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| 中外科学家发明家丛书：沈括 （六） | 发布于:2013/08/23 | |
| 六、科学史上的巨著——《梦溪笔谈》 团练副使只不过是一种兼衔空名，从此之后，沈括所挂的也都是空职虚 衔，只能得到少许俸禄聊以度日。所以宋神宗贬谪沈括的诏书，实际上是宣 告了沈括政治生涯的终结，这对沈括可以说是一“祸”，但正是此祸，使得 沈括有了精力抛开繁杂的政务，深入到科学研究中去，留下了不朽的科学巨 著《梦溪笔谈》，这对于我国文明史来说，是一大“福”。 沈括被贬谪后，名义上是均州团练副使，实际被软禁在随州（今湖北随 县），失去了人身自由。他借住在一个寺庙内，举目无亲、孤独寂寞，朝夕 只能与纸笔为伴。直到三年后的元丰八年（1085 年）宋神宗死后，新即位的 宋哲宋大赦天下，沈括才得以离开谪居地随州，来到了离家乡很近的秀州（今 浙江嘉兴）。这里的乡土亲情使得沈括从深深的孤寂和苦闷之中解脱出来， 专心投入到一项既利国、又利民的工作之中，这就是编制了一套《天下州县 图》。 早在十年前，他还在三司使任上时，就奉旨编绘一部新的全国地图，但 繁冗的政务使他无法全力以赴进行这项工作，因此一直没能完成，不过沈括 一直没有放弃这项工作，即使在被谪随州的日子里，他也随身带着以往收集 的图稿，不时加以研究。这时，他可以集中精力来实现自己的夙愿了。经过 广征博引，参考大量的资料，又用了两年时间，他终于绘成《天下州县图》。 这套地图包括大图一幅、京城图一幅、诸路图十八幅，包括了当时北宋 所管辖的全部地区。在制图技术上，沈括所采用的方法是很科学的。他继承 了我国传统的“制图六体”，即六项制图原则：分率（比例尺）、准望（地 理位置）、道里（实际距离）、高下（地势高低）、方斜（地形状况）、迂 直（道路曲直），并有一定的发展。比如：在他之前，地图绘制都是用八个 方向来定位，而沈括则采取了二十四个方向。这样就使地图的精确度大大提 高，提高了古代制图学的水平。 沈括编绘完成《天下州县图》后，在元祐三年（1088 年），将地图献给 朝廷，得到了嘉奖，宋哲宗解除了以前对他的人身限制，允许他可以自己选 择居住地点。沈括便以秀州迁到了润州（今江苏镇江）的梦溪园，此时沈括 已经五十八岁了。 梦溪园座落在润州的东郊，它是一处风景秀丽的田园。园内翠竹成林、 郁郁葱葱；梦溪泉水，碧绿澄彻，叮叮咚咚向前奔去。沈括闭门谢客、潜心 著述，在书房中摆满了各种书籍资料。在这里，沈括将自己的一生见闻，科 学研究所得汇集成一部著名的科学巨著——《梦溪笔谈》。此外，他的《长 兴集》、《良方》、《忘怀录》等几十部著作也是在此完成的，可惜的是大 多已经佚亡。 《梦溪笔谈》是一部内容极为丰富的著作。它是沈括毕生科学研究的结 晶，它有着广博的内容、独到的见解，反映了我国古代、特别是北宋时期在 自然科学方面的辉煌成就，也反映了沈括的经世之才和博学多知。《梦溪笔 谈》共三十卷，其中包括《补笔谈》三卷、《续笔谈》一卷。全书分为故事、 辩证、乐律、象数、官政、人事、权智、艺文、书画、技艺、器用、神奇、 异事、谬误、讥诈、杂志、药议共十七目，六百零九条。书中内容涉及到自 然科学和社会科学的各个方面，是一部百科全书式的著作。 《梦溪笔谈》记载了许多宝贵的自然科学资料，包括了天文、地学、物 理、化学、生物医药、工程技术等各方面内容。 在天文学方面，其中有一条关于常州陨石的记载，内容是这样的： “治平元年（公元 1064 年），常州日落的时候，忽然从天空中传来一阵 很快，人们听见“轰”的一声，这颗星坠落了，地点是宜兴县一个姓许人家 的花园中，远近的人都看见这里亮光照天，并着了火，把许家园子的篱笆都 烧坏了。等到火焰熄灭后，发现地面有个杯子大小的洞，入地很深，往下望 时，发现星就在里面，火光荧荧，许久才逐渐暗淡，但还热得不可挨近。又 过了很长时间，等星不热了才把地洞掘开，在深三尺多的地方，发现一块圆 石，大小和拳头差不多，一头略微尖锐，颜色黝黑似铁，重量也如铁一般。” 一条不长的记录，把陨石坠落时间、地点、过程和陨石的形状、比重作 了完整而科学的描述，这在世界天文史上也是罕见的优秀纪录。 在气象学方面，《梦溪笔谈》中的一条，记载了海市蜃楼这一奇异的自 然景观，文中记述到： “登州（今山东烟台）海中，在天空中不时出现如同宫殿、城墙、人物、 车马、市集等情观的云气，十分清楚，当地人称之为‘海市’。有的人说这 是海中蛟龙吐气而形成的，我认为这不是‘海市’形成的原因。欧阳修当年 路过山东高唐县的时候，也发现过类似的现象，并详细地记载下来，他也看 见了人物、车马等景观，与我所见的大致相同。” 现代研究证明，海市蜃楼现象的形成，是因为光线经过不同密度的空气 层时，发生了显著的折射现象，从而把远处景物显示在空中而形成各种奇异 景象，它常发生在海上和沙漠地区。对于海市蜃楼这种复杂的大气光学现象， 沈括当时虽然还无法加以科学的说明，但他不相信这是由蛟龙吐气所成的无 稽之谈，这种态度是积极的。 在地质学方面，书中对于海陆变迁、流水侵蚀、地震等现象均有记述， 有一篇关于古生物化石的条文对现在的科研也有启发： “最近延州（今陕西延安地区）永宁关有一段河堤塌陷，深达几十尺， 在下面发现了一片竹笋林，共有几百根，它们根茎相连，此时已经成为化石 了。这时正好有皇宫内物人员路过，发现这种奇特的东西，就取走了一些准 备献给皇帝。我感到很奇怪，延州这个地方一向不出产竹笋，而此物被深埋 在地下，也不知到底是何物。难道是在上古时代，此地气候温暖潮湿而且地 势低下，条件适宜于竹子的生长？在南方婺（wù）州金华山有松树、桃核、 芦根、鱼、蟹等物的化石，但是当地原产这些东西，所以发现它们的化石也 就不足为奇了。然而，竹笋在这样深的地中是不可能生存的，当地也不出产 此物，所以我认为这是非常有意思的事。” 沈括通过对延州化石的研究，提出了当时地处高寒，不宜生竹的延州可 能在上古进代，地势低平、气候温湿而适宜竹的生长的见解，虽然沈括所说 的化石并非竹笋化石，而是新芦木化石。但他的这种根据化石来研究古代地 理环境和气候条件的方法，至今仍为科学工作者所广泛运用。 在物理学方面，《梦溪笔谈》也保留了声、光、乐理等许多分枝学科的 资料，比如有一条记载了一次特殊的雷电现象： “内待（官名）李舜举家曾遭到过暴雷的袭击。当时雷劈到了西屋，有 一火球出现在窗内，跃入屋中，在场的人都认为屋子就要被焚毁，赶快都逃 了出去。等雷声停止后，人们发现屋子好好的，但墙壁和窗户纸都变成了黑 色。屋中有一个木柜是存放各种器具的，其中有带银饰品的漆器，银都化成 熔液流到了地上，而漆器却连一点焦灼的痕迹也没有。还有一把宝刀，用精 钢制成，极为坚硬，然而在刀鞘中化成了钢水，刀鞘却完好无损。人们常说 要着火必定先烧草木，然后才能溶化金属。但这次却相反：金属器物都被烧 化，草木却毫不受损，这真是一件怪事啊！佛书上说‘龙火遇上水会烧得更 旺，人间的火遭遇水就会熄灭’，这句话真是有理。人们能够明白许多事， 但有的事要用一般的看问题的方法去推测它，是无法得到正确答案的。” 这段文字所反映的，实际上是一次高频感应放电现象。限于当时的认识， 沈括不可能了解其中的科学道理，故而连博学多知的他也对此现象发出了力 所不能及的感慨。 在化学方面，有关于石油的资料记载可以为其代表： “鄜延境内有石油，从前说延水东岸有石脂水，指的就是这个。石油产 于水边，与沙石，泉水混杂在一起，缓缓地从地里冒出来。当地人用野鸡的 尾羽把它沾起来，采集后放进瓦罐里，很象纯漆。它燃烧的时候象麻一样， 但烟很浓，把帐篷都熏黑了。我想它的烟也许可以利用，就试着把它燃烧后 附在物体上的烟煤扫起来，集中到一起用来制墨。没想到用它制出的墨又黑 又亮，象漆一样，连松木烟灰制作的墨也赶不上它，于是就用它做了许多墨， 在墨锭上以“延州石液”四个字作为标记。石油制品在今后一定会大大推广 的，现在就从我做起吧。我认为，石油数量非常多，蕴藏在地下没有穷尽， 不会象松木那样有时会枯竭。现在山东一带的松林已经采完，就连太行山、 京西、江南一带有松树的山，现在大都也都光秃秃的了。制墨的人还都不知 道石油燃烧时产生的油烟对制墨有很大好处。石炭（一种烟煤）燃烧时发出 的烟也很大，会把衣服熏黑。我高兴地开玩笑做了一首《延州》诗：“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。” 沈括是我国历史上第一个提出“石油”，并利用石油烟灰制墨的人。早 在九百年以前，他就根据延州一带人民采集、利用石油的情况以及古代文献 的记载，作出了“石油数量非常多，蕴藏在地下没有穷尽”的论断，并且大 胆预言石油会在未来的世界上广泛推广使用。今天，我国丰富的石油资源的 开发和利用以及石油在世界上占有的重要地位，不能不让我们佩服这位大科 学家的远见。 在生物医药学方面，《梦溪笔谈》对动植物的地理分布、形态描述和分 类，生物的生理、后生态现象，药物和药理作用，古生物学等方面做了大量 的忠实记录。比如《采药》一文： “古法认为：采草药应在二月、八月（此处及下文均指农历），这很不 恰当。二月时草已经开始发芽，八月时草苗还没有枯萎，这仅仅是有利于采 药者辨认，对于药材的质地来说，在二、八月采则未必是好时机。大凡用植 物根部入药的，应该采多年生草木植物的隔年老根，时间应是在它没有茎叶 的时候，因为这时植物的所有养分都集中在根部，所以此时药性最强。要想 验证这种说法，可以用芦菔、地黄等药物为例，如果在没有茎叶的时候采摘， 根就会饱满而分量沉；反过来，根就会空虚而分量轻。那些不用隔年老根的 药用植物，应等到它已经长成但还没开花时采摘，因为此时根已经长足而且 没什么消耗。比如紫草，没开花时采，根色鲜艳；花开过后再采，则根色灰 暗，这便是采药时节不同，药材质地也不同的验证。 用叶入药的，应在叶子刚刚长成时采集；用芽入药的，应在芽刚长足时 采集；用花入药的，应在花刚刚开放时采摘；用果实入药的，应在果实成熟 时采摘。此上种种，都说明采药之事不能限制时间。其主要原因是：土壤的 温度和湿度随时间的变化而变化；气候也有着明显的寒暖变化。比如平地花 开是在三月，而深山中则要到四月才开，唐代诗人白居易在《游大林寺》一 诗中说道：‘在一般的地方四月就花落了，而这时山中寺庙的桃花才刚刚盛 开，’就是这个道理。这种景观形成的主要原因，是地势高低不同所引起的。 再如筀（guī）竹笋有二月发芽的，有三、四月发芽的，还有的直到五月才发 芽，这就是晚筀了；稻子有七月成熟的品种，有八、九月成熟的品种，还有 直到十月才成熟的晚稻品种。同一类植物却有着不同的生长成熟期，这是各 种品种的物性不同而引起的。两广地区的小草，就是到了冬季也还是绿油油 的；而中原地区的高大乔木，一到秋天就落叶纷飞。南方的桃树、李树在冬 季也能结实；而北方的桃树，李树则只有夏天结实，这是各地气候不同所导 致的。同一块田地的庄稼，则是先浇肥灌溉的部分先发芽；同一个山坡种的 树，却是后种的后结果实，这是人力不同所造成的。难道这些都能限制在某 个固定的月份吗？采药不能按古法行事，就是这些道理。” 沈括在本文中驳斥了把采药时间机械地规定在二、八月的旧法，主张采 药的时间，应根据不同的用药要求而有所变化；同时还指出植物的生长又受 地理、地势、气候、人力等多种因素的影响，因此要因地因时制宜。这种见 解充分体现了他所具有的朴素辩证思想。 在工程技术方面，由于沈括从小对科学技术有着浓厚的兴趣，长期耳闻 目睹劳动人民的发明创造，故经他之手留下的科技资料很多，有的更是独一 无二的珍贵科技史料，比如有关活字印刷的记载，其文如下： “用雕刻版印刷书籍，唐代时还没有得到广泛推广，从五代的冯道用雕 版印刷五经开始，以后的书籍，都是用雕版印刷的。到了本朝庆历年间（公 元 1042—1049 年），有平民毕升，他发明了活字印刷术。他的办法是用胶泥 刻字，其深度如铜钱的边缘，每个就是一小印，用火烤的方法使它坚硬。事 先准备一块铁板，上面用松脂腊和纸灰之类的易熔物覆盖。当要印刷的时候， 就把一个铁框放在铁板上，再排满活字，这时就是一版，把版拿到火上烘烤， 等易熔物熔化时，就把书版放在上面，印出的字十分工整。如果只印几本， 是感觉不到方便之处的；但如果印几十本及至成百上千，那就会觉得印速飞 快，效率极高。 印刷时，常准备两块铁板，一块印刷的时候，另一块就用于排字，这样， 当第一块板刚印完，第二块板已经就排好字等着了。如此交替使用，印书速 度极快。每一个字均有几个印；至于‘之’、‘也’等常用字，多达二十几 个印，这样就解决了一板之内重复用字的问题。至于那些暂时用不着的字， 就按音韵分类存放到木格子中。如果遇到未曾准备的生僻字，马上就能刻出 来。 那为何不用木头来刻活字呢？主要原因是木材的纹理有疏密，沾上水就 会显现出来，而且还会与易熔物粘在一起不好拿下来。不象用胶泥活字印刷 完毕后，再用火把松脂和腊烤化，用手轻轻一拨，活字就从铁板上脱落，一 点也不会沾连。毕升死后，他的活字印就被我的子侄们得到了，保存至今。” 活字印刷术是我国古代四大发明之一，而其发明者毕升的名字能留给我 们后人，就全靠《梦溪笔谈》的这段吉光片羽。毕升创造的活字印刷是印刷 术上的重要革新，它早于欧洲四百多年。 除了丰富的自然科学资料之外，《梦溪笔谈》也记载了很多珍贵的社会 科学资料，内容涉及到当时的政治、官制情况、以及历史学、文字学、书画 学等各个方面。有许多条目反映了当时北宋社会的现实情况：臃兵冗政、官 员贪污成风、人民生活贫苦，而身为最高统治者的皇帝却认为天下太平而经 常大宴群臣。《梦溪笔谈》中许多有关典章制度的记载，可以作为正史的补 充，比如：他任职过鄜延路的经略使，在《梦溪笔谈》中就针对于经略使一 职的职权、隶属关系等方面作了详细的说明。 在这本书中，沈括用了不少篇幅记下了当时为统治阶层所看不起的布衣 平民，及他们为社会所做的巨大贡献。比如前面讲过的盲人卫朴修历，布衣 毕升发明活字印刷术，以及被人们誉为“造班鲁班”的巧匠喻皓兴建灵感塔， 水工高超巧合龙门的事迹等等。 《梦溪笔谈》的另一部分重要内容是记载了沈括本人的科学研究成果。 主要有数学，天文历法，物理学的分支学科如：声学、光学、磁学以及其它 学科的珍贵资料。 在数学方面，沈括首创了“隙积成”和“会圆术”。在对数学几何学进 行研究的过程中，他发现《九章算术》中，所用来求圆柱、圆台堆积体积的 “刍童术”不很准确，因为“刍童术”实际上是用来求长方台体积的公式， 而圆柱、圆台的堆积体积是有空隙的，它的实际体积与中间没有空隙的长方 台体积显然不相等，所以借用“刍童术”来计算圆柱、圆台的堆积体积当然 就很不准确。然而一千多年来，由于没有找到实际的计算公式，人们就一直 采用这种不精确的计算方法。沈括经过长时间的研究和推导，发明了一个新 的计算公式，称之为“隙积术”，实际上就是高等数学中的高阶等差级数的 求和公式；设一堆积体的上下宽为 a 和 c，上下长为 b 和 d，高为 h，依照《梦 溪笔谈》的原文所述的计算法译为现代数学公式就是： 体积 = hb[(2a d)a (2d b)c] hb (c a) 这个公式直到六百年后，才被西方数学家所认识到。 “会圆术”就是已知圆的直径和弓形的高，来求弓形的底（或称弦）和 弓形弧的方法。如设已知圆的直径为 d、弓形的高为 h，则沈括的计算公式就 是： 弦长 = 2 (d2)2 (d2 b)2 弧长 = 2bd2 C 个求弧长的近似公式。 除了“隙积术”和“会圆木”之外，沈括在天文学计算问题上曾经提出 了“圆法”和“妥法”，这是涉及到球面三角学的高深问题。 在天文历法方面，除了前面说过的沈括所取得的实际成就外，他还提出 了一种全新的历法“十二气历”。我国原来的历法都是阴阳合历，而“十二 气历”却是纯粹的阳历，他主张废除十二个月一年的历法制度，改以十二气 作为一年，一年分四季，每季分孟、仲、季三个月，并且按节气来定月份。 办法是以立春那天作为孟春之月的第一日，也就是一月一日；以惊蛰为仲春 之月的第一天，也就是二月一日，以此类推，用节气来定月份。每个大月三 十一大，小月二十天，大小月相间，取消闰月。这样，即使有“两个小月相 并”的情形，也不过一年一次，这样的一年是 365 日；没有的，一年共三百 六十六天。就和现在通用的太阳历一样，至于月亮的圆缺，和寒来暑往的季 节无关，只要在历书上注明“朔（月缺）”、“望（月圆）”就行了。 利于农业活动的安排，因为农民耕作都是按照季节进行的，故这种以节气为 基准的历法十分方便。他预见到他的这一历法改革主张，必定会遭到顽固守 旧派的攻击并会极力阻挠，而暂时不能推行；但是，他坚信“日后必有采用 我的主张的一天”。历史已证明了他预见的正确性，现在世界各国所采用的 公历，基本原理和“十二气历”是一致的，英国统计局统计气候和生产所采 用的“萧讷伯历”是和“十二气历”是完全相同的。 沈括对物理学研究的成果也是极其丰硕的。《梦溪笔谈》中所记载的这 方面见解和成果，涉及到力学、磁学、光学、声学等各个领域。特别是他对 磁学的研究成就卓著，沈括在《梦溪笔谈》中第一次明确地谈到了磁偏角问 题。 指南针，是我国古代劳动人民的四大发明之一。古代的人用磁石磨针， 针尖就会因磁力而指南。但是，指南针如何使用才能更准确呢！为此，沈括 进行了各种试验。 起初，他把带磁的针放在水面上，但水面时常动荡，磁针老是摇来晃去， 不能稳定地指示方向。于是，他就把磁针放在碗边上或指甲上，这时由于底 部稳定，磁针就能够灵敏运转而指示方向，但又容易从碗边或指甲上滑下来， 所以也不易使用。后来，他把磁针悬挂在丝线上，发现这样使用，磁针既转 向灵敏，又不容易脱落。他所采用的具体方法是：从蚕茧中抽出一条长丝来， 然后用一小块蜡把丝粘在磁针的腰上，并将它悬挂在没有风的地方。这样， 一个灵敏而实用的指南针就可以实用了。 那么，指南针是否就指向正南而毫无偏差呢？沈括对常人毫不怀疑的日 常问题提出了疑问，并进行了多次试验。结果，沈括发现磁针的针尖有的指 南，有的却指向北。虽然限于当时的科学认识水平，他不知道磁石有南北两 极，因而磨出的磁针也会指北，但他能注意到这个问题并提了出来，也是很 了不起的。同时，通过测定，沈括又察觉到指南针并不指着正南，而是略微 有些偏东。这样，他就成为世界上第一个发现地磁偏角的科学家。通过现代 研究，我们知道：地球的磁南北极与地理南北极并不完全重合，而是有着一 定距离，因而也就形成了地磁偏角这一现象。西方发现地磁偏角是在 1492 年哥伦布第一次航行，横渡大西洋时才发现的，比沈括晚了四百年。 在光学方面，沈括通过亲身实测，在《梦溪笔谈》中对小孔成像、凹面 像成像、凹凸镜的放大和缩小作用等作了通俗生动的论述。他把小孔成像和 凹面镜成像联系起来，指出成像是由于光线穿过小孔或焦点而形成束光的缘 故。他还论述了镜面凹则照人像大，凸则照人小的原理，并指出可以应用这 一原理，调整镜面的大小与凹凸，可以使所照的人像与实体一样大。另外， 在做凹面镜成像实验时，他还发现当日光照射在镜面上，反射的光线汇集于 一点（即主焦点）时，温度非常高，可以引火。这说明了他对太阳能的利用 也有了初步的认识。 在声学方面，沈括也颇有研究与见解。他把几个小纸人放在七弦琴上进 行实验，发现，当拨弹一根弦的时候，放在比这根弦高八度（一个音阶）的 另一根弦上的小纸人会跳动起来，而其它弦上的小纸人则不会跳动。即使是 两只琴，当弹一只琴的弦时，放在另一只琴上相应的弦上的小纸人也会跳动。 这个实验证明：一个发声体的振动能引起另一频率相同的发声体的振动。沈 括称此现象为“应声”即是现代物理学名词“共振”。 除了以上所介绍的之外，沈括对其它许多学科也有着深入的研究，独到 的见解，《梦溪笔谈》也就是这样一部集作者见闻、研究成果之大成的博物 著作，记录了当时科学技术的最新成就，反映了我国科学技术的高度发展情 况，故而被称作“中国科技史上的里程碑”是非常恰如其分的。 《梦溪笔谈》是沈括毕生从事科学工作的心血结晶，但他的著述并不止 此，他还有许多文章，主要保存在他的文集《长兴集》中，后人还把沈括搜 集到的医疗方法、药方与苏轼（即苏东坡）的医药杂说合编成一部《苏沈良 方》。史书上称他“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”是很恰当的。 但这样的一位杰出人物的晚年生活是非常不幸的，他的继妻张氏对他不 好，甚至经常打骂虐待，使他的体质更弱，并时常精神恍惚不安。一次乘船 过长江，他几乎自己掉入江中，幸而被人拉住。宋哲宗绍圣二年（1095 年）， 这位学识渊博、成就卓越的科学家，爱国爱民、矢志不移的科学家、政治家， 离开了这个世界，享年六十五岁。 |
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