北宋著名的科学家和政治家----沈括

北宋著名的科学家和政治家----沈括北宋著名的科学家和政治家----沈括书香门第宦海生涯沈括（公元1031—1095年），字存中，杭州钱塘（今浙江杭州）人。

其父沈周（公元978—1051年），字望之，宋大中祥符八年（1015）进士，历任汉阳（今属湖北）掾，高邮（今属江苏）从事，大理丞监苏州酒务，知简州平泉（今四川简阳），苏州通判，知润州（今江苏镇江），知泉州（今属福建），开封府判，江南东路按察使，知明州（今浙江宁波）等职。

母许氏出身于苏州一个注重武略的书香门第，为北宋著名军事战略家许洞的幼妹，知书达礼，通晓文墨，对沈括的一生和事业都有重大影响。

沈括从小接受了系统的儒学教育，又随父宦游四方，见识各地人情物理，大大开阔了眼界。

皇祐三年（公元1051年）十一月，沈周在杭州去世。

至和元年（公元1054年），沈括父丧服满，以父荫授海州沭阳县（今属江苏）主簿。

此后十多年辗转四方，担任地方低级官吏。

虽然职位低微，事务繁杂，但沈括兢兢业业，取得了令人称赞的政绩。

在沭阳主簿任上，他首先采用安抚措施，平息了一场县民抗官的斗争。

接着着手整治该县长年失修的水利工程，使危害多年的沭水得到治理，得良田七千顷，促进了当地农业生产的发展。

继沭阳治沭后，嘉祐六年（公元1061年）他任宣州宁国（今属安徽）县令，通过实地调查，力驳众议，动用八县1.4万名民夫，费时80天，重建万春圩，垦辟良田1270顷，使数县受益。

嘉祐八年（公元1063年），沈括进士及第，除扬州司理参军。

治平三年（公元1066年），沈括入京城任馆阁校勘，编校昭文馆书籍，删定三司条例。

因馆职清闲，故沈括有较充裕的时间深入研究天文和历算，为日后从事历算仪象方面的工作奠定了基础。

熙宁五年（公元1072年），时任太子中允、检正刑房公事的沈括，又被任命为兼提举司天监，主持司天监的工作。

在此期间，他采取多项措施，对司天监进行整顿和改革。

首先是整顿机构，罢免六个庸官，招募有真才实学的人士充实机构，提高人员的素质；其次是任用卫朴编修新历，于熙宁八年（公元1075年）修成《奉元历》；第三，针对原司天监的观测仪器破败不堪，难敷应用，在对天文仪器作了系统的研究后，沈括写出《浑仪》、《浮漏》、《景表》三篇论文，建议制造更精确的浑仪、浮漏、圭表等。

在得到允准后即着手研制，于熙宁七年（公元1074年）完成新仪的制造。

因制新仪之功，沈括被升迁为右正言、司天秋官正。

沈括生活在北宋中期，这时的宋朝外有辽、西夏的侵逼，内为冗官、冗兵、冗费所困，财政危机深重，内外交困，矛盾激化，统治不稳。

为解决积贫积弱的问题，实现富国强兵。

继范仲淹等人发动“庆历新政”失败后，王安石又再次倡导变法，在宋神宗的支持下，开始了一系列的改革活动。

沈括是王安石变法的积极参与者，史载：“朝廷新政规划，巨细括莫不预。

”同时还参加了一系列推行新法的重要活动，多次出京前往各地视察。

熙宁五年（公元1072年），沈括奉命治汴。

汴河水利是王安石变法的农田水利法中一个重点工程，自熙宁二年（公元1069年）开工后，取得了一定成效，但屡遭守旧派的攻击。

沈括通过考察，从治汴的历史和现状出发，说明了治汴工程的必要性，从而有力地支持了变法。

熙宁六年（公元1073年）六月，沈括奉命出访两浙，相度两浙农田水利、差役诸使，兼察访。

七年（公元1074年）八月，被任命为河北西路察访使，兼提举该路保甲，主要任务是视察和整顿边防。

他向朝廷就兴修防御设施、推行保甲法等问题提出31项建议。

同年九月，受命兼管新政的重要机构——军器监，在此后近两年的时间里，使军器监生产的兵器在数量与质量上均有很大提高。

同时，沈括还钻研阵法与城防，重订《九军阵法》，编成《修城法式条约》等。

熙宁八年（公元1075年），沈括奉旨出使辽朝，与辽朝宰相商谈宋辽分界问题，获得成功。

归来后撰成《使契丹图抄》，描绘了辽朝的山川、道路形势与人情风俗，进呈朝廷。

同年十月，沈括升任翰林学士、权三司使，主持宋朝财政。

他推行新法，改革财政制度，在一定程度上改善了宋朝的财政状况。

熙宁十年（公元1077年）七月，沈括因主张免除下户役钱、轻役依旧轮差，遭到御史蔡确等人诬劾，被罢三司使，出知宣州（今属安徽）。

元丰三年（公元1080年）五月，改知延州（今陕西延安）。

不久又兼任鄜延路经略安抚使，成为一方军事统帅，在与西夏的对抗中屡立战功，并升任龙图阁直学士。

但在元丰五年（公元1082年）九月，永乐城被西夏军攻破，北宋损失官兵万余人，夫役无数。

沈括在此次战役中，虽竭尽全力阻止西夏军的继续前进，但他身为主帅，未能坚持自己的主张，纠正钦差徐禧的错误，导致宋军损失惨重，应负有一定责任。

十月，朝廷以“措置乖方”罪，降沈括为均州团练副使，限他居住在随州（今湖北随县）。

八年，徙秀州（今浙江嘉兴）团练副使，在秀州安置。

熙宁九年（公元1076年）沈括奉诏编修天下州县图，至元祐二年（公元1087年）完成。

元祐三年他将五易其稿，费时12年精心编制的《天下州县图》献给朝廷，才被允许任便居住。

元祐五年（公元1090年）沈括迁润州（今江苏镇江）朱方门外的梦溪园定居。

从此闭门谢客，潜心著述，恬淡而平和地度过了他的晚年。

绍圣二年（公元1095年），沈括病逝，享年65岁。

科学成就永垂青史沈括一生的大部分时间从事政治活动，但他刻苦治学，“于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算，无所不通，皆有所论著”。

可以说他一生的主要成就不是在政治上，而是在科学方面。

根据胡道静的统计，沈括的著述将近40种，分为易、礼、乐、春秋、仪注、刑法、地理、儒家、农家、小说家、历算、兵书、杂艺、医书、别集、总集、文史等17类。

今存的仅《梦溪笔谈》、《补笔谈》、《续笔谈》、《苏沈良方》和综合性文集《长兴集》（原有41卷，仅存19卷）等五种，其余大多已经亡佚。

其中《梦溪笔谈》是沈括晚年在梦溪园中，将他一生的所见所闻和研究心得以笔记文学体裁形式写下的不朽著作。

现存《梦溪笔谈》为26卷，连同《补笔谈》3卷，《续笔谈》11篇。

笔谈共分为故事、辩证、乐律、象数、人事、官政、权智、艺文、书画、技艺、器用、神奇、异事、谬误、讥谑、杂志、药议17门，分类系事，考辨精邃，共有609条。

有关历史（包括考古）方面的记述，至少也有120条以上。

有关自然科学条目的占255条，约为全书的42％，内容涉及自然观、数学、物理、化学、天学、地学、生物、医药、工程技术等诸多领域。

书中反映有当时科学技术成就的一些忠实记录，如喻皓的《木经》、毕昇的活字印刷术等，都是我们今天在这方面所能获得的唯一资料。

《梦溪笔谈》不仅是一部史料价值很高的历史典籍，而且是一部科技史资料汇编，在中国科学技术史上具有十分重要的地位，英国科学史家李约瑟（Joseph Needham）博士曾称此书是“中国科学史上的里程碑”。

天文学沈括奉命兼任提举司天监后，首先采取措施对司天监进行整顿，并保举精于历术的平民卫朴进入司天监编修新历。

熙宁八年（公元1075年）《奉元历》编成并颁行。

后在沈括的建议下，《奉元历》又根据实测资料重修，在宋代行用了19年。

沈括对天文仪器也有重大的改革。

浑仪是中国古代用来观测天体运动的仪器。

沈括在深入分析历代浑仪缺点的基础上做了重要改进，如取消了白道环，放大窥管上孔径以扩大视域及缩小下孔径以适宜于人目观测，设法校正极轴位置等。

经改进的浑仪，结构简化，使用方便，测量精度也有所提高。

沈括改进的计时仪器浮漏，利用漫流中表面张力的补偿作用，来减少液体粘滞性随温度变化而对流量的影响，以便消除由此引起的计时误差，提高了计时的准确性。

他利用新制的浮漏，进行了长达十余年的观测和研究，获得不少新的成果，如认识到在一年之中，每日的长度并非常量，并据理推断冬至日长度“百刻而有余”、夏至日长度“不及百刻”。

此外，他还对测日影的圭表做了一系列改革。

为了说明改制仪器的原理，沈括于熙宁七年（公元1074年）七月上《浑仪》、《浮漏》、《景表》三议，这三篇著作都是中国科技史上有关天文仪器方面的杰作。

中国的传统历法是阴阳合历，节气与月份的关系并不固定，而节气对于农业生产等活动有着很大影响。

因此，为使节气与月份之间建立起相对固定的关系，沈括大胆提出了一种纯阳历的历日制度，即十二节气历法。

他认为最好是用“十二节气”为一年，不要用十二月。

如以立春为孟春（正月）初一，惊蛰为仲春（二月）初一，等等，以此类推；大月31日，小月30日，大小月一般相间，一年最多有一次两个小月相连；在历书上加注朔望，以表示月亮的圆缺。

这种历法可说是历法史上带有革命性的创意。

它完全以太阳视运动为计算依据，按节气定历，既简便易算，又有利于农事活动的安排。

但由于这种纯阳历否定了中国几千年传统的阴阳合历，不可避免地招致“怪怨攻骂”，而难以实行。

可是，沈括却满有信心地说：“然异时必有用予之说者”。

如今，世界通用的阳历（如现行的公历《格里历》），其实质与沈括的“十二节气历”是很相似的。

数学沈括的数学成就在数学史上占有重要的地位。

日本著名的数学史家三上义夫称之为“中国算学之模范的人物或理想的人物”。

累棋、层坛及酒家积罂之类的隙积问题，即垛积问题，实质上是一种高阶等差级数求和问题。

设堆垛体的上、下宽分别为a和c个物体，上、下长分别为b和d个物体，高共有n层，则依《梦溪笔谈》原文所述，堆垛体的总和S=［（2b+d）a+（2d+b）c+c-a］，这一公式是完全正确的。

沈括的隙积术是《九章算术》中“刍童术”的发展，并构成了其后二三百年间关于垛积问题研究的开端。

其后南宋的杨辉和元代朱世杰等在此基础上，创立垛积术，解决了许多更一般的高阶等差级数求和问题。

沈括的另一项数学成就，是创立了会圆术。

会圆术是在丈量田亩中提出来的。

沈括说：“凡圆田，既能拆之，须使会之复圆。

”这是关于已知弓形的圆径、矢高，求弓形的弦长和弧长的方法。

沈括是中国第一个对弧、弦、矢之间关系加以考虑的科学家。

会圆术也是后来天文计算中常用的重要公式。

物理学（1）光学沈括研究过凹面镜成像的原理，他通过反复观察和实验，得出了较《墨经》等更前进一步的结果。

他指出，用凹面镜照物，中间有一被称作“碍”的点（即现在所说的焦点），物在此点之内，成正像；在此点上，不成像；在此点之外，成倒像。

他还用窗隙、橹臬、腰鼓等常见事物，来形容凹面镜成像现象，试图解释凹面镜成像原理。

尽管这些解释并不完全正确，但不失为极有益的尝试。

他对凸面镜、平面镜也做了细致的观察和研究，科学地解释了古人制镜，镜大则平、镜小则凸的道理。

他指出：“小鉴不能全观人面，故令微凸，收人面令小，则鉴虽小而能全纳人面。

”说明他对镜面大小、镜面曲率与成像的关系，已有很清楚的认识。

为了说明月亮的盈亏现象，沈括做了模拟实验。

他用一个弹丸，将其表面一半涂上白粉，这样侧视之则粉处如钩，对视之则正圆，从而直观地和形象地演示了月亮的盈亏现象，具有很强的说服力。