宋代杰出的科学家沈括

宋代杰出的科学家沈括

沈括是中国宋代杰出的科学家，他生于公元1021年，死于公元1095年，浙江钱塘（现在杭州）人。沈括生活在北宋早期，那时候宋朝正处于天下比较安定，社会生产得到恢复和发展，科学技术也随之兴盛起来，整个宋代出现不少数学家、建筑家、机械学家以及其他有专长的科学技术人才。如果不是后来民族矛盾激化，改变了中国社会发展的步伐，那么在宋朝以后中国很可能逐渐地产生资本主义生产的萌芽，中国社会也可能自发地进入资本主义社会的，沈括就是在这样的社会环境下开始他的科学活动的。

沈括少年时代就喜欢读书，13岁开始研究书法，18岁时就对医药有较深的研究并因此出了名。他一生中无论是做官还是退居乡里都没有放弃过科学研究，他的研究范围很广，应当说是一个全身心投入到自然科学中去的全面的科学家。

24岁那年，沈括任江苏沭阳县主簿，第二年又迁任东海县令。他在地方任职十多年，在促进社会经济发展方面，做出了显著成绩。在任沭阳主簿期间，沈括主持疏浚河道，得到七千顷好田。在任宁国县令期间，写成《论圩田》，并上疏给皇帝陈述圩田对农业生产的好处。他还曾亲自参加修复已废圩田秦家圩的工作，成功后改名为万春圩。万春圩在1065年对抵御长江大水，发挥了很大作用。

小孔成像

沈括在科学研究上的成就是多方面的。他对光学的研究很有意义，他指出形成“光束”的道理是：阳燧照物皆倒，中间有碍故也。就是说用阳燧（凹画镜）照物体，所成的像是倒着的，这是因为物体与凹镜之间有“碍”的缘故。沈括所说的“碍”，可以用光线穿过小孔成像来说明，如果一只小鸟在空中飞，一束光线照着它，再穿过窗上的一个小孔映在墙上，那么墙上小鸟的影子就是反向的；如果小鸟朝东飞，影子就朝西移动。这就好像我们今天使用照相机，通过照相机光圈后物体在胶片上的像是反向的。这个道理早在春秋战国时代就在《墨子》一书中提到了。沈播所说凹面镜也是一样的，在一定距离范围内，镜子里的像是倒着的。那小孔是光线经过的最“细”的地方。这就是上面所说的碍。沈括在原文中解释得也很明白：“阳燧镜是凹的，对着太阳照的时候，反射的光都向内聚集在离镜一两寸的地方，形成芝麻或豆子大小的光点，东西放在那里就会烧起来，这就好像腰鼓中最细那一点一样。”沈括之所以把凹面镜称为“阳燧”正是因为用凹面镜可以集阳光而取火，这同用燧石取火的效果一样，所以才称为“阳燧”。沈括发展了古代人的认识，意识到了凹面镜的焦点和成像道理，他用腰鼓的细腰和鼓面连线是斜的来比喻光线照射和折射后的光路，是很形象的，如果用现代方法做出光路图来，就可以更证实这一点。他把小孔与焦点称作“碍”，也是对这种特殊点的一种认识，能在1000多年前朦胧地认识到焦点和小孔的作用，并给它起个名字这是很不简单的。

雁荡山

沈括对自然的观察是以科学家的眼光作出的。有一次他奉命察访河北，路过太行山山崖时发现山崖间有很多螺蚌壳和鹅卵石，他便推断这里远古时代是海滨，这些贝壳和卵石都是那时海滨堆积的留存。他精确地论证了河流的侵蚀和沉积作用，并根据古生物的遗迹正确地推断出海陆的变迁。在延州（现在延安）见到崩塌的深谷，数十尺深的地下出现化石竹笋林，有几百株根干连在一起，这一奇特的现象启发沈括的科学想像，他推断这一现象是与气候变化有着密切关系的。

沈括对地质现象的观察和论断同现代科学地质的思维方式和推断方式是完全一致的，当然他做出的还只是定性的判断，但这已属十分可贵了。

沈括对水流冲击侵蚀使地形发生变化的道理也有重要见解。他说：“浙江雁荡山是天下奇秀，但自古地理方面的书籍和图谱都没有谈到这一点。我看到雁荡山峰峦峭峻险怪，耸立千尺，奇崖巨谷同别的山很不一样。这些奇峰都被包在山谷中，从岭外看上去，什么都看不见，但一到谷中，一眼就看到峰峦直上云霄。这是什么道理呢？是因为山谷很大，发水时谷中沙土都被冲走了，就只有巨石巍然挺立了。陕西成皋县的大山涧中，巨土大至百尺高，这也和雁荡山的成因一样，只不过这里是石那里是土罢了。”这里沈括看到了雁荡山诸峰孤立挺拔和别处山不相同的现象，确认是由于水流冲击的原因，同时又联想陕西大涧中形成的百尺土崖也是同样道理。他的这一卓越见解比近代地质学之父、英国的郝登的同样见解要早600年。

1080年，沈括任延州知州。在任上他考察了鄜延境内石油矿藏与用途。他说：“延境内有石油。旧说高奴县出脂水，即此也。生于水际，沙石与泉水相杂，恫恫而出。土人以雉尾囊之。乃采入罐中，颇似淳漆，燃之如麻，但烟甚浓，所沾幄幕皆黑。予疑其烟可用，试扫其煤以为墨，黑光如漆，松墨不及也。……此物后必大行于世，自予始为之。盖石油至多，生于地中无穷，不若松木有时而竭。”这段记载说明沈括不仅发现石油的一般用途，而且还发现了它的燃烧产物的用途，即用石油烟尘（没完全燃烧的碳）来制墨。今天我们知道，石油直接制取的产品已经成千上万种之多，但人类第一次突破石油只用来燃烧而派以其他用途的还是沈括。

月蚀

在天文学方面，沈括在总结前人成果的基础上又深化了一步。他解释了发生日、月盈亏和日月蚀的现象。他认为日月的形状如弹丸，月亮本来是不发光的，好像一颗银制的弹丸，日光照着它才使它发亮。月初时，太阳在它旁边，月光生在月亮的一侧，人们看到的就好像一钩。往后太阳离开月亮渐渐远起来，日光斜照着月亮，月亮就渐渐显得圆满。譬如弹丸一半涂了粉，从旁边看上去，那有粉的地方就呈现钩形，而要是从正面看上去，那就看到了圆形，所以月亮很像弹丸。沈括对月亮的形状，月光的成因有盈亏关系都作了进一步的说明。他的说明大体上符合现代天文学理论。

大相国寺

在数学方面，沈括创立了“隙积术”和“会圆术”。“隙积术”也就是高阶等差级数的求和法，我们经常看到商店里把缸、盆等堆成一种长方台状，底层摆成一个方阵，以上逐层长宽各减一个，要计算它的总数该怎么办呢？沈括的“隙积法”开辟了新的研究方向，到南宋的杨辉和元代的朱世杰，又对这一问题进行了更深入的研究，他们所举出的许多新级数，都是由沈括的研究推广而得来的。沈括对平面几何学的精深研究，使他创立了“会圆术”。就是已知圆的直径和弓形的高，而求弓形的底（即弦）和弓形弧的方法。《九章算术》对这个问题所用的公式不够精确。沈括根据勾股定理再进一步利用公式计算弧长。他的计算公式为中外学者继续研究开了先河。

沈括对力学、光学、声学、热学、磁学等各方面都有丰富的研究成果，其中有关磁偏角的记载是现存最早的记录。他的《梦溪笔谈》一书汇集了他的研究成果，也是集前代科学之大成的一本书。他一生注重实践和调查研究，治学态度严肃认真。为了研究极星位置，他曾用三个多月的时间进行连续观测，每夜观测三次，并作了详略记录。他共绘制观测图三百多张，这才得出极星离北极3。多的结论。开封的大相国寺有一幅壁画，画的是一队乐工演奏古曲，一般人批评它有个缺点：其中一个弹琵琶的乐师，当其他乐师在奏“四”字音时，他的指头不是拨动琵琶“四”字所在的上弦，而是掩着下弦。于是认为这是画家不懂乐理而产生的错误。沈括仔细观察后认为并不是这样，画家不但没有错，而恰恰说明了画家构思的精细。他的理由是吹奏乐的发音，可以看指头的部位，而琵琶是一种弦乐，必须在拨弄之后才发出声音，因此手指掩下弦，正表明声音刚从上弦发出。大家不信，找来乐队演奏，果然如沈括所说。沈括的观察力真够精细的了。

沈括卓越的科学成就，在国内外产生了深刻影响，受到高度评价。中国曾发行过一套纪念古代科学家的邮票，其中有一枚就是杰出的科学家沈括。