60　沈括（公元1031—1095年）

中国科学史上的里程碑。

沈括，字存中，号梦溪丈人，浙江杭州钱塘县人，北宋政治家、科学家。沈括出身于仕宦之家，幼年随父宦游各地。1063年（北宋嘉祐八年），进士及第，授扬州司理参军。宋神宗时参与熙宁变法，受王安石器重，历任太子中允、检正中书刑房、提举司天监、史馆检讨、三司使等职。1080年（北宋元丰三年），出知延州，兼任鄜延路经略安抚使，驻守边境，抵御西夏，后因永乐城之战牵连被贬。晚年移居润州（今江苏省镇江市），隐居梦溪园。1095年（北宋绍圣二年），因病辞世，享年64岁。

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”。其代表作《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”。

据《宋史·艺文志》记载，沈括的著述有22种155卷。除《梦溪笔谈》外，还有综合性文集《长兴集》《志怀录》《清夜录》，医药著作《良方》《苏沈良方》，科学著作《浑仪议》《浮漏议》《景表议》《熙宁奉元历》《圩田五说》《万春圩图记》《天下郡县图》《南郊式》《诸敕格式》《营阵法》，音乐类著作《乐论》《乐律》《乐器图》等，但大多失佚，存世较少。

主要学术成就

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，开创了中国垛积术研究的先河。

南宋数学家杨辉、元朝数学家朱世杰，都是在沈括的基础上进一步研究，取得了令世人瞩目的成就。

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。

会圆术问世后，得到了广泛应用，郭守敬、王恂等都用到过会圆术。

磁学

沈括记录了人工磁化的方法，并用人工磁化针来做实验，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，并作了相应的分析。

地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。在世界上沈括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、凹面镜成像等原理进行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，形象地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，以此来解释兵士用皮革箭袋作枕头，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。

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，利用化学置换反应提炼金属。

胆矾化铁成铜的记载古已有之，西汉淮南王刘安《淮南万毕术》、东晋葛洪《抱朴子》均有类似记载。据郭正谊考证，沈括的记载录自中唐时期成书的《丹房镜源》。直到1098年（北宋绍圣五年），张潜主动将《浸铜要略》献给朝廷，在北宋政府的大力提倡下，胆铜法生产才被迅速推广开来。

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，并冒出很浓的烟，能把帐篷熏黑。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”，苏轼用后评价其“在松烟之上”。

天象观测

沈括对天象进行了细致的观测，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3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

1072年（北宋熙宁五年），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；1075年（北宋熙宁八年），《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》，其原理与《十二气历》相同。

英国科学史家李约瑟评价沈括为“中国科学史上的坐标”。1979年，南京紫金山天文台为了纪念沈括，将1964年发现的一颗小行星2027命名为“沈括星”。

沈括在科学上具有难得的理性求索精神，但在做官为人方面却难为人称道。其最大的诟病，就是与苏轼的关系。

苏轼生于1037年，小沈括6岁，两人是同年进士。北宋沿袭唐制，以史馆、昭文馆、集贤院为三馆，通名崇文院。苏轼和沈括都是院士，在崇文院共事多年。两人才俊拱手，惺惺相惜，关系曾经相当不错。如果说苏轼是文学大师的话，那么沈括就是科学界的泰斗。

1071年，作为反对王安石“熙宁变法”的代表，苏轼被下放到杭州担任通判一职。此时，沈括被朝廷派到杭州检查水利。临行前向神宗辞行，宋神宗对沈括说：“苏轼通判杭州，卿其善遇之。”沈括到杭州见到苏轼后，寒暄一番，回忆“当日在馆阁之事”，临行时他向苏轼索要新作。沉浸在昔日旧友的醇醪中的苏轼没有多想，就把近作许多诗词，包括后来授人话柄的《山村五绝》《吴中田为叹》等均手书一份给沈括。沈括回到京城，在苏轼的诗文中找出一些贬低诽谤新政的句子，便呈送给王安石、宋神宗等。1079年，御史何正臣、李定正式上书弹劾苏轼，随即乌台诗案爆发。也就是一年的光阴，苏轼迅速被贬黄州，亲朋好友三十多人全都受到牵连，他的百首诗词全部被指证含有藐视朝廷和皇帝的嫌疑。

或许沈括不是乌台诗案（乌台诗案发生于1079年（北宋元丰二年），时御史何正臣上表弹劾苏轼，奏苏轼移至湖州到任后谢恩的上表中，用语暗藏讥刺朝政，御史李定也曾指出苏轼四大可废之罪。该案先由监察御史告发，后在御史台狱受审。所谓“乌台”，即御史台，因官署内遍植柏树，又称“柏台”。柏树上常有数百只乌鸦栖息筑巢，乃称乌台。所以此案称为“乌台诗案”）的主谋，但此事却是因他而起。

救援活动也在朝野同时展开。不但与苏轼政见相同的许多元老纷纷上书，连一些变法派的有识之士也劝谏神宗不要杀苏轼。王安石当时已退休金陵，也上书神宗：“安有圣世而杀才士乎？”这场诗案终因王安石“一言而决”，苏轼得到从轻发落，贬为黄州（今湖北省黄冈市）团练副使，“本州安置”，受当地官员监视。苏轼下狱一百零三日，险遭杀身之祸。

“乌台诗案”揭示了中国古代知识分子在皇权体制下的困惑、软弱和悲哀，也显示了知识分子自身的弱点与陋习。

在那个时代，沈括算是个另类。进士出身却醉心于科学（在当时是旁门左道，称为杂学），使得他与其他文人显得若即若离；坚定变法，却又受到变法派的误解和攻击甚至排挤；和苏轼本是好友，曾一起编纂《苏沈良方》，却无意引发“乌台诗案”。最后在身体和精神的双重压抑中，归退润州（今镇江），卜居“梦溪园”。在那里，沈括以笔记体写出巨著《梦溪笔谈》，内容涉及天文、历法、气象、地质、地理、物理、化学、生物、农业、水利、建筑、医药、历史、文学、艺术、人事、军事、法律等诸多领域。

沈括生活的那个年代，群星璀璨。范仲淹、王安石、苏轼这些大师，无论政绩、著作和影响，都压过沈括。但要论知识结构的广博和思维推理的缜密，他们谁都比不过沈括。他是中国历史上少数保持了对自然奥秘的兴趣和科学探索精神的巨匠之一。《梦溪笔谈》的每一个条目里，几乎都有他不同凡响的思考和发现。