娓动听,小沈括常常偎依在妈妈的怀里,仰望当空的一轮皓月,津津有味地听妈妈讲那些动人的故事。

      小沈括稍大一点,许氏便翻检出自己儿时读的《千字文》

      《诗经》《论语》《春秋》……让儿子诵读,她不时从旁指点、讲解,小沈括见到这些书,真是开心极了,他游弋在知识的海洋里,感到新鲜、兴奋,因为父母亲都出身在书香门第,各类图书自然很多,无论文献典籍,还是野史闲书,都让小沈括爱不释手。在这些书籍中,他尤其喜欢读天文、地理、医药、兵法方面的。

      读过了东汉王充的《论衡》,沈括明白了天地是“含气之自然”,而并非神仙世界;天文学家张衡的《东京赋》《西京赋》,文采飞扬、气势豪壮,令沈括钦羡不已;沈括更爱读张衡的天文著作《灵宪》,文章里讲解日月星辰,天地宇宙的奥秘,这让小沈括心驰神往、茅塞顿开,母亲解答不了的许多问题,小沈括在这里都一一找到了答案。正是由于这些天文书籍,不仅让儿时的沈括勤奋好学,养成爱读书的习惯,还培养了他遇到问题肯动脑筋,实事求是,尊重科学的好品格。

      父亲远离家门,常年在外地做官,凡是留下父亲足迹的地方,母亲都会逐一从父亲留下的一份份地图里辨认出来,母亲想让沈括通过这些地图,知道各地的名胜古迹、风土民俗,以便吸引小沈括在地理书中寻觅更多的知识。小沈括深深地喜欢上了这些地图,他憧憬着,盼望着自己赶快长,长大了好跟随父亲到各地去,去看一看神州的大好河山。

      沈括的父亲沈周自幼丧父,对子女分外爱怜。沈括的姐姐,一个早逝,一个出嫁,只有沈括和他的哥哥沈披留在身边。但是沈周长年做官在外,小儿子呱呱坠地时他已53岁,老来得子,更是疼爱非常。沈括十岁那年,沈周任泉州(今福建泉州)长官刺史。沈周上任时,便带着沈括兄弟俩一同来到了泉州。

      泉州是宋代海外贸易的大商埠,商贾云集,港湾洋面千帆竞发,处处呈现出一派繁荣的景象。但是,每到黄昏的时候,城门就会紧闭,街头巷尾看不到一个人影。沈周很诧异。一打听,原来是沈周的历届前任一直在泉州实行宵禁造成的。据说宵禁是为了防止海盗劫掠、盗匪偷抢。沈周赴任后,作为泉州的最高长官,他了解到长期以来宵禁不仅影响了经济的兴盛,还给百姓带来了诸多不便。在他做了一番调查后,就立即宣布取消宵禁,同时加强治安防范。全城居民个个拍手称好,而盗贼也一直未敢侵扰,泉州城从此日夜治安稳定、百业兴旺。

      在泉州,父亲送兄弟俩进了私塾。有一日,老师在课堂上给同学们朗读白居易的一首诗词,“人间四月芳菲尽,山寺桃花始盛开”。老师读完之后,少年的沈括眉头上凝成了一个结。当时,正是四月暮春天气,庭院中的桃花纷纷谢落,已是“绿肥红瘦”,这使得小沈括百思不得其解,于是就请教老师说道:“人间四月芳菲尽,为什么山寺桃花才开始盛开,这不是很矛盾吗?”“这个……下课!”老师道。下课后,这个问题一直旋绕在小沈括的心头。同学们见小沈括在思考,也一起讨论起来。这个说:“人间桃花谢了,而山寺里面的桃花正盛开,那是因为山里住的是神仙。”其中一个小孩反驳道:“山里住着神仙,应该也是人间啊!”大家一时议论纷纷,可最终还是找不到满意的答案,“算了,我们还是亲自到山里看看吧。”小沈括说道。第二天,小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,沈括顿时茅塞顿开,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,温度不同,植物生长的情况也就不同,白居易写的没错儿!

      沈括不仅自己喜欢观察事物,实事求是,也对能够细心观察的人大为赞赏。欧阳修曾经得到过一幅古画,花中有一丛牡丹,其下一猫。欧阳修虽是文学家,但是对于绘画的精妙却不太在行。正巧,他的亲家丞相吴育却懂得欣赏。他就告诉欧阳修说:“此正午牡丹也”,然后说出了一番道理:从牡丹花的颜色、猫眼的瞳孔以及花房收敛等方面道来,入情入理。沈括对此事评价甚高,他赞叹说道:“此亦善求古人心意者”。

      沈括的细心观察也体现在他对诗词的见解上。崔护的《题城南诗》,在宋代所传两个版本,第三句有不同。这个不同,据唐代传奇中说,崔护当时写的是“人面不知何处去”,但觉得意犹未尽,且用语不够工整,就改成了“人面只今何处在”,所以在宋代流传着两个版本。沈括认为,“唐人工诗,大致多如此,今虽有两个‘今’字,不是很恰当,我觉得只是取语意而已”。当内容和形式有冲突时,当以内容为主,所以就是在短短的绝句中,出现了两个“今”,但为了更好的表达,也不觉得有什么不妥。沈括为此发出感叹:“所谓旬锻月炼者,诚然不是虚说。”

      这让沈括想起了他在经过磁州的时候亲眼看到了钢铁的锻炼过程:选取精铁锻打百余次,每次锻打都要称量;每次锻打以后分量都要少一些,直到多次锻打以后分量再不减少,这就是纯钢了——也就是钢铁的精纯部分。诗人炼字用词也是这样的道理,用“锻炼”来说明诗人寻章摘句过程的艰苦与精炼,一点也不为过,这样我们才能理解苦吟诗人贾岛为了一个字一个词捻断几根胡须的事情了!沈括对王安石用宋王籍诗句“鸟鸣山更幽”对古人诗句“风定花犹落”也很赞叹。这个对句静中有动,动中有静,动静相生,更增加了动感和厚度,比原来的“蝉噪林欲静,鸟鸣山更幽”要好得多,就是增加了层次感,同时也增强了真实感。

      他随父亲居住在福建泉州时,就听说江西铅山县有一泓泉水不是甜的,而是苦的,当地村民将苦泉放在锅中煎熬,苦泉熬干后就得到了黄灿灿的铜。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,并把它记录下来。这是我国有关“胆水炼铜”的最早记载,历史的发展证明他的记载是正确而可靠的。原来在铅山县有几道溪水不是清的,而是呈青绿色,味道是苦的,当地村民称为“胆水”,“胆水”就是亚硫酸铜溶液。村民将“胆水”放在铁锅中煎熬,就生成了“胆凡”。“胆凡”就是亚硫酸铜,亚硫酸铜在铁锅中煎熬,与铁产生了化学反应,就析出了铜。

      由于历史的局限,沈括还不能明确地揭示“胆水化铜”的化学原理,但已经阐述了“胆水炼铜”的全过程,同时也记录了在铅山周围有一个规模不小的铜矿。他的记载有巨大的经济价值,沿着铅山县的胆水往北寻找,在贵溪县果然找到了巨大的铜矿,这座铜矿就是现在江西铜业公司的开采地。如今江西铜业公司的电解铜已经达到年产九十万吨,产量在国内居第一位,在世界居第三位,江西铜业的发展,常使后人想起沈括有关“胆水炼铜”的记载。

      沈括很有环保观念,很早就指出不得随便砍伐树木。有一次,沈括在书中读到“高奴县有洧水,可燃”这句话,他不解洧水为何物,又为什么会燃烧?后来,他特地对书中所讲的内容进行实地考察。考察中,沈括发现了一种褐色液体,当地人叫它“石漆”或“石脂”,用它烧火做饭,点灯和取暖,这才恍然大悟。沈括经过反复研究,认为洧水这名字不切合实际,强调是水,可实际上却是油,因此他给这种液体取了一个新名字,叫“石油”,这是伟大的创意。“石油”这个名字有科学性,容易为人接受,一直被沿用到今天。他当时就想到要用石油代替松木来作燃料,因为他认为不到必要的时候决不能随意砍伐树木,尤其是古林,更不能破坏!

      发现了“石油”后,沈括就开始琢磨,这东西“燃之如麻,但烟甚浓,所沾帷幕皆黑”,石油一燃烧起来就有浓烟,他盯在烟上,烟能不能变为宝呢?扫下烟来,他想制成墨,一试,果然效果不错,黑光如漆,松墨不如。这在当时可是好东西,所以进行大量生产,还取名“延川石液”,在当时产生了轰动。

      我国最早记述石油与石油开采的记载也来自于沈括在晚年创作的著作——《梦溪笔谈》。那是北宋元丰三年(1080年),沈括五十岁,出任陕西延安府太守,在西北前线对抗强敌西夏的入侵。他在紧张的军旅生活中,仍不忘考察民间开采石油的过程,在《梦溪笔谈》中他记录了石油的存在状态与开采过程。他在书中写道:

      “在鄜州、延州境内有一种石油,就是过去说的高奴县脂水,脂水就是石油。石油产生在水边,与砂石和泉水相混杂,时断时续地流出来。当地居民用野鸡尾毛将其沾取上来,采集到瓦罐里。这种油很像清漆,燃起来像火炬,冒着很浓的烟,帐幕沾上了油烟都变成了黑色。我猜测这种烟可以利用,于是试着扫上它的烟煤用来做成墨,墨的光泽像黑漆,即使是松墨也比不上它。于是就大量制造它,给它标上文字,叫做‘延川石液’。这种墨以后一定会广泛流行在世上,只是从我开始做它罢了。”

      根据现有的史料,他是第一个使用石油的人,他将石油燃烧后产生的烟尘制成了墨,他还写过一首《延州诗》,描述了延州开采石油形成烟尘滚滚的盛景:“二郎山下雪纷纷,旋卓穹庐学塞人。化尽素衣冬未老,石烟多似洛阳尘。”

      沈括所记载的“延州石油”如今已形成我国著名的长庆油田,累计探明油气地质储量54188.8万吨,年产量达到了2000万吨,约占全国的十分之一,长庆油田已是我国重要的能源基地之一。

    用科学的精确态度兴修水利造福百姓


      沈括所处的北宋王朝,建立已满百年。初期因社会稳定、经济增长而达到了顶峰以后,就开始转入了下坡路。这主要表现在:土地越来越集中到少数大地主手中,农民租种他们的土地,收获的一点粮食,除了交租完税,就所剩无几了。簸糠麸,食秕稗,掘菜根,采橡实,这就是冬春两季农民贫困生活的写照。朝廷养兵数目庞大,官僚只知横征暴敛。特别是逢到三年两载遭灾荒的情况,最底层的农民更是苦不堪言。沈括跟随父亲南来北往,读书游历。锦绣山川令他才思日增,社会见闻引他思索探寻。在沈括的心目中,父亲是个亲民官,他接近民众,廉洁奉公,只是稳健少露锋芒,未有惊人之举。沈括眼见当时的社会,贫富悬殊,豪强称霸,危机四伏,冤案如麻,不免忧心忡忡。

      王安石在诗笺《河北民》中,就表达过他的感慨:“今年大旱千里赤,州县仍催给河役。老小相依来就南,南人丰年自无食。悲愁天地白日昏,路旁过者无颜色。”沈括读过此诗后,深深敬佩王安石的忧国忧民之心。王安石后来向仁宗皇帝上万言书,主张改革政治,被朝廷重用,当上宰相,成为变法革新的主帅。

      青年沈括受父亲的言传身教,游历四方的耳闻目睹,再加上王安石的影响,心田里播下了改革的种子。他立志要在这动荡不安的年代里力求上进,有所作为。父亲沈周去世后,按当时的传统,沈括守孝三年。由于父亲的官职,死后荫子的制度,朝廷任用沈括为沭阳(今江苏沭阳)主簿。至和元年(1054年)正月,二十四岁的沈括服丧期满,走马上任。

      主簿是个低级的官吏,相当于县令的助手。沈括来到沭阳上任后,他不嫌官微职小,完成公务兢兢业业,更不做狐假虎威、欺压百姓的事。他给朋友写信说:“做官最低微而劳苦的,莫过于主簿。沭阳方圆几百里,凡是兽蹄鸟迹所到之处,都有主簿的职责,十件事里我要做八九件。忽上忽下,忽南忽北,忙得晕头转向,以至于连风霜雨雪、明暗冷暖,也全然不知了。”

      沭阳境内有条河,叫沭水,因长期失修,下游淤塞,以致河水漫溢,水灾连年不断,两岸的田地熟不长粮,荒不长草,百姓生活困苦不堪。沭阳县令名为全县的父母官,不但不体恤民情,放赈救灾,反而变本加厉,搜括民脂民膏。百姓被逼得走投无路,奋起反抗官府,眼看一场农民起义即将在沭阳全境蔓延开来。

      这个情况非同小可,把沭阳县的上司吓得手忙脚乱。为平息民愤,掩人耳目,他们慌忙调走县令,空出县衙门,让沈括出来应付局面。沈括早已熟悉当地民情,对这场斗争的起因也了如指掌,既然在危急关头派他来代理县令,他就决定立刻执行安定民心的政策,一方面进行减租,一方面延长交税的时间。这个政策大快人心,老百姓这才松了一口气,一场风波渐渐平息了下来。

      但是,沈括清楚地了解到,只有彻底整治沭水,发展沭阳农业,才能从根本上缓和农民与官府的对抗局面。于是,修浚沭水的工程在沈括的主持下,迅速开展起来了。民众认识到工程与自己的切身利益紧密相关,都积极参加治水工程。堤坝上,数万民工浩浩荡荡,一片热火朝天的景象。沭水的整治工程进行得十分顺利,河道拓宽加深,翻起的泥土筑成两道大堤,沭水流域新添百渠九堰,新开垦良田七千顷。全部工程只用了原计划的四分之一的时间,提前竣工。沭阳面貌由此改观,农民无不称颂沈括的德政。

      由于整治沭水获得成功,沈括的才能引起了朝廷的关注。第二年,他便被调到东海(今江苏东海)代理县令。到东海后,他继续坚持兴修水利、发展农业的利民之策。当时他哥哥沈披在宣州宁国(今安徽宁国)任县令。在家信中,沈披常向沈括提及治理秦家圩的设想。沈括对此事十分关心,他还特意去哥哥那儿亲自考察了一番。

      原来,秦家圩是位于现今安徽芜湖境内的一大片圩田,原来是属于一秦姓大户人家的。圩田是积水的低洼地,只要在环绕四周的筑堤岸内设闸门,在圩区内修渠挖沟,纵横交错直通闸门,就能做到涝能排水,旱可浇灌,年年也就能确保好收成。但是,北宋初年,一次特大的洪水冲毁了秦家圩的圩堤,从此圩田成为了一片汪洋。很多年过去了,修复圩田的建议虽不时有人提起,却一直遭到反对派的抵制。反对派提出反对的理由是:圩堤把洪水阻拦在圩田之外,逼得洪水没有归宿,必然冲决圩堤,酿成水灾。

      沈括考察过后,他对那些反对派们提出了反驳意见,他说:“圩北大小湖泊绵延三四百里,圩西和大江相连,洪水来袭,自有去处。圩田拦截洪水份量不大,不会抬高水位。”这时候,又有一个反对派站出来说:“秦家圩的东南濒临大湖,堤岸不断受风浪冲刷,时间一长,圩堤难保。”沈括则认为只要措施得当,圩堤是可保的,他坚决主张修复秦家圩的圩堤,在大堤百步缓坡之外,修筑附堤,这样能使堤基加厚,然后在堤上栽植柳树,在堤底种植芦苇。这样一来,再猛再大的风浪经过芦苇的层层阻挡,漫坡的缓缓减势,对大堤也不会构成严重威胁了。

      还有人抬出蚊龙来反对修复圩田:“圩水流出闸门,水过之处底下都有蛟龙潜伏,所以圩堤容易崩溃。”沈括听后,一针见血地破除了他的封建迷信思想,他说:“圩水流出堤外,在堤岸脚下冲刷出水潭,水潭越冲越大,最终危及圩堤。这哪里是什么蛟龙潜伏呢?”更有一些因循守旧的人还借口圩田修复后,断了在沼泽里采茭牧养的农户的生路,会引起他们的不满。其实,采茭牧养的农户乐于恢复祖辈耕种圩田的传统,真正反对修复圩田的不是他们,而是那些养尊处优、迷信守旧的达官富绅。

      由于争论的背后有上级官府、同级幕僚以及当地富豪乡绅在推波助澜,秦家圩的天空一时间阴霾密布。主张修复秦家圩的判官谢景温是沈括的表侄女婿。他在县令沈披以及沈括支持下,呈报江南转运使张颐,再上奏皇帝,最后终于获得批准。沈披精通水利,又有沈括修浚沭水的成功经验。这样,兄弟两人的论证,理由充足,根据可靠,计划也就更加周详。更重要的是,工程顺乎民心,一经号召,万众响应,八方支持。秦家圩的修复工程在沈括等人的带动下,进行得轰轰烈烈,如火如荼。

      那时正值江南灾荒,难民不断涌入秦家圩,于是圩田工程就采取“以工代赈”的方法,几日间便招募民工一万四千多人。从宁国、宣城、当涂等八个县通往芜湖地区的路上,赶运粮草沙石的队伍,车轮滚滚;蜿蜒近百里的大堤脚下,民工的工棚星罗棋布。仅仅八十多天时间,建成一道宽六丈,高一丈二,长达八十四里的圩堤。新堤上,一排排桑树,数以万计,长得枝繁叶茂。圩堤内,良田一千二百多顷,沟渠纵横,如一方方棋盘。每一顷圩田都有名号,如“天”、“地”、“日”、“月”……当年收获的粮食交租三万六千斛,还清朝廷拨给的粟米,还有菇、蒲、桑、麻等收益五十万文铜钱,其中四万文抵付工程投资,其余均为农户收入。农民收入大增,纷纷称颂圩田修复得好。朝廷得报,宋仁宗十分欣喜,将新修圩堤赐名“万春圩”。

      但是,好景不长。万春圩修成之后不过三年,长江下游又发生大洪水。这次水灾情势严重,受淹地域很广。从长江中游的汉水、沔水流域直到下游的江浙一带,江水泛滥,房舍没入水中,难民流离失所,数以万计。安徽宣州(今安徽宣城)到池州(今安徽贵池)一带,大小一千多个圩区惨遭淹没。只有万春圩安然无损,在大水之中依然绿洲一片,生机盎然。但是,原先一向反对修复方春圩的官绅们却颠倒黑白,自以为报仇的时机到了,他们向继仁宗之后继位的英宗皇帝谎报灾情,说大水灭顶,都是因为修了万春圩造成的。英宗昏庸,偏听偏信,下诏贬谪了张颐的转运使和谢景温的判官职衔。

      沈括对此愤慨难平,挥笔写下了《万春圩图记》,披露事实真相,以正视听,并继续倡导修圩改田一事。后来在他的积极倡导下,规模宏大的万春圩得到了修筑,并开辟出了能排能灌、旱涝保收的良田一千二百七十顷,同时他还写了《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),黄河泛滥,滔滔河水冲垮了汴京东北一百多公里处的商胡大堤(今河南濮阳东北)。决口宽八百多米,汹涌的黄河水淹没大片良田,冲毁民房数万间,守卫边防用的战备粮草器材也损失了八九成。决堤的洪水如脱缰野马,掉转方向,径直向北,直逼汴京的门户北京(今河北大名),形势十万火急。

      因沈括对水利工程非常精通,于是皇帝下诏派沈括去疏浚汴河。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里河段的地势。他率领部下从京城东门起,沿河岸直向下游,边走边访问当地居民,探讨疏浚汴河的方案,也顺便了解两岸淤田的情况。

      汴河的河床应该挖掘多深才算疏浚好了呢?沈括先进行实地试验。他堵住一角河道,挖尽沉积的淤泥,一直挖到三丈深,发现底下有石板,那是从前疏浚河床时留下的标记。沈括大吃一惊,想不到淤泥把河床垫高了三丈多,疏浚汴河是多么艰难的任务啊!

      要清除这么多淤泥,用人力挖必定费力耗时,有什么更好的办法呢?这时,沈括想起了王安石提倡过淤田,办法就是在汴河水大流急时,故意掘开一段堤岸,让汴河水把河床的淤泥冲刷到堤外的盐碱荒滩上。这样反复做几次之后,既可为汴河清淤,又可造地,变荒滩为良田。

      不过,这位治河经验丰富的著名科学家在治理汴河工程时却碰到了一些难题。汴河地理位置重要,是通向东京汴梁的一条命脉,而从开封到泗州一段,则是汴河最紧要的部分,需要格外重视。疏浚河道,第一步要做的便是进行河道测量。如果是比较直的河道,就容易一些,按照一步等于五尺的规则计算就可以了。但是沈括发现,汴河的河道地势高低起伏,而且整条河弯弯曲曲非常不规则,仅靠现有的水平尺或标尺等常规工具肯定不可能准确测量如此复杂的地形。怎么办呢?这可难坏了沈括等一干大臣。有人说,大体测量一下就可以了,不用非得那么准确。但是沈括天生是个认真的人,又长期搞科研,养成了严谨的习惯,虽然目前困难重重,但他坚决反对敷衍应付。不过,一时半会,他们也没想出好主意,沈括有些着急,没事就出去到工地巡视,他看见几个儿童在河边上嬉戏玩水。孩子们齐心协力,在小沟里用沙泥建起一道道小型堰塘,虽然泥水溅得满身都是,但孩子们玩得很开心。沈括凑到跟前,仔细研究孩子们的“杰作”,突然沈括一拍脑袋,道:“有了!”他赶紧跑回去设计方案。

      次日,沈括让工人们停下所有手头的工作转而集中力量逐段挖通堤外的小沟,把它挖成一条与汴河大致平行的河道。河工们有些纳闷,本来汴河就那么难疏通,不抓紧时间干正事,怎么玩起旁门左道了,大家都很莫名其妙,甚至偷偷有些不解和怨气。但是,沈括一声令下让怎么干就得怎么干,既然让挖小河道就挖吧!过了一段时间,小河道挖通了,沈括又下令向小河道里灌水,好让水都蓄积在靠近泗州一边的地势最低平的测量点上。渐渐的,水都流向地势低的地方,靠地势较高的小河道便形成了浅涸。沈括再让河工们在浅涸的地方再筑一道堤堰,再灌水,于是又会出现浅涸,如此这般,一段段地建堤堰。河工们开始看出门道了:“这不就是孩子们玩水的游戏吗?”小河道里的水是静止、水平的,通过分层筑堤堰,河道形成了一个个阶梯。只要然后逐级测量各段水面,累计相加各段的高度,它们的总和就是开封和泗州间“地势高下之实”的实际数字了。

      这便是沈括发明的“分层筑堰法”。他运用这种方法,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,并测出开封比泗州地势高出19丈4尺8寸6分。沈括取得了汴河这两个最重要的数据,为七年以后的导洛清汴工程打下了基础。在此后的四五年时间内,又取得引水淤田一万七千多顷的显著成绩。在对地势高度计算时,其单位竟细到了寸分,可见,沈括的治水态度是极其严肃认真的,而且这在世界水利史上也是一个创举。

    考察山河形成其地理学说


      沈括一生为官,四处飘泊,几乎走遍了大半个中国。峭拔险怪的名山,一碧万顷的平川,烟波浩渺的湖泊,飞湍急流的江河,到处留下他的足迹。他深邃的目光,透过青山秀水,看到了它们的沉浮变迁。比如在雁荡山,沈括发现了一个奇怪的现象:他曾游览过不少名山,都是从岭外便能望得见峰顶,而雁荡山却不然,只有置身山谷,才能看到高耸入云的诸峰。经过再三琢磨,沈括得出了结论:是山谷中的大水,将泥沙冲尽之后,这些巨石才高峻耸立,拔地而起的。而且,雁荡山的好多独特景观,如大小龙湫、初月谷等,也都是大水长年累月冲凿的结果。由此,他联想到西北那土墩高耸的黄土区,和雁荡山的成因相同,也是大自然的杰作,只不过一个是石质、一个是土质而已。他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。通过观察雁荡山诸峰的地貌特点,分析了它们的成因,沈括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。

      神宗时,沈括担任经略使。有一年在延州,黄河大堤崩了,并出现裂痕,中间出现竹笋林。这太奇怪了,沈括进行了仔细地考察。他看到一大片根干相连,都化为石的竹笋,真是罕见,根本无法知道这是什么年代的东西。沈括就想:这儿的环境不适合竹子生长,可是却怎么会有竹笋的化石?想了好久,他得出结论:“是不是从前这里气候温暖潮湿,适合竹子生长呢?”沈括觉得他这个结论还是很科学的。在此基础上,他还观察研究了从地下发掘出来的桃核、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,以及古环境变迁、植物地理分布的制约因素等。同时,他还考察了黄河三角洲并提出三角洲是黄河泥沙堆积而成的,这些见解用今天的眼光来检验也是正确的。他提出广种树木、保护树木以涵养水份的观点,也完全符合当代的保护环境的理念。这些都表现了沈括可贵的唯物主义思想。

      沈括关于因水侵蚀而构造地形的观点,在当时只有阿拉伯的一位科学家“英雄所见略同”,直到七百年之后,英国科学家赫登才完整地运用了这一原理论述地貌变化。另外,在冲积平原成因的解析方面,在“化石”的命名以及地形测量和地图绘制等方面,沈括的贡献也极有价值。

      宋仁宗时,有一天,一位大臣捧着一颗龙蛋来见仁宗,大臣振振有词地说是从黄河中漂来的。漂来龙蛋,岂不象征着大宋上承天运吗?这可是祥瑞,仁宗大喜,并重赏了那位大臣,并派人把龙蛋送到金山寺里供奉了起来。这个龙蛋送到寺里不久,寺里发水了,冲了寺。大臣们嘀咕,这龙蛋是灾星,带来了灾难,当然他们不敢跟皇上说。仁宗也嘀咕,但是要推翻自己的说法,又实在不妥。于是再也不提这件事情了,龙蛋也就再无人过问了。这龙蛋到底是什么样的呢?沈括就想去看个究竟。原来这龙蛋跟鸡蛋差不多,只是特别大而已。但当时沈括也只能是看看,不敢深入研究,因为这涉及到皇帝的体面。到了英宗时,泽州一户人家挖井时挖到龙蛇一样的东西,不敢动,放了好久,还是那样。胆大的摸了一下,原来是石头。后来打碎了,众人给分了。沈括后来见到一块,看到有棱有角,像蛇身上一样,不过特别大,沈括研究了许久,得出结论:这是一块蛇化石。

      沈括在地学方面的卓越的论断,反映了我国当时地学已经达到了先进水平。在欧洲,直到文艺复兴时期,意大利人达·芬奇对化石的性质开始有所论述,却仍比沈括晚了四百多年。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,终于完成了我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,为我国古代地图学做出了重要贡献。

      沈括为了维护宋朝边境的安全,十分重视地形勘察。有一次,宋神宗派他到定州(今河北定县)去巡视。他假装在那里打猎,花了二十多天时间,详细考察了定州边境的地形,还用木屑和融化的蜡捏制成一个立体模型。回到定州后,沈括要木工用木板根据他的模型,雕刻出木制的模型,献给宋神宗。这种立体地图模型当然比绘制在纸上的地图更清楚了。宋神宗对沈括画的地图和制作的地图模型很感兴趣。第二年,就叫沈括编制一份全国地图。但是不久,沈括受人诬告,被朝廷贬谪到随州(今湖北随县)去。在那里,环境虽然很困难,但是他坚持绘制没有画完的地图;后来,他换了几个地方的官职,也是一面考察地理,一面修订地图,坚持了十二年,终于完成了当时最准确的一本全国地图——《大宋天下郡守图》。

      《大宋天下郡守图》是他用“飞鸟图”创造并绘制出来的,这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,有点像现在的航空拍摄,使得地图的精确度大为提高。令人没想到的是,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,起到了十万士兵都难以达到的威力。

      北宋与辽国之间战争不断,签订《澶渊之盟》后双方罢兵休战。辽国垂涎中原地区的繁华,仗着骁勇的骑兵,不断提出领土要求。自从宋真宗以后,宋朝一直依靠每年送大量银绢,维持了几十年跟辽国暂时妥协的局面,但是辽国欺宋朝软弱,想进一步侵占宋朝土地。宋熙宁八年(1075年),辽国派大臣萧禧来到东京,要求重新划定边界,他提出的边界是山西北部的黄嵬山(在今山西原平西南),黄嵬山以北为辽国所有,以南为宋朝所有,宋朝如同意他的要求,等于将辽国的领土向南推进了三十多里。

      黄嵬山是一座默默无闻、名不见经传的山脉,北宋大臣对此山几乎是一无所知,朝廷上下顿时乱作一团。宋神宗派大臣跟萧禧谈判,双方争论了几天,都没争论出个结果。萧禧坚持说黄嵬山一带三十里地方应该属于辽国,宋神宗派去谈判的大臣由于不了解那里的地形,明知萧禧提出的是无理要求,可就是想不出办法反驳他。就在这危急关头,宋神宗猛然想起了熟识地理的沈括,于是赶紧命他出任谈判特使,指示他既不能随意向辽国挑衅,但也不能向敌示弱而接受无理要求。

      沈括精通地理,而且办事认真细致。他首先到枢密院,从档案资料中把过去议定边界的文件都查清楚了,证明那块土地应该是属于宋朝的,而他所凭借的依据就是《天下郡国图》。他把自己在《天下郡国图》中所查找到的资料向宋神宗汇报了一番,宋神宗听后,非常高兴,马上就命沈括画成地图。地图画成之后,宋神宗就送给萧禧看,并向萧禧说明地图中的边界:两国曾按《澶渊之盟》划分边界,边界是白沟河,白沟河以北为辽国领土,以南为大宋领土,而黄嵬山在白沟河以南,是大宋的领土,而不是辽国的领土。萧禧没有一张自己的地图,更不知道黄嵬山的准确方位,在地图面前,他顿时感到理亏三分,气焰不知不觉地矮了一截,争论了几天后,双方都无功而返,但也没有将争论推向极端。此时的萧禧也不像先前那样振振有词了。

      不久,宋神宗派沈括出使上京(辽朝的京城,在今内蒙古自治区巴林左旗南)。沈括在出发之前做了大量的准备工作,他首先收集了许多地理资料,然后叫随从的官员把这些资料都背熟。来到上京后,辽朝派宰相杨益戒跟沈括谈判边界,辽方提出的问题,沈括和官员们对答如流,有凭有据。沈括又再次提出以《澶渊之盟》为基础,以《天下郡守图》为依据,有理有节,寸步不让,而辽国宰相却找不到重划边界的理由。杨益戒一看没有空子好钻,就板起脸来蛮横地说:“你们连这点土地都斤斤计较,难道想跟我们断绝友好关系吗?”这时,只见沈括理直气壮地说:“你们背弃过去的盟约,想用武力来胁迫我们。真要闹翻了,我看你们也得不到便宜。”随后,沈括又出示了宋朝的木制地形模型,这使得辽国宰相大为惊奇,深感宋朝有奇才能人。在充分的证据面前,辽国宰相无话可说,只好放弃了他们的无理要求,沈括运用智慧捍卫了宋朝的尊严,他不愧是一位出色的外交家与地图学家。

      沈括带着随从的官员从辽朝回来,一路上,每经过一个地方,他便把那里的大山河流,险要关口,画成地图,还把当地的风俗人情,调查得清清楚楚。回到东京以后,他把这些资料整理起来,献给宋神宗。宋神宗龙颜大悦,直夸奖沈括立了大功,为犒赏他,加封他为翰林学士。

    力排众议提倡科学的十二气历


      治平四年(1067年),宋英宗病逝,神宗即位,改年号为“熙宁”。沈括晋升为馆阁校勘,奉诏编修《南郊式》。这是皇帝祭天的礼仪章程。每年冬至日,由皇帝主持在京城的南郊筑坛祭天。为此,总要兴师动众,大修宫阙亭苑,广征奇花异石,帐幔蔽日,彩旗漫天,不仅劳民伤财,而且礼仪繁缛,天子百官视为负担,颇感倦怠。神宗才20岁出头,意欲改革,又恐违背祖训,便命沈括详加考订,重修礼仪。

      沈括将历代的祭天礼仪考察一番后,删繁就简,保留精髓,使新的仪式显得更加庄严隆重。上奏朝廷,龙颜大悦。从此,冬至日的祭天活动,免去了游园观赏,压缩土木工程和珍奇征集之役,节省了开支,臣民称道。这也是沈括革新变法的初步尝试。

      在昭文馆里,忙上加忙,沈括挤出时间钻研历代天文书籍,提出了不少科学创见。有一次,一位大臣问他:“日和月的形状,究竟是像一颗弹丸呢,还是一柄团扇?”

      “像弹丸。”沈括对此素有研究,早就深思熟虑过,这时自然脱口而出。

      “何以见得?”

      “可以用月的盈亏来验证。”沈括回答。“月本无光,好比一颗银丸,太阳光照射其上,才有反光。我们看到新月,那是太阳光照在它的侧面,好似一弯银钩。太阳离月渐远,日光斜照,月亮也就渐渐圆满。”

      沈括边说边擎起一个圆球。圆球表面一半涂有白粉。他把圆球白粉的一面正对大臣,说:“这是满月,月亮是一轮正圆。再把圆球移至侧面,涂白粉的地方显示弯钩形。大人请看,月亮像弹丸否?”

      沈括这一番直观的比喻,浅近而又贴切地阐发了东汉天文学家张衡的主张——月不发光,只是日光反照。

      大臣越听兴趣越浓,又问:“那么,日食、月食又是怎么回事呢?”

      沈括回答:“月亮运行到太阳和地球之间,挡住了太阳光,地面上投下了月亮的影子。在那里见不到太阳,这就是日食。同样,月亮走进地球的影子里,太阳光射不到月亮上,月食便发生了。所以,月食一定发生在满月的望;日食必定出现在月初的朔。”

      “依你所说,每月都会发生一次日食、一次月食喽?”那位大臣对天文颇有研究,以为这次可以问倒沈括。不料沈括不慌不忙,依旧侃侃道来:

      “当然,并不是每次朔、望都出现日食和月食。这是因为太阳走行的轨道‘黄道’和月球走行的轨道‘白道’,这两个圆环不在一个平面上,而有一个很小的交角。只有在黄道、白道交点附近,日、月、地三者成一直线时,才会发生日食或者月食。”

      沈括还解释这日月轨道的交点沿着黄道后退,每月退行一度多,经过249次相交后又恢复原状。这些日月食的成因、过程及其规律,他都说得一清二楚,而且和现代科学的结论相当接近,足见沈括在昭文馆里不曾虚掷光阴。昭文馆的藏书为他提供了丰富的知识乳汁,哺育他成为科学巨人。

      由于编修《南郊式》,发表了独创的天文见解,使神宗皇帝对沈括刮目相看。神宗分派他参与详细校定浑天仪的工作。北宋历代皇帝对历法改革都是比较重视的,但是他们这样做的目的并不在于积极发展科学事业,而主要出于政治需要。因为历法是否准确,除了与农业生产和人民生活有关,还与统治阶级的命运有着紧密的联系。在封建统治阶级看来,历法与天象相吻合,正好说明朝廷的统治与天意是一致的。统治阶级总要借天象欺骗人民,同时自己也受天象的控制。北宋时期由于经常受到北方的辽和西夏的侵扰,国势较弱。又由于阶级矛盾尖锐,农民不断举行起义,因此统治阶级特别迷信于天象,总是希望能从天象中突击探出老天爷的意向。正由于这个原因,历法才受到北宋历代皇帝的重视,在一定程度上促进了这一时期的历法改革活动。

      浑仪是测量天体方位、观察星象的重要仪器。经过历代的发展的演变,到了宋朝,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。

      战国中期出现的原始的浑仪十分简单,只有两个环——赤道环和四游环。四游环绕极轴旋转,环上有窥管,窥管可以转动角度来观测天体,后来经张衡、李淳风等科学家一次又一次的改进,越来越复杂、精密。沈括时代的浑仪分内、中、外三层。外层固定不动,由地平圈、子午圈和赤道圈组成。内层是附设有窥管的四游环,绕极轴旋转。中层由三个相交的圆环——黄道环、白道环和赤道环构成,分别用以表示太阳、月亮和恒星的位置。

      沈括发现白道环显示的月亮的位置与实际不符,而且常常遮掩部分天区,妨碍窥管的观测,使用起来很不方便。白道环成了累赘。其实,月亮的位置很容易计算出来。因此沈括决定取消白道环。他还挪动了黄道环和赤道环的位置,使它们不再遮挡窥管观测的视线。

      他同时放大了窥管,他是从观察北极星而发觉窥管的缺点的。北极星自古以来被看成是在北天正中,位置永不偏离的。祖冲之的儿子祖暅测得北极星距离天极不动处一度多。沈括将窥管对准天极,经过不多时分,只见北极星越出了窥管的视野。于是,他换上一根稍粗的窥管再观察,还是跟不上北极星的游转。这样,窥管逐渐加粗,从原先可观测一度半的视野,最后扩大到七度,历时三个月,每夜初、中、后各观测北极星一次,北极星总在窥管视野之内,常见不隐。为此,沈括画了二百多幅北极星的位置图,得出比祖暅更为精确的结论:北极星偏离天极不动处最远时有三度多。

      沈括取消白道环、加粗窥管,有了充分根据后,决心制作新的浑仪。他先做了一个新浑仪模型,再放大制成新浑仪。这是浑仪发展史上的里程碑,为后来元代科学家郭守敬进一步改革和简化浑仪,创制更先进的简仪,准备了条件。

      要精确测定时间,沈括还深入研究了浮漏和景表。

      浮漏又称漏壶、漏刻,是古代利用水的流动来计量时间的一种仪器。由求壶向复壶供水。复壶侧壁上部有一支管,当水面超过时,多余的水从上支管溢出,流往废壶,使复壶内水的高度保持不变。复壶因此以均匀不变的速度滴漏。滴漏出的水流进箭壶,使箭壶内的箭舟不断浮起,箭舟上的漏箭伸出壶盖,露出刻度,标示出时间。

      历代浮漏都用曲颈龙头,水流不畅,还容易折损。沈括把它改为直颈。流水的侧管原先都用铜制,沈括改为玉制,避免铜锈蚀而生成铜绿污染水质、堵塞漏孔。经过沈括改进的浮漏,水流畅通,计时准确,经久耐用。

      沈括观测浮漏时刻,也观察到许多人已发现的奇怪现象:每逢冬至前后,景表测出的时间已满一昼夜,但漏箭刻度并没有到顶;而每到夏至前后,景表报出不到一昼夜,漏箭却已显示出一昼夜的刻度。众人都认为冬夏水流的通畅程度不同,水流快慢有别,所以使漏箭刻度出现偏差。

      唯独沈括不同意这种臆测。他想起340多年前唐代天文学家僧一行的发现:太阳在黄道上运行的速度并不是均匀的,冬季稍快,夏季稍慢。沈括坚持观测了十多年,比较景表与浮漏报的昼夜长短差别,发展了僧一行的研究成果,证明一年内每昼夜的长度都有微小的差异。

      为了修正浮漏与景表显示的昼夜长短差异,以往都是每一节气换用不同刻度的漏箭。这种办法既麻烦,又没有从根本上解决每昼夜的长度天天有微小变化的问题。

      沈括提出“招差术”,用数学上的内插法来精细地修正漏箭读数,即,知道各节气那天的修正值后,按变化的趋势计算出两个节气间每天的差别。这样既方便又准确。首创内插法是沈括在数学上的贡献。

      上述发现和发明,沈括都写进《浑仪议》《浮漏议》中。连同他研制成功的浑仪、浮漏等天文仪器,一并呈献神宗。浑仪安放在汴京迎阳门城楼上,神宗偕文武大臣视察后十分满意,赏赐完毕,命移入司天监使用。

      这次校定浑天仪成功后,沈括受诏兼任“提举司天监”,即司天监的主管。司天监是观测天象、制订历书的中央机构。在这里,沈括在观天改历的同时,还展开了整顿司天监的斗争。

      熙宁五年(1072年),沈括进入司天监主持工作。他首先了解司天监原来的业务活动,明察暗访。从表面上看,司天监的观测结果每次都和皇宫里的天文院相互对照,严加监督。天文院里有漏刻、观天台和铜浑仪等观测天象的设备,和司天监里的完全一样。每夜天文院都要报告星象的实况,有没有发现凶吉征兆,呈送报告的时间必须赶在皇城开门之前。开门之后,司天监的观测报告才送到。把这两种报告相互核对,以防弄虚作假。

      但是,沈括发现,司天监和天文院私下串通,夜间从不观测天象,日月星辰的位置和运行情况全是白昼从历书上推算出来的,然后编出一模一样的报告来。这种做法早已习以为常,皇宫内外都心照不宣,相互包庇。

      沈括气愤已极,决心革除积弊。他逐个考核官员的业务水平和履历,发现他们大多是仰承世袭、白食俸禄的酒囊饭袋,一次,预报日食有误,第二天不见日食。恰巧那一天下了一夜小雨,又有皇太子降生,百官借机向皇帝庆贺。有个朝官献给皇帝一首诗:“昨夜薰风人舜韶,君王未御正衙朝,阳辉已得前星助,阴诊潜随夜雨消……”竟把见不到日食说成是皇帝因为像尧舜一样关心民间疾苦,所以日食的不祥之兆悄悄地随着一场夜雨消失了。

      沈括想,如此不学无术的庸碌之徒,怎么能修得成历法!他抓住司天监与天文院勾结舞弊的证据,一次就罢免了六个官员。同时,吸收一批有真才实学的人,组成技术培训班,分五科进行训练,学成后量才录用。

      经过这么一番整顿,一时间司天监还真的出现了一番新气象。

      整顿司天监,罢免不学无术的历官后,沈括深感监内有用人才急缺。那么从何处发掘人才呢?他从司天监档案里翻检出一则木钟馗的记载来,颇受启迪。

      二三十年前,有一个姓李的术士,向荆王敬献一个钟馗样的木偶。这木偶精雕细刻,活动自如,有二三尺高,左手托着香饵,右手握住一块铁板。当老鼠攀缘而上吃食时,木钟馗的左手便捉住老鼠,右手随即挥动铁板把老鼠击毙。原是打鬼判官的钟馗,竟专门逮起老鼠来,而且百发百中,不禁令荆王开怀大喜,当即将李术士收为门客。

      有一天,司天监报告当天黄昏将出现月食。李术士声称有法术可以祈求上天消弥这次月食。荆王让他施法术试一试。果然,那天黄昏没有月食发生。荆王以为李术士真有祈天唤月之术,即刻上奏皇帝。皇帝命令内侍省调查这件事。李术士不敢隐瞒,据实禀报说:

      “我本来精通历法,知道崇天历所预报的月食,发生时间比实际偏早。这次月食其实应在戌末亥初时(相当于现代晚九点)出现。只是因为我出身微贱,王府不会接见我,便向荆王献上我制作的木偶钟馗,因为它很精巧,荆王必定喜欢,我才得以面见荆王。现在又假称祈祷的法术可以阻止月食发生,惊动了朝廷。我的本意是提醒朝廷,颁行的崇天历法到了需要修订的时候了。”皇帝见李术土精通天文、历法,就赐他进入了司天监。经过考核,李术土终于如愿以偿,在司天监里当了历官。

      沈括从李术士联想起他十八年前在楚州(今江苏淮安)认识的一个卜卦者卫朴。卫朴双目失明,却精通算学,通晓历法。他能娴熟地把小竹片做成的算筹摆成一个个算式,飞快地挪动算筹,用手一摸,迅速报出筹算(古时称计算为筹算,以算筹来计算的意思)的结果。有的旁观者故意跟卫朴开玩笑,趁他不注意抽走几根算筹。卫朴尽管看不见,在继续筹算时还是发觉了,并依原样补上。原来,卫朴的心算能力很强,加减乘除往往只需心算,背诵历书,听一遍就可复述,一字不差。

      如今,不知卫朴是否还在楚州给人占卦算命?沈括连忙派人寻访,征召卫朴进司天监。司天监官员们见卫朴是个布衣,又是瞎子,靠卖卜为生,更无科举功名,这样的人,怎么有资格进入司天监呢!大家议论纷纷,甚至怀疑沈括任人唯亲,营私舞弊。沈括见众人藐视卫朴,便当场出题,命卫朴回答,官员们陪考。第一题,考问史籍记载的历次日食情况时,众官员搜肠刮肚,也只答出了十之二三,而卫朴却娓娓道来,如数家珍。第二是诵历书一卷,命众人默写。官员们叫苦连天,大多数交了白卷,而卫朴却口诵如流,真是过耳不忘。旁人故意念错一字,也逃不过卫朴的耳朵。卫朴果真不负沈括的厚爱,担当起修订新历的重任。

      没有一部历法可以奉为金科玉律,永远不用修改。而颁行新历法,往往意味着改朝换代。因此,北宋各代皇帝几乎都颁行过新历法,如《应天历》《乾元历》《仪天历》《崇天历》《明天历》等。尽管名目繁多,但是都来源于唐代天文学家僧一行(张遂)修订的《大衍历》。沈括认为,宋代各历法皆不及《大衍历》精确真实。他认为,修订历法除了数学推算,还必须与天文实测的数据相核对,这也是《大衍历》比较精确真实的根本原因。因此,沈括提出编修新历单靠推算不行,还必须参照实测天体的记录。

      沈括准备用他新制的浑仪、浮漏和景表等天文测量仪器,安排天体实测。即,每天黄昏、夜半和拂晓,各观测月亮和金、木、水、火、土五星的位置,记录在“侯簿”上。五年的记录积累起来,足可以核实一下新历是否符合实际了。

      卫朴凭他出色的筹算本领,已经把旧历法调整好,只待“候簿”上积累出比较多的实测记载,仔细参照核对之后,便可上呈神宗皇帝了。可是卫朴是盲人,自己不能亲眼观测月亮和五星的位置,他心里焦急万分。沈括很体谅他,早已安排妥贴,指派司天监专人观测天象,定期将记录念给卫朴听。

      司天监的官员们对沈括整顿官衙、提拔卫朴一直心怀忌恨,现在又让他们熬夜观测天象做记录,向卫朴报告,便恨得咬牙切齿,气急败坏,只是敢怒不敢言,于是就在“候簿”上做手脚,暗中破坏编修新历的工作。

      卫朴左等右等,等不来天体实测记录。时间不等人,卫朴又用了三个多月仔细推算,以《大衍历》为基础,找出《崇天历》和《明天历》的偏差,将节气往前提,将闰月往后推,制订成新历初稿。

      中国古代一贯是阴阳历交用的,因此在历法上存在一个根本问题,就是阴阳历之间的调合问题。我们知道,月亮绕地球的运转周期为29.530588天,地球绕太阳的运转周期则为365.242216天,这两个数互除不尽。这样,以十二个月来配合二十四节气的阴阳合历就始终存在矛盾。虽然我们祖先很早就采用了闰月的办法来进行调整,但是历日与节气脱节的现象还是时有发生。1074年修成了新的历法。新历确定以365.243585日为一回归年,虽比现在实测的365.2422日稍大一点,但比以前所行的宋历都要准确得多。沈括将新历进呈神宗,神宗大加夸奖,赐名《奉元历》,并颁行全国。

      此后,沈括又经过长期周密细致的研究,提出了一个彻底改革的方案,这就是他的《十二气历》。他首先讨论了置闰法。他说,置闰法是古代遗留下来的,本来不应议论。但是有许多事情古人不可能预见到,而有待于后世发现。只要所说的是真理,就不应该有什么古和今的区别。沈括肯定了事物运动变化具有规律性,反对盲从古人,认为学术思想应该不断有所发展,不能老是停留在前人的水平上。这些思想都是难能可贵的。

      他接着讨论了历法中出现的“气朔相争”现象。认为产生这种现象的根本原因在于,一年有十二个月,一月有二十九天,两者互除不尽。虽有闰月的方法来进行调节,但“闰生于不得已”,是一种无可奈何的补救方法,不能根本解决问题。他得出结论说,寒去暑来,万物生长衷亡的变化,主要是按照二十四节气进行的,而月亮的圆缺与一年农事的好环并没有很大关系。以往的历法仅仅根据月亮的圆缺来定月份,节气反而降到了次要地位,这是不应该的。正是从以上考虑出发,他提出了经纯阳历取代阴阳合历的建议,这就是《十二气历》。沈括指出,只有纯阳历才能把节气固定下来,从而更好地满足农业生产对历法的需要。

      我国原来的历法都是阴阳合历,《十二气历》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,和寒来暑往的季节无关,为着某些需要,只在历书上注明“朔”、“望”,作为一般内容。

      按中国古代历法,阴历和阳历每年相差十一天多,古人虽采用置闰的办法加以调整,仍难做到天衣无缝。沈括经过周密的考察研究,提出了一个相当大胆的主张:废除阴历,采用阳历,以节气定月,大月三十一日,小月三十日。这种历法当然是比较科学的,对于农民从事春耕、夏种、秋收、冬藏十分有利,然而却因否定了老祖宗的“经义”而“十二气历”却是纯粹的阳历。

      这些改革措施使司天监的气象为之一新,但是,封建统治阶级却并不关心这一切。统治阶级一方面把历法作为巩固封建统治的工具,另一方面又害怕人民利用历法来造自己的反。为了把历法牢牢地掌握在自己手里,垄断对天意的解释,北宋朝廷颁布过严禁私习天文的法令。天文学研究和编制历法本来是一种学术活动,但由于它和封建帝王的利益联系在一起了,就使得历法改革随时有可能被卷入政治斗争的漩涡,那些有志于改革历法的人也必然会经常受到来自封建统治阶级的巨大压力,有时甚至遭到迫害。而在保守势力看来,阴阳合历是沿用了千百年的祖宗旧制,沈括要彻底打破它,是绝对不能容许的判逆行动。

      沈括早已预料到《十二气历》会招致非议,他自己会因此受到谩骂攻击。他说:“我起先验证说一天的百刻有长短的差别,人们已经怀疑我的说法。后来我又说二十个月里北斗七星斗柄所指的方向会随着岁差而有所改变,人们就更加惊骇了。现在这个《十二气历》肯定会招致更猛烈的攻击了。但是我坚信日后一定有采用我这个主张的那天。”沈括的这些预言今天果真实现了,关于夏天和冬天一天的时刻有长短之别,斗建要随岁差而迁移,这些早已成为科学的定论。

      由于编修《奉元历》的工作从一开始就受到了严重的干扰和破坏,沈括和卫朴的全面改历计划或没有完全实现。这时是熙宁八年(1075年),沈括已升任更高的官职,不再兼管司天监了。司天监这个上层官僚机构,很快又恢复原状,贵族子弟又混入司天监,挂空名,吃闲饭,谈玄学,凑数字,再也没有生气可言。而辛辛苦苦编修《奉元历》的卫朴受赐100贯铜钱的盘缠后,就被解聘回乡了。

      但是,沈括坚信科学终究不会被埋没的真理。果然,《十二气历》在被埋没了八百多年以后,开始重新受到了人们的关注。事实上,清末农民革命政权——太平天国所颁行的“天历”,其基本原理就是与《十二气历》完全一致的。本世纪三十年代英国气象局开始颁行的用于农业气候统计的《耐普尔·肖历》,也是节气位置相对固定的纯阳历,其实质与《十二气历》也是一样的。

    在中国古代数学史上开辟高阶等差级数研究的方向


      沈括对数学也有着独到的研究。刚过“而立”之年的沈括,曾在一位转运使手下当官。在频繁的接触中,转运使发现沈括才华出众,很想把才貌双全的女儿嫁给他。正在这时,一位多嘴多舌的同僚告诉他,说近来沈括常出入酒馆,回来就闭门不出,想必是醉得人事不省,在蒙头大睡哩。转运使听后心中十分不悦:没想到这青年平时仪表堂堂,做事一丝不苟,竟是个酒鬼!这样想着,便径直闯入沈括住处。推开门一看,那沈括正在摆弄桌上摞起来的酒杯。见转运使大驾光临,沈括忙让座倒茶,并把这些天的发现对上司娓娓道来。原来,酒馆里常把酒桶堆成长方台形体,从底层向上,逐层长宽各减一个,看上去四个侧面都是斜的,中间自然形成空隙,这在数学上称为“隙积”。

      所谓“隙积”,指的是有空隙的堆积体、例如酒店中堆积的酒坛、叠起来的棋子等,这类堆积体整体上就像一个倒扣的斗,与平截头的长方锥(刍童)很像。但是隙积的边缘不是平的,而中间又有空隙,所以不能照搬刍童的体积公式。沈括经过思考后,发现了正确的计算方法。他以堆积的酒坛为例说明这一问题:设最上层为纵横各2个坛子,最下层为纵横各12个坛子,相邻两层纵横各差1坛,显然这堆酒坛共11层;每个酒坛的体积不妨设为1,用刍童体积公式计算,总体积为3784/6,酒坛总数也应是这个数。显然,酒坛数不应为非整数,问题何在呢?沈括提出,应在刍童体积基础上加上一项“(下宽-上宽)×高/6”,即为110/6,酒坛实际数应为(3784+110)/6=649。加上去的这一项正是一个体积上的修正项。在这里,沈括以体积公式为基础,把求解不连续的个体的累积数(级数求和),化为连续整体数值来求解,可见他已具有了用连续模型解决离散问题的思想。

      数学上又把计算中间空隙的体积的方法,叫做“隙积术”。他苦思冥想,就是在研究“隙积术”。

      转运使听罢,这才转怒为喜。没多久,沈括便成了转运使的乘龙快婿。沈括是历史上第一个发明“隙积术”的人。日本数学家山上义夫评价说:“沈括这样的人物,在全世界数学史上找不到,唯有中国出了这样一个。我把沈括称做中国数学家的模范人物或理想人物,是很恰当的。”

      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,提出了我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,并为我国球面三角学的发展作出了重要贡献。

      会圆术是对圆的弧矢关系给出的比较实用的近似公式,主要思想是局部以直代曲。沈括进一步应用《九章算术》中弧田的面积近似公式,求出弧长,这便是会圆术公式。沈括得出的虽是近似公式,但可以证明,当圆心角小于45°时,相对误差小于2%,所以该公式有较强的实用性。这是对刘徽割圆术以弦(正多边形的边)代替圆弧思想的一个重要佐证,很有理论意义。后来,郭守敬、王恂在历法计算中,就应用了会圆术。

      此外,沈括还应用组合数学法计算,得出围棋可能的局数是3361种,并提出用数量级概念来表示大数3361的方法。沈括还在书中记载了一些运筹思想,如将暴涨的汴水引向古城废墟来抢救河堤的塌陷,以及用挖路成河、取土、运输,最后又将建筑垃圾填河成路的方法来修复皇宫等。沈括对数的本质的认识也很深刻,指出:“大凡物有定形,形有真数。”显然他否定了数的神秘性,而肯定了数与物的关系。他还指出:“然算术不患多学,见简即用,见繁即变,乃为通术也。”

      沈括的研究,发展了自《九章算术》以来的等差级数问题,在我国古代数学史上开辟了高阶等差级数研究的方向。

      沈括对物理学研究的成果也是极其丰富而珍贵的。在光学方面,沈括通过亲自观察实验,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。他对我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。沈括精心设计了一个声学共振实验,他剪了一个纸人,把它固定在一根弦上,弹动和该弦频率成简单整数比的弦时,它就振动使纸人跳跃,而弹其他弦时,纸人则不动。沈括把这种现象叫做“应声”。用这种方法显示共振是沈括的首创。在西方,直到十五世纪,意大利人才开始做共振实验。至今,在某些国家和地区的中学物理课堂上,教师还使用这个方法给学生做关于共振现象的演示实验。

      此外,沈括最早发现了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。

    在军事医学方面皆有建树


      沈括从小习剑舞枪,熟读过舅父许洞的兵书《虎钤经》,对北宋的边防战事素来关心。由于王安石重视边防,西北边境地区的防务情况也随之大有好转。宋朝廷从西夏手中收复了广大地域,但是在北方,契丹族的辽国国力日盛,虎视眈眈地威胁着宋朝廷的安全。在河北边境,稍有一点加强防务的举动,如修堡垒、挖河沟,契丹就会立即向宋王朝提出抗议。

      宋辽边境的紧张气氛,使神宗十分慌乱,匆忙发布命令,对民间的车辆实行登记,以备战事爆发时紧急征用。神宗以为契丹入侵,必定用马队做前锋,对付马队必须动用兵车。但是登记民车却引起了百姓的惊恐,百姓以为战火马上就要烧到家门口了,连自家的牛车官府都要征收了,再加上地方官吏和土豪劣绅乘机敲诈勒索,更是闹得鸡犬不宁、人心惶惶。

      这个时期的北宋,阶级矛盾和民族矛盾都十分尖锐。辽和西夏贵族统治者又经常侵扰中原地区,掳掠人口牲畜,给社会经济带来了更大的破坏。

      这时,沈括婉转地劝神宗收回成命,不要再搞民间车辆登记。沈括说:“对付契丹的马队,用兵车抵挡当然好。只是打仗用的兵车都是马拉的战车,奔驰快速,绝非老百姓耕地驮载的老牛木车所能代替的。时下登记民车,白白惊动老百姓,虚张声势而无实效,不如稳定民心,加紧做一些强国防务的事。”

      熙宁七年(1074年),沈括被任命为河北西路察访使,任务是视察和整顿边防。他沿用历来行之有效的陂塘拒敌方法,在同契丹接壤的河北平原上,利用原先修建的陂塘,筑埝灌水,成为大面积塘泊。一旦契丹入侵,这大片的水面、沼泽,将会给敌人的马队造成极大的阻滞。

      当时边境平静无战事,如果大张旗鼓修筑陂塘,势必会惊动契丹,招来干涉和破坏。沈括和部下装做打猎的样子,作为掩护,实际上是在勘察地形,把方圆几百里的山河、道路和村寨了解得一清二楚。随后,沈括决定向朝廷汇报边境的地势和修筑陂塘的计划,但怎样才能做到表达清晰,一目了然呢?他想,把小本本上的图做成立体的模型,那么山川、陂塘就如在眼前,形象逼真,不知胜过平面地图多少倍。

      他尝试过用面糊和上木屑,捏出山脉、河谷的形状,但是面糊容易干裂,后来发现蜡烛油熔化后,滴注在木板上,容易塑成立体的地形图,还可以用小刀切削,在蜡烛油上还可以插各种竹扦作为标志。这种蜡制立体地形图,便于制作,容易修改。修改好以后,交木匠照样雕刻成木质地理模型,就十分精细逼真了。

      立体地形图连同奏章由飞马报送朝廷,神宗看了十分满意。他同意修复陂塘。陂塘所占的地都是荒芜的盐碱地,灌水后兼收鱼、虾、荷、苇等副产品,成为北方边境自然屏障,是加强防务的好办法。

      沈括修复了保州(今河北保定)、顺安军(今河北高阳东)一带绵延30里的塘泊。又引徐、鲍等河水,注入废弃的徐村淀,成为横亘在深州(今河北深县)北方的50里水上防线。他还在定州(今河北定县)北面的蒲阻旧城,利用废城堡垒安置营寨,以便密切监视契丹的动静;在深州、赵州(今河北赵县)加固城防;在澶州(今河南濮阳)架设浮桥。

      在察访河北西路期间,沈括按照新法的要求,设置了保甲制度。保甲法规定,每十户一小保,设保长;每十小保为一大保,有大保长;十大保组成一都保,有正副都保长。男子为保丁,闲时耕牧,战时入伍。都保结成坊市,外围设门筑墙,平时站岗巡逻,防止契丹奸细混入。这些措施稳定了北宋的封建统治,也加强了边防力量。

      沈括任河北西路察访使不久,朝廷见他熟谙军事,博学多才,又委任给他新的职务——兼判军器监,军器监主管军事改革和兵器生产的工作。在这之前,兵器都是由各州、军的军器作坊制作,朝廷三司的胄案只是统计管理而已。地方官吏往往偷工减料,应付差事,中饱私囊,致使兵器质量很差,既不坚固也不轻巧,不能适应战争的需要。弓箭十有四五不能张开、远射,盔甲有的则是用纸糊麻缝,刀枪更是锈钝脆弱。

      为了置盔甲、造箭,沈括深入作坊,向铁匠请教。他见工匠将铁块烧红后,取出在铁砧上锤打,每锻一次称一次重,直至再锻锤后斤两不减,则百炼成钢。这是热锻。他还观看羌人冷锻,将厚厚的铁片锤打到只有原来的三分之一厚薄,做成铠甲,在五十步外用强弩射箭也不能入,偶尔射中甲片上用来缝缀的钻眼,箭头的铁竟然被钻眼边缘刮得翻卷过来,可见这种冷锻的铁甲,竟比热锻的更坚硬。这样,沈括只用了一年多时间,就添置盔甲近八千副,造箭一百三十多万支,库存量明显增加。假如战争爆发,足可供数十年之用!

      古代打仗以步兵为主,讲究阵法。阵法的运用是否得当,直接影响战斗力的发挥,因此神宗命六宅使郭固制定了《九军阵法》。

      《九军阵法》以九军为一营阵(军队行进为阵,驻扎成营),外围环绕着驻扎另一支军队。十万军队集中在方圆十里的范围之内,各军面面相对,而以侧背向敌。阵法下达各军后,将领们认为这种阵法难以执行,便将实情上奏神宗,神宗令沈括重新议定。

      沈括认为,天下哪里有供十万军队布阵的方圆十里的平坦之地呢,要是有山丘、溪谷、森林出现在阵地中,又该如何对待呢?这好比九个人包裹在一层皮里,怎么施展得开,怎么能发挥战斗力呢?这一阵法显然不切实际。

      于是,沈括提出新的《九军阵法》:九军各自为阵,前后左右分列,各占有利地形,另以驻队向外伸展,也可依地形自成营阵。这样,作战时九军分合自若,秩序井然,分则各成营阵,合则可为一大阵,当中形成“井”字形,四条通路,九营军队“背背相承,面面相向,四头八尾,触处为首”,配合默契,运动灵活。

      神宗听后,觉得理由充分,当即下诏颁行沈括详定的《九军阵法》。这一阵法收入沈括的著作《边州阵法》,在枢密院存档。

      在兼判军器监任上,沈括除了研究阵法、兵器外,也研究修城筑垒的战守防御技术,编纂成《修城法式条约》一书,记载了当时城防用的敌楼、马面、团敌、女墙等法式。

      “马面”是城墙向前突出的部分。当敌兵迫近城墙根时,守城的士兵不必像过去那样,探出多半个身子去张弓射箭,以免遭敌人射击的危险。他们可以在马面那儿,掩蔽在城墙的缺口里,向城墙根和邻近马面墙根处的近敌劲射。沈括发现,马面是少数民族创造的防御工事,恰恰是北宋城防工事中所缺少的。

      也正是这时候,契丹厉兵秣马,准备南侵。他们派使者萧禧到汴京开封,向神宗致书,声称宋军侵越边界,修筑戍垒,占住居民,要求北宋后撤。实际这是契丹蓄意挑起事端,制造口实是为了给南侵找借口,以此扩大版图。

      辽国的通牒威胁一下达,一时间如巨石落水,在北宋激起轩然大波。君臣忧心忡忡,急忙商议对策,七嘴八舌,一时都没了主意。

      原来,宋朝廷自太宗统一中原和南方以后,为了收复五代时石敬瑭割让给契丹的幽州(今北京)、云州(今山西大同)等十六州,曾两次出兵攻辽,但是都被辽军打败。后来,契丹大军直逼黄河北岸,开封吃紧。宋军固守澶州,士气高涨。宋军本来可以取胜,只因朝廷腐败畏战,反而向辽国请求议和,订下“澶渊之盟”(澶州又名澶渊郡)。条约规定,宋朝廷每年向辽国交纳十万两白银、二十万匹绢。从此,辽宋之间暂时未发生大的战事。

      后来,契丹国力更加强盛,见北宋外交政权日渐柔弱,就想重温澶渊之盟旧梦。北宋驳斥了契丹所有的无理要求,契丹就发动了战争,攻下了永乐城。沈括身为鄜延路经略安抚使,措施不当,指挥有误,朝廷认为他负有首要责任,被贬为“团练副使员外郎”。

      “团练副使员外郎”不过是一种挂名虚衔,名为州官,但必须住在随州(今湖北随县),而且不得处理公务,不准离开随州。沈括实际上失去了人身自由,从此,他告别仕途,结束了自己的政治生涯。

      其实沈括是冤屈的,在永乐筑城,他既非首倡,又一再反对;在永乐防务期间,他也曾向朝廷表明:永乐城守难,不如弃城;永乐城被围的时候,他一边派出军队救援,一边又返身固守绥德,以便保住鄜延大局。朝廷当时派一位钦差大臣插手,此大臣胡乱指挥,造成永乐失守,理当负主要责任。

      无奈之下,沈括洒泪惜别鄜延,这里有他驰骋过的疆场,他曾在这挥洒热血,戍边卫国。这里有他开拓的草原,他曾施展才干,改革变法。这里有他收复的国土,他曾激昂慷慨,向往塞外羌人尽唱汉人歌的胜利局面。

      沿着漫漫黄土道,沈括满怀惆怅和困惑来到随州,栖身在法云禅寺里。

      此时的他,不能再批阅公文、处理公事了,甚至连一个朋友和亲人都见不到,每天和孤寂、凄凉相伴。在登上随州汉东楼时,他回想自己从青年时代起就为国事操劳,从地方到朝廷,再从江南村野到北疆塞外,刚过中年,就已经两鬓染霜,他不禁感慨万千,随口吟道:“野草粘天雨未休,客心自冷不关秋。寨西便是猿啼处,满目伤心悔上楼。”

      沈括过着闲居的生活,慢慢地,他发现随州竟是个天然的草药园。吟诗读书之余,他便去拜访药农,识别草药,还串家走户,搜集民间中医的偏方和验方。后来,沈括将收集到的医术和药方,著成《良方》一书。

      沈括自幼身体羸弱多病,再加上长期秉烛夜读,患了眼病。俗话说,“久病成医”,沈括就注意搜寻起医书来。没想到,渐渐地,他竟然对医学产生了浓厚的兴趣,并对医药进行一番研究。随着医学知识的不断积累,他的药用植物学知识已经十分广博,并且还有自己的独创。在所著《良方》一书中,他批评一些医生只知医法,不懂变通,他认为人的疾病是会受到自然界变化的影响,虽相隔数里,但气候不同,相应的情况也会全然不同。随着环境变化,会出现相应的流行疫病,应该根据当时当地的情况来治病,岂可以千篇一律?

      同时,沈括从实物出发,辨别真伪,分析一物多名,纠正了许多古书上的错误。比如杜若就是高良姜,赤剑和天麻是同一药……在采药的时间和部位上,他纠正了一些普遍的谬误。比如,旧习惯在二月、八月采药,他认为不妥,应视药用部位是根、茎、叶、花还是实,具体决定采收时间;他举“人间四月芳菲尽,山寺桃花始盛开”为例,指出植物生长的地势有高低,一年有几熟,而栽培上功夫也不同,药草生长并不一律,要针对植物的实际生长情况和用药的需要来确定采药时间。

      沈括主张对症下药,辨证施治,而不可呆板、硬性地规定“一君、二臣、三佐、四使”。他主张把药性温和厚实的定为“君”,其次为“臣”、“佐”,有毒者多为“使”。其实,“君”是一张药方中的主药,应视病情而定。比如治疗积食腹胀,应以巴豆之类的泻药为主,那么有毒的巴豆也就是“君”,就是主药。

    不朽之作《梦溪笔谈》


      沈括具有求索精神,具备实证方法,正是这种对科学的严谨态度,使他在晚年归退后著成了传世之作——《梦溪笔谈》。

      《梦溪笔谈》是一部大型的综合性的学术著作,书中以大量篇幅记述了当时的政治、军事、法律、人事以及一些传闻轶事、艺文掌故等。对赋役扰民、西北与北方军事利弊及典礼礼仪和古代音乐演进,均有翔实记载。该书对于研究北宋社会、政治、科技、经济诸方面有重要参考价值。

      就性质而言,《梦溪笔谈》属于笔记类。从内容上说,它以多于三分之一的篇幅记述并阐发自然科学知识,这在笔记类著述中是少见的。因为沈括本人具有很高的科学素养,他所记述的科技知识也就具有极高价值,基本上反映了北宋的科学发展水平和他自己的研究心得,因而被现代人誉为“中国科学史上的坐标”。《宋史沈括传》说:“括博学,善文,于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算,无所不通,皆有所论著。”李约瑟说:“沈括是中国科学史中最奇特的人物。”列宁称沈括为中国十一世纪“两个伟大的人物”之一。

      在《梦溪笔谈》中,沈括详细记载了劳动人民在科学技术方面的卓越贡献和他自己的研究成果,反映了我国古代特别是北宋时期自然科学达到的辉煌成就。比如在北宋元丰年间,庆州地区出现了子方虫,正要危害田野里的庄稼。忽然又有一种虫子出现了,样子像泥土中的狗蝎,它的嘴上长有钳子,成千上万,遍地都是。它们遇见子方虫,就用钳子搏击它,子方虫全都被截为成为两段。十天后,子方虫全都被消灭,农民因此而获得大丰收。这种虫子过去就有,当地人称它为“傍(旁)不肯”。

      《梦溪笔谈》中还有关于北宋的建筑家喻皓的一则趣闻:朝廷要在杭州梵天寺修建一座木塔,才建了两三层,它就开始晃动。工匠师傅说:“木塔上没有铺瓦片,上面轻,所以才这样。”于是就叫人把瓦片铺排在塔上,但是木塔还像当初一样晃动。没有办法时,匠师就秘密地派他的妻子去见喻皓的妻子,拿金钗送给她,要她向喻皓打听木塔晃动的原因。喻皓笑着说:“这很容易啊,只要逐层铺好木板,用钉子钉牢,就不会晃动了。”工匠师傅遵照他的话去办,塔身就稳定了。因为钉牢了木板,上下更加紧密相束,上、下、左、右、前、后六面互相连接,就像只箱子,人踩在那楼板上,上下及四周板壁互相支撑,塔当然不会晃动。人们都佩服喻皓的高明。

      《梦溪笔谈》还记录了沈括经历过的一些科学事件。一次,沈括的妻子刚推开楼上房间的门,猛听得案上的古琴发出“铮铮”的弹奏声,吓了一大跳,忙唤丈夫前来观看。沈括四下一望,见院墙外面正有一支迎亲队伍穿街而过,鼓乐声还不绝于耳。“原来如此。”沈括和妻子进入房中,命仆人取来另一架琴,又用剪刀剪了个小纸人,贴在琴弦上。然后,他走到原来的古琴旁,用手指用力拨动琴弦,结果,那贴在另一架琴上的纸人竟颤颤巍巍跳动起来,同时弦上发出“铮铮”的声响。“瞧见了吗?这就是声学上的共振现象。如果琴弦音度相同,拨动一架琴上的弦,另一架琴上相应的弦就会振动,发出声音。刚才街上娶亲的鼓乐声传来,你正开门,引起古琴的共鸣,就是这个道理。”沈括为研究琴瑟谐振现象而做的这种小实验,欧洲人直到17世纪才想到。至今,在某些国家和地区的中学物理课堂上,教师还使用这个方法给学生做关于共振现象的演示实验。

      还有一次,沈括听说,慎县发生了一起殴打致死人命案。可是,知县前往验尸时,却怎么也查不出死者的伤痕。后来,听了一位老者的指教,知县命人把尸体抬到日光下,又用红伞遮住阳光,那尸体上的各处伤痕顿时就清晰地现了出来。沈括细细琢磨,反复实验,最后才明白这是滤光的作用。新的红油伞,就像是今天的滤光器,皮下瘀血的地方一般呈青紫色,白光下看不清楚,但在红光下却能清晰显现。沈括把这次“红光验尸”的奇迹记载在他的《梦溪笔谈》中,给后代法医、物理工作者以很大的启示。

      《梦溪笔谈》中还记载了有关于光的直线传播,沈括在前人的基础上,有更加深刻的理解。为说明光是沿直线传播的这一性质。他在纸窗上开了一个小孔,使窗外的飞鸟和楼塔的影子成像于室内的纸屏上面进行实验。根据实验结果,他生动地指出了物、孔、像三者之间的直线关系。此外,沈括还运用光的直线传播原理形象地说明了月相的变化规律和日月蚀的成因。在《梦溪笔谈》中,沈括还对凹面镜成像、凹凸镜的放大和缩小作用作了通俗生动的论述。他对我国古代传下来的所谓“透光镜”的透光原因也作了一些科学解释,推动了后来对“透光镜”的研究。

      沈括具有朴素的唯物主义思想和发展变化的观点。他认为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,是不以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。唯物主义的思想倾向,使沈括十分重视劳动群众的实践经验和发明创造,他不断地从劳动人民那时汲取智慧和力量。沈括很尊重他们伟大的发明创造。在其所撰的《梦溪笔谈》卷第十八《技艺》中,就详细记载了宋代庆历年间(1041—1048年)出身“布衣”的毕升所发明的活字印刷术。

      唯物主义的思想倾向,决定了沈括对于自然现象和科技成就的记述具有一定的科学性。他观察和描述事物非常细致、具体、准确,没有封建时代一般文人虚词浮夸的坏习惯。因此,通过他的记述,我们能够明确地判断他那个时期生产技术和自然科学所达到的水平。例如,沈括有关雷电、海市蜃楼、龙卷风、地震以及陨铁等自然现象的记载,非常细致贴切而生动形象,使人们仿佛亲临现场。

      在《梦溪笔谈》中,如实地记录了宋英宗治平元年(1064年),常州地区发生的一次陨星坠落的真切生动的情景。

      有一天,正逢太阳落山的时候,天空中发出了一声像雷鸣般的巨响,原来是一颗大星,几乎像月亮一样,在东南方出现。一会儿又一声巨响,这颗大星移到西南方去了。再一声震响后,这颗星就落在宜兴县一个姓许的人家的园子里,远近的人都看到了,火光明亮照天,许家的篱笆全被烧毁了。

      这时火熄灭了,只见地面上有一个像茶杯大小的洞穴,很深。往下探看,大星就在洞穴里面,发着微弱的光。过了好久,才逐渐暗下来,但是还热得让人不能靠近。又过了很长时间,挖开那个洞穴,有三尺多深,才得到一块圆形的石头,此时还是热的呢,它大小如拳头,一头略微尖些,颜色与铁相似,重量也与铁差不多。

      在沈括十八岁那年,黄河泛滥,滔滔河水冲垮了汴京东北一百多公里处的商胡大堤(今河南濮阳东北)。决口宽八百多米。汹涌的黄河水淹没大片良田,冲毁民房数万间,守卫边防用的战备粮草器材也损失了八九成。决堤的洪水如脱缰野马,掉转方向,径直向北,直逼汴京的门户北京(今河北大名),当时的形势十万火急。宋仁宗特派管理财政的高级官员三司度支副使郭申锡督办堵口。

      郭申锡奉皇帝命令,丝毫不敢怠慢,星夜飞马赶赴商胡。他亲临现场,指挥一次又一次的堵口,却一直没有成功。消息报到京城,人心鼎沸。沈括也十分牵挂,一心想看个究竟。在征得父亲的同意后,沈括便直奔商胡。

      原来,这八百多米的河堤决口,经过上万民工昼夜鏖战,已从决口两端筑堤,收缩成不到百米的口子。但是,黄河正值汛期,上游水势不减。决堤之水被拦截在窄小的缺口中,犹如笼中被困的雄狮,狂怒咆哮,翻波涌浪,势不可当。堵住缺口,叫做“合龙门”,是堵口成败的关键。当时合龙门用“埽”。埽的形状就像一支支硕大无比的蛋卷,每支长六十步,粗二到四步(一步合古营造尺五尺,约当今一米六),由碎石、泥土做心,卷上秫秸、树枝、苇草,最后用竹索扎紧。合龙门时,民工们用绳索将埽拽引到缺口处,沉入水中,堵住缺口。原想一次就可以堵住的,但是龙门水流湍急,埽被冲断拆散,秫秸和泥石随水流泻,一次又一次的合龙均归于失败。民工们夜以继日,精疲力竭,又累又沮丧,有一位年轻的河工名叫高超,他想出了一个新办法。他说:“埽身太长太大,不容易一下子沉到底。流水还没有堵住,绳索就被冲断了。如果把六十步长的埽分为三节,每节长二十步,彼此以缆绳相连,先下第一节,当第一节压到底后,再下第二节,然后再下第三节,龙门就不难合上了。”

      高超的建议呈报到主管工程的郭申锡那里,郭申锡不以为然。他认为千百年来都用长埽堵口,一次压到底方可奏效。老规矩如此,新招又有何用。二十步长的短埽不能一下子断水,分成三节下,耗费更多,也堵不住决口。于是,革新方案就被搁置一旁,合龙一误再误,无法成功。朝廷得知后,责怪郭申锡无能,将他降职,调离堵口的指挥岗位。

      当时镇守大名府的魏国公贾昌朝是个有心人。堵口不成功,大名府将遭水淹,危在旦夕。合龙的事像块大石头时刻压在他心上。他一天几次往黄河决口处巡视。在工地,他和沈括相遇。贾昌朝见高超言之有理,而墨守陈规的郭申锡却拒不采纳,只得暗地里命军士们在下游打捞被急流冲下来的长埽,回收许多秸秆、竹索。这时正是郭申锡被撤职之际,无人指挥,贾昌朝赶紧请高超发号施令,调动民工制做短埽,分节下水,终于巧合龙门,堵住了黄河大堤的决口。

      沈括记载下河工高超巧合龙门这件事,使这位普通民工的创造发明才得以传颂至今。从此,抗洪堵口都采用高超的三节下埽法。

      《梦溪笔谈》以提供丰富的学科内容并具有很高的学术价值著称于世,被誉为中国古代百科全书式的优秀著作。《梦溪笔谈》的巨大成功,为沈括赢得了无比的荣誉,他不仅是一位地理学家、物理学家、数学家、化学家、医学家、天文学家,水利专家、兵器专家、军事家等百科全书式的科学家,更是一位横跨自然科学与人文科学两大学科领域的“稀世通才”。

    为人处事不走寻常路


      生于1031年的沈括,大苏轼五岁,却晚他六年中进士。中国科学与人文的两位大师很有缘分,在“皇家图书馆”曾做过同事。1065年,苏轼进入史馆,而沈括在前一年调入昭文馆工作。

      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。苏轼却与改革家王安石意见相左,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,王安石的改革进行得很顺利,无人能阻挡。1071年,作为反对派代表,苏轼被贬到了杭州担任“二把手”的通判一职。当时,他已成了家喻户晓的著名诗人。其间,沈括作为“中央督察”,到杭州检查浙江农田水利建设。

      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。这期间,苏轼写了很多诗词,沈括就把苏轼的新作抄录了一通,回到京城后,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”、讽刺皇帝等等,然后上奏给了皇帝。

      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。”沈括说:“皇帝如飞龙在天,苏轼却要向九泉之下寻蜇龙,不臣之心莫过于此!”

      沈括不会想到,在他提供的揭发材料的基础上,李定等混进改革派队伍的投机政客会出来添油加醋、上纲上线,制造出了中国历史上骇人听闻的文字狱“乌台诗案”。

      1079年(宋神宗元丰二年)苏轼被逮捕,以“愚弄朝廷”、“无君臣之义”等罪名而入狱。

      苏轼下狱后生死未卜,在等待最后判决的时候,他的儿子苏迈每天去监狱给他送饭。由于父子不能见面,所以早在暗中约好:平时只送蔬菜和肉食,如果有死刑判决的坏消息,就改送鱼,以便心里早做准备。有一次,苏迈因银钱用尽,需要出京去借,便将为苏轼送饭的事情委托朋友代劳,情急之中却忘记朋友与父亲暗中约定之事。偏巧当日那个朋友送饭时,给苏轼送去了一条熏鱼。苏轼一见大惊,以为自己凶多吉少,他极度悲伤,挥笔为其弟苏辙写下诀别诗二首。其一:“圣主如天万物春,小臣愚暗自亡身。百年未满先偿债,十口无归更累人。是处青山可藏骨,他年夜雨独伤神。与君今世为兄弟,更结来生未了因。”其二:“柏台霜气夜凄凄,风动琅珰月向低。梦绕云山心似鹿,魂飞汤火命如鸡。额中犀角真君子,身后牛衣愧老妻。百岁神游定何处?桐乡应在浙江西。”诗作写成后,狱吏按照规矩,将诗篇呈交神宗皇帝。宋神宗一直就很欣赏苏轼的才华,并没有将其处死的意思。只是想借此挫挫苏轼的锐气。当读到苏轼的这两首绝命诗,感动之余,也不禁为他的才华所折服。加上当朝很多人为苏轼求情,于是神宗下令对苏轼从轻发落,贬其为黄州团练副使。轰动一时的“乌台诗案”就此了结。

      虽然沈括是一个检举揭发的“高手”,还非常“小人”地干过文字狱的勾当,但在以立德、立言、立功为“三不朽”的传统中国,在北宋那个崇文读经、吟诗填词的主流时代,理科被视为末学,甚至被讥为奇技淫巧的旁门左道,产生伟大的科学家是很难的。沈括作为科学家是成功的,他一生从事的研究领域极为宏阔。《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。”

      仁宗嘉祐七年(1062年),沈括从东海调到陈州宛丘(今河南淮阳)任县令。他明白,这是靠他父亲官职的余荫,由朝廷照顾而得来的官职。只要不犯上违令,就可以平平稳稳地一步步升官,不会碰到多大风险的。但是他胸怀宏大抱负,不愿安享清闲,要凭自己的真本事大干一番事业。

      当时社会兴科举制度,要有所作为只有走应试中举之路。沈括自幼熟读经典,诗文皆通,他决定参加翌年秋天的科举考试。

      他母亲的故乡苏州,正是科举试场之一。沈括在这次应试中一举及第,考中进士第一名“解头”,可以进京朝见皇上。仁宗赐给了他一个官职——扬州司理参军,掌管监狱讼事。然而,就是这样一位英才,却二十多年与一位“河东狮吼”为伴,纵使“血泪斑斑”,他也一往情深。沈括前后有两任妻子,第一任妻子叶氏在治平四年(1067年)突然因病亡故。第二任是淮南转运使张刍之女。

      沈括到扬州上任,拜会上司淮南转运使张刍。张刍十分赏识沈括的才华,和他谈了一天还兴犹未尽。后来皇上下诏要转运使举荐下属官员一人进京。张刍未加犹豫,便保举沈括去汴京当昭文馆编校。几年后,沈括丧妻,张刍看到沈括聪明勤勉、谦虚谨慎,熙宁二年(1069年),就把他的二女儿嫁给了丧妻的沈括。

      张氏是京城女子,年轻貌美,父亲又是朝廷命官,与生俱来的贵族气质令张氏飞扬跋扈,沈括处处依顺着张氏。

      后来,张氏的跋扈简直到了令人发指的地步。有一次,沈括不知为何惹怒了张氏,张氏冲上来一把揪住了沈括的胡子,沈括看到面前那张狰狞可怖的脸,下意识躲闪着,张氏紧紧拽着胡子不松手,沈括往后退想要挣脱,顷刻间胡子和下巴分了家,沈括的下巴鲜血直淌,家人们吓得捂住眼睛,不忍看这血腥的一幕。这之后,沈括怕张氏怕到了骨子里,每次听到张氏的声音,忍不住浑身战栗。沈括前妻之子博毅,被后娘赶出家门。沈括心中不忍,时常暗中接济。张氏得知后,大发雷霆,竟然诬陷博毅偷盗。沈括就是在这样的高压氛围中创作完成了《梦溪笔谈》,这本在中国科技史上占有重要位置的著作笔触亦不乏幽默诙谐,捧读令人忍俊不禁,不知沈括在叙述这些的时候,是否脸上有伤心中有泪。沈括到镇江八年后,元祐九年(1094年)张氏去世了。素知张氏刁蛮暴戾的朋友庆幸沈括终于摆脱了苦难,沈括却哭得一把鼻涕一把泪:“张氏不在了,我活着还有什么意思?”从此,沈括痛不思食寝不安席,整日郁郁寡欢。一次,在江边和朋友们提起了张氏,沈括一言不发抬脚就要跳江寻短见,幸好被朋友拉住了。就这样,张氏走后一年,沈括也与世长辞。

    沈括故居梦溪园


      沈括三十多岁时曾做过一个梦,梦见他登上了一座景色秀丽的小山。山上有一条小溪,溪水清澈,游鱼历历可见;溪边乔木参天,绿荫蔽野;不远处丘陵起伏,花木繁茂,如同斑斓的锦绣一般。这美景令沈括心旷神怡,在梦中都笑出了声。

      十几年后,沈括在安徽宣城任职时,遇见一位道人告诉他,雄居长江南岸的镇江是一个好地方,建议他在那里购置一块好地方,作为日后归隐之所。沈括听从了他的建议,在镇江东郊购置了一所十几亩地的园子。六年后,当沈括退出政坛来到这所园子时,他发现这园子竟和他当年梦中情景相同,这使他非常高兴。于是就将园中的一条无名小溪命名为“梦溪”。这园子也因此被称为“梦溪园”。

      晚年的沈括决定在竹影摇动、溪水潺潺的梦溪园潜心著述,颐养天年。在幽静的梦溪园里,他闭门谢客,深居简出。在梦溪园里,他不停地著述。他要把他一生的经历见闻、科学研究的成果,都一一写下来。

      现在的梦溪园是原梦溪园的一部分,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,内有沈括全身像和文字图片、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。室内两对抱柱上的对联是沈括一生的高度概括和评价,左侧写的是:

      沈酣于东海西湖南川北国之游梦里溪山尤壮丽,括囊乎天象地质人文物理之学说笔端谈论纵横。

      右侧写的是:

      数卷奇文物志无心匀翠墨,

      一钧初月南航北驾为苍生。

      “梦溪”两个石刻的大字,是沈括的手迹。那巍然站立的沈括塑像,青衣便髻,左手托着陨石,右手抚展卷面,默默地深究,永不停息地深思……
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