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問(wèn)題描述:

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北宋大科學(xué)家沈括

沈括小傳

在我國北宋時(shí)代，有一位非常博學(xué)多才、成就顯著(zhù)的科學(xué)家，他就是沈括——我國歷史上最卓越的科學(xué)家之一。他精通天文、數學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)、農學(xué)和醫學(xué)；他還是卓越的工程師、出色的軍事家、外交家和政治家；同時(shí)，他博學(xué)善文，對方志律歷、音樂(lè )、醫藥、卜算等無(wú)所不精。他晚年所著(zhù)的《夢(mèng)溪筆談》詳細記載了勞動(dòng)人民在科學(xué)技術(shù)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(shí)期自然科學(xué)達到的輝煌成就?！秹?mèng)溪筆談》不僅是我國古代的學(xué)術(shù)寶庫，而且在世界文化史上也有重要的地位。

沈括，字存中，生于浙江錢(qián)塘（今浙江杭州市）一官僚家庭。他的父親沈周（字望之）曾在泉州、開(kāi)封、江寧做過(guò)地方官。母親許氏，是一個(gè)有文化教養的婦女。沈括生于宋仁宗天圣九年（公元1031年），他自幼勤奮好讀，在母親的指導下，十四歲就讀完了家中的藏書(shū)。后來(lái)他跟隨父親到過(guò)福建泉州、江蘇潤州（今鎮江）、四川簡(jiǎn)州（今簡(jiǎn)陽(yáng)）和京城開(kāi)封等地，有機會(huì )接觸社會(huì )，對當時(shí)人民的生活和生產(chǎn)情況有所了解，增長(cháng)了不少見(jiàn)聞，也顯示出了超人的才智。他二十四歲開(kāi)始踏上仕途，最初做海州沭陽(yáng)縣（在今江蘇?。┲鞑?，以后歷任東海（在今江蘇?。?、寧國（在今安徽?。?、宛丘（今河南省淮陽(yáng)縣）等縣縣令。三十三歲考中進(jìn)士，被任命做揚州司理參軍，掌管刑訟審訊。三年后，被推薦到京師昭文館編校書(shū)籍。在這里他開(kāi)始研究天文歷算。宋神宗熙寧五年（公元1072年），兼任提舉司天監，職掌觀(guān)測天象，推算歷書(shū)。接著(zhù)，沈括又擔任了史館檢討，熙寧六年（公元1073年）做集賢院校理。因職務(wù)上的便利條件，他有機會(huì )讀到了更多的皇家藏書(shū)，充實(shí)了自己的學(xué)識。1075年曾出使遼國，進(jìn)行邊界談判，次年任翰林學(xué)士，權三司使。

宋神宗熙寧二年（公元1069年），地主階級革新派的代表王安石被任命做宰相，開(kāi)始進(jìn)行大規模的變法運動(dòng)。沈括積極參預變法運動(dòng)，受到王安石的信任和器重，擔任過(guò)管理全國財政的最高長(cháng)官三司使等許多重要官職。熙寧九年（公元1076年），王安石變法失敗。沈括被誣劾貶官，出知宣州（今安徽省宣城一帶）。三年后，為抵御西夏，改知延州（今陜西省延安一帶），兼任（鹿+右耳刀）延路經(jīng)略安撫使。因守邊有功，元豐五年（公元1082年），升龍圖閣直學(xué)士。但是不久又遭誣陷，降職做均州（今湖北省均縣）團練副使。哲宗元 二年（公元1087年），沈括花費十二年心血編修的《天下州縣圖》完成，被特許親自到汴京進(jìn)呈。次年，定居潤州（今江蘇省鎮江東郊）夢(mèng)溪園，在此安度晚年。

沈括晚年在夢(mèng)溪園認真總結自己一生的經(jīng)歷和科學(xué)活動(dòng)，寫(xiě)出了聞名中外的科學(xué)巨著(zhù)《夢(mèng)溪筆談》和《忘懷錄》等。宋哲宗紹圣二年（公元1095年）逝世。他一生著(zhù)作多達幾十種，但保存到現在的，除《夢(mèng)溪筆談》外，僅有綜合性文集《長(cháng)興集》和醫藥著(zhù)作《良方》等少數幾部了?！秹?mèng)溪筆談》是中國科學(xué)史上的坐標，是沈括一生社會(huì )和科學(xué)活動(dòng)的總結，內容極為豐富，包括天文、歷法、數學(xué)、物理、化學(xué)、生物、地理、地質(zhì)、醫學(xué)、文學(xué)、史學(xué)、考古、音樂(lè )、藝術(shù)等共600余條。其中200來(lái)條屬于科學(xué)技術(shù)方面，記載了他的許多發(fā)明、發(fā)現和真知灼見(jiàn)。

沈括治水

沈括十分重視發(fā)展農業(yè)生產(chǎn)和興修水利。早在他青年時(shí)期任沭陽(yáng)縣主簿的時(shí)候，就主持了治理沭水的工程，組織幾萬(wàn)民工，修筑渠堰不僅解除了當地人民的水災威脅，而且還開(kāi)墾出良田七千頃，改變了沭陽(yáng)的面貌，那時(shí)他只有24歲。在任寧國縣令的時(shí)候，他積極倡導并且主持在今安徽蕪湖地區修筑規模宏大的堅固的萬(wàn)春圩，開(kāi)辟出能排能灌、旱澇保收的良田一千二百七十頃，同時(shí)還寫(xiě)了《圩田五說(shuō)》、《萬(wàn)春圩圖書(shū)》等關(guān)于圩田方面的著(zhù)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(kāi)封到泗州淮河岸共八百四十多里河段的地勢。他采用“分層筑堰法”，測得開(kāi)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，分層筑成臺階形的堤堰，引水灌注入內，然后逐級測量各段水面，累計各段方面的差，總和就是開(kāi)封和泗州間“地勢高下之實(shí)”。這在世界水利史上是一個(gè)創(chuàng )舉。僅僅四五年時(shí)間里，就取得引水淤田一萬(wàn)七千多頃的顯著(zhù)成績(jì)。在對地勢高度計算時(shí)，其單位竟細到了寸分，可見(jiàn)，沈括的治學(xué)態(tài)度是極其嚴肅認真的。

杰出的天文學(xué)家

沈括還是一個(gè)杰出的天文學(xué)家。熙寧五年（公元1072年），也就在沈括負責汴河水建設時(shí)，沈括還負責領(lǐng)導司天監，在任職期間，他先后罷免了六名不學(xué)無(wú)術(shù)的舊歷官，不計出身，破格推薦精通天文歷算、出身平民的準南人衛樸進(jìn)入司天監，主持修訂新歷的重要工作。沈括和衛樸治學(xué)態(tài)度認真，對舊歷官憑借演算湊數的修歷方法非常不滿(mǎn)，主張從觀(guān)測天象入手，以實(shí)測結果作為修訂歷法的根據。為此，沈括首先研究并改革了渾儀、浮漏和影表等舊式的天文觀(guān)測儀器。

渾儀是測量天體方位的儀器。經(jīng)過(guò)歷代的發(fā)展的演變，到宋朝，渾儀的結構已經(jīng)變得十分復雜，三重圓環(huán)，相互交錯，使用起來(lái)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(huán)，把儀器簡(jiǎn)化、分工，再借用數學(xué)工具把他們之間的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)（“省去月道環(huán)，其侯月之出入，專(zhuān)以歷法步之”）；另一方面又提出改變一些環(huán)的位置，使它們不擋住觀(guān)測視線(xiàn)。沈括的這些改革措施為儀器的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。后來(lái)元朝郭守敬于元世祖至元十三年（公元1276年）創(chuàng )制的新式測天儀器——簡(jiǎn)儀，就是在這個(gè)基礎上產(chǎn)生的。

漏壺是古代測定時(shí)刻的儀器，由幾個(gè)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(méi)有孔，里面裝置有刻著(zhù)時(shí)間標度的“箭”，隨著(zhù)滴漏水面升高，“箭”就慢慢浮起，從顯露出來(lái)的刻度可以讀出時(shí)刻。沈括對漏壺也進(jìn)行了改革。他把曲筒銅漏管改做直頸玉嘴，并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，沈括還制造了測日影的圭表，而且改進(jìn)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(shuō)明改革儀器的原理，闡發(fā)了自己的天文學(xué)見(jiàn)解，在是我國天文學(xué)史上的具有重要的作用。

沈括和衛樸的一系列革新活動(dòng)遭到守舊勢力的攻擊和陷害。在沈括和衛樸的堅決斗爭下，衛樸主持修訂的奉元歷終于在熙寧八年（公元1075年）修成頒行。但是，由于守舊勢力阻撓和破壞，比較先進(jìn)的奉元歷只實(shí)行了十八年就被廢止了。但是沈括并不因此而灰心，在晚年又進(jìn)一步提出了用“十二氣歷”代替原來(lái)歷法的主張。我國原來(lái)的歷法都是陰陽(yáng)合歷，而“十二氣歷”卻是純粹的陽(yáng)歷。它以十二氣作為一年，一年分四季，每季分孟、仲、季三個(gè)月，并且按節氣定月份，立春那天算一月一日，驚蟄算二月一日，依此類(lèi)推。大月三十一天，小月三十天，大小月相間，即使有“兩小相并”的情況，不過(guò)一年只有一次。有“兩小相并”的，一年共有三百六十五天；沒(méi)有的，一年共三百六十六天。這樣，每年的天數都很整齊，用不著(zhù)再設閏月，四季節氣都是固定的日期。至于月亮的圓缺，和寒來(lái)署往的季節無(wú)關(guān)，只要在歷書(shū)上注明“朔”、“望”就行了。沈括所設計的這個(gè)歷法是比較科學(xué)的，它既符合天體運行的實(shí)際，也有利于農業(yè)活動(dòng)的安排。他預見(jiàn)到他的這一主張必定會(huì )遭到頑固守舊派的“怪怒攻罵”，極力阻撓，而暫時(shí)不能實(shí)行，但是，他堅信“異時(shí)必有用予之說(shuō)者”。果然，近八百年后，偉大的農民革命政權——太平天國所頒行的天歷的基本原理和沈括的“十二氣歷”是完全一致的?，F在世界各國采用的公歷，也就是陽(yáng)歷，其實(shí)在分月上還不如沈括的“十二氣歷”合理。

物理學(xué)家+化學(xué)家+數學(xué)家

沈括對物理學(xué)研究的成果也是極其豐富而珍貴的?！秹?mèng)溪筆談》中所記載這方面的見(jiàn)解和成果，涉及力學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。特別是他對磁學(xué)的研究成就卓著(zhù)。沈括在《夢(mèng)溪筆談》中第一次明確地談到磁針的偏角問(wèn)題。在光學(xué)方面，沈括通過(guò)親自觀(guān)察實(shí)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(dòng)的論述。他對我國古代傳下來(lái)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(xué)的解釋?zhuān)苿?dòng)了后來(lái)對“透光鏡”的研究。此外，沈括還剪紙人在琴上做過(guò)實(shí)驗，研究聲學(xué)上的共振現象。

在化學(xué)方面，沈括也取得了一定的成就。他在出任延州時(shí)候曾經(jīng)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(diǎn)，首先創(chuàng )造了用石油炭黑代替松木炭黑制造煙墨的工藝。他已經(jīng)注意到石油資源豐富，“生于地中無(wú)窮”，還預料到“此物后必不行于世”，這一遠見(jiàn)已為今天所驗證。另外，“石油”這個(gè)名稱(chēng)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(chēng)都貼切得多。在《夢(mèng)溪筆談》中有關(guān)“太陰玄精”（石膏晶體”的記載里，沈括形狀、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，卻并不是一種東西。他還講到了金屬轉化的實(shí)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(zhì)的手段，說(shuō)明當時(shí)人們對物質(zhì)的研究已經(jīng)突破單純表面現象的觀(guān)察，而開(kāi)始向物質(zhì)的內部結構探索進(jìn)軍了。

沈括在數學(xué)方面也有精湛的研究。他從實(shí)際計算需要出發(fā)，創(chuàng )立了“隙積術(shù)”和“會(huì )圓術(shù)”。沈括通過(guò)對酒店里堆起來(lái)的酒壇和壘起來(lái)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(shù)”，也就是二階等差級數的求和方法。沈括的研究，發(fā)展了自《九章算術(shù)》以來(lái)的等差級數問(wèn)題，在我國古代數學(xué)史上開(kāi)辟了高階等差級數研究的方向。此外，沈括還從計算田畝出發(fā)，考察了圓弓形中弧、弦和矢之間的關(guān)系，提出了我國數學(xué)史上第一個(gè)由弦和矢的長(cháng)度求弧長(cháng)的比較簡(jiǎn)單實(shí)用的近似公式，這就是“會(huì )圓術(shù)”。這一方法的創(chuàng )立，不僅促進(jìn)了平面幾何學(xué)的發(fā)展，而且在天文計算中也起了重要的作用，并為我國球面三角學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻。

地理學(xué)家+醫學(xué)家

沈括在地學(xué)方面也有許多卓越的論斷，反映了我國當時(shí)地學(xué)已經(jīng)達到了先進(jìn)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布，推斷出這一帶是遠古時(shí)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(fǎng)浙東的時(shí)候，觀(guān)察了雁蕩山諸峰的地貌特點(diǎn)，分析了它們的成因，明確地指出這是由于水流侵蝕作用的結果。他還聯(lián)系西北黃土地區的地貌特點(diǎn)，做了類(lèi)似的解釋。他還觀(guān)察研究了從地下發(fā)掘出來(lái)的類(lèi)似竹筍以及桃核、蘆根、松樹(shù)、魚(yú)蟹等各種各樣化石，明確指出它們是古代動(dòng)物和植物的遺跡，并且根據化石推論了古代的自然環(huán)境。這些都表現了沈括可貴的唯物主義思想。在歐洲，直到文藝復興時(shí)期，意大利人達．芬奇對化石的性質(zhì)開(kāi)始有所論述，比沈括晚了四百多年。沈括視察河北邊防的時(shí)候，曾經(jīng)把所考察的山川、道路和地形，在木板上制成立體地理模型。這個(gè)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(shū)，經(jīng)過(guò)近二十年堅持不懈的努力，終于完成了我國制圖史上巨作《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(shí)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(jiàn)的。在制圖方法上，沈括提出分率、準望、互融、傍驗、高下、方斜、迂直等九法，這和西晉．裴秀著(zhù)名的制圖六體是大體一致的。他還把四面八方細分成二十四個(gè)方位，使圖的精度有了進(jìn)一步提高，為我國古代地圖學(xué)做出了重要貢獻。

沈括對醫藥學(xué)和生物學(xué)也很精通。他在青年時(shí)期就對醫學(xué)有濃厚興趣，并且致力于醫藥研究，搜集了很多驗方，治愈過(guò)不少危重病人。同時(shí)他的藥用植物學(xué)知識也十分廣博，并且能夠實(shí)際出發(fā)，辨別真偽，糾正古書(shū)上的錯誤。他曾經(jīng)提出“五難”新理論；沈括的醫學(xué)著(zhù)作有《良方》等三種?，F存的《蘇沈良方》是后人把蘇軾的醫藥雜說(shuō)附入《良方》之內合編而成的。

唯物主義者

沈括具有樸素的唯物主義思想和發(fā)展變化的觀(guān)點(diǎn)。他認為“天地之變，寒暑風(fēng)雨，水旱螟蝗，率皆有法”，并指出，“陽(yáng)順陰逆之理，皆有所從來(lái)，得之自然，非意之所配也?！本褪钦f(shuō)，自然界事物的變化都是有規律的，而且這些規律是客觀(guān)存在的，是不依人們的意志為轉移的，而且這些規律是客觀(guān)存在的，是不依人們的意志為轉移的。他還認為事物的變化規律有正常變化和異常變化，不能拘泥于固定不變的規則。正是這些比較正確的思想觀(guān)點(diǎn)，促使他取得了那個(gè)時(shí)代在科學(xué)技術(shù)方面達到的高度成就。沈括曾提出已知的知識是有限的，人的認識是無(wú)限的觀(guān)點(diǎn)，對科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。

唯物主義的思想傾向，還表現在沈括十分重視勞動(dòng)群眾的實(shí)踐經(jīng)驗和發(fā)明創(chuàng )造上，他不斷地從勞動(dòng)人民那時(shí)汲取智慧和力量。他曾說(shuō)：“至于技巧器械，大小尺寸，黑黃蒼赤，豈能盡出于圣人！百工、群有司、市井田野之人，莫不預焉”。為了探求醫藥知識，他“所至之處，莫不詢(xún)究，或醫師，或是巷，或小人，以至士大夫之家，山林隱者，無(wú)不求訪(fǎng)”。在《夢(mèng)溪筆談》中，他以敬佩的態(tài)度記載了宋朝勞動(dòng)人民在科學(xué)技術(shù)上的許多卓越貢獻。例如布衣畢（上日+下升）發(fā)明活字印刷術(shù)，民間匠師喻皓的建筑成就和編著(zhù)的《木經(jīng)》，河工高超創(chuàng )造的合龍堵口的先進(jìn)方法，平民天文數學(xué)家衛樸修歷的事跡，以及河北工作煉鋼、福建農民種茶等許多無(wú)名英雄在生產(chǎn)斗爭中取得的寶貴經(jīng)驗，等等。正是由于沈括的詳細記述，才使得不少作出貢獻的勞動(dòng)人民的業(yè)績(jì)得以保存流傳下來(lái)。

唯物主義的思想傾向，決定了沈括對于自然現象和科技成就的記述具有一定的科學(xué)性。他觀(guān)察和描述事物非常細致、具體、準確，沒(méi)有封建時(shí)代一般文人虛詞浮夸的壞習慣。因此，通過(guò)他的記述，我們能夠明確地判斷他那個(gè)時(shí)期生產(chǎn)技術(shù)和自然科學(xué)所達到的水平。例如，沈拓有關(guān)雷電、海市蜃樓、龍卷風(fēng)、地震以及隕鐵等自然現象的記載，非常細致貼切而生動(dòng)形象，使人們仿佛親臨現場(chǎng)。

沈括能夠用發(fā)展變化的觀(guān)點(diǎn)研究客觀(guān)事物，得出正確的結論。他在論述有關(guān)數學(xué)、氣象、醫藥等許多問(wèn)題的時(shí)候，多次強調要因地因時(shí)制宜。例如古代規定二月和八月是采藥的季節， 是沈括指出，草藥生長(cháng)由于受自然條件和栽培情況的影響，同時(shí)采藥又有取根、取葉、取芽、取花、取實(shí)等不同的要求，因此，要根據不同情況選下采藥時(shí)間，不可死板地“拘以定月”。沈括的這一見(jiàn)解是十分合理的。

沈括對一些自然現象并不停留在表面的觀(guān)察上，他還努力探求它的科學(xué)道理，提出對事物發(fā)展變化規律性的解釋。象對雁蕩山諸峰和華北平原的形成原因、二十八宿的位置、化石的形成等許多問(wèn)題的說(shuō)明，是符合近代科學(xué)原理的。為了弄清陽(yáng)燧（凹面鏡）成像的道理，他觀(guān)察空中飛鳥(niǎo)的影子情況，并親自移動(dòng)自己的手，來(lái)比較成像的區別，終于作出了比較正確的解釋.這些都是他在科學(xué)事業(yè)上能夠獲得成功的重要原因。

文武雙全

沈括文武雙全，不僅在科學(xué)上取得了輝煌的成績(jì)，而且為保衛北宋的疆土也做出過(guò)重要貢獻。北宋時(shí)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(jīng)常侵擾中原地區，擄掠人口牲畜，給社會(huì )經(jīng)濟帶來(lái)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(fǎng)使和軍器監長(cháng)官期間，他攻讀兵書(shū)，精心研究城防、陣法、兵車(chē)、兵器、戰略戰術(shù)等軍事問(wèn)題，編成《修城法式條約》和《邊州陣法》等軍事著(zhù)作，把一些先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成功地應用在軍事科學(xué)上。同時(shí)，沈括對弓弩甲胄和刀槍等武器的制造也都作過(guò)深入研究，為提高兵器和裝備的質(zhì)量做出了一定貢獻。