科學(xué)全才—沈括

章梓良 邵紅能

1979年7月，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)為了紀(jì)念沈括，將該臺(tái)在1964年發(fā)現(xiàn)的一顆小行星2027命名為“沈括星”。

沈括的一生都致力于科學(xué)研究，被認(rèn)為是中國整部科學(xué)史中最卓越的人物。他的代表作《夢溪筆談》內(nèi)容豐富，集前代科學(xué)成就之大成，在世界文化史上占據(jù)著重要的地位，被稱為“中國科學(xué)史上的里程碑”?！秹粝P談》也是沈括一生的社會(huì)和科學(xué)活動(dòng)的總結(jié)，書中內(nèi)容包括天文、歷法、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、地理、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、文學(xué)、史學(xué)、考古、音樂和藝術(shù)等共600余條，其中200多條屬于科技方面，記載了他的許多發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和真知灼見。

據(jù)《宋史·藝文志》記載，沈括的著述有22種155卷，除《夢溪筆談》外，還有綜合性文集《長興集》《志懷錄》《清夜錄》，醫(yī)藥著作《良方》《蘇沈良方》，科學(xué)著作《渾儀議》《浮漏議》《景表議》《熙寧奉元?dú)v》《圩田五說》《萬春圩圖記》《天下郡縣圖》《南郊式》《諸敕格式》《營陣法》，音樂類著作《樂論》《樂律》《樂器圖》等，但存世較少。

自幼好學(xué)

沈括出生于浙江杭州，是地道的江南才子。他的父親常年在外地做官，家里由母親支撐。沈括的母親出身書香門第，為人知書達(dá)理，賢惠慈祥。沈括自幼就喜學(xué)好問，于是母親便成了他的啟蒙老師。嫦娥奔月、夸父追日、牛郎織女……小沈括常常偎依在媽媽的懷里，仰望當(dāng)空的一輪皓月，津津有味地聽媽媽講那些動(dòng)人的故事。

錢塘沈氏在醫(yī)藥學(xué)頗有建樹，有家傳藥學(xué)書籍《博濟(jì)方》。受家庭影響，沈括也從搜集醫(yī)方開始鉆研醫(yī)學(xué)。沈括14歲時(shí)就讀完了家里的藏書，并隨父親宦游州縣，到過泉州、潤州、簡州和汴京等地，有機(jī)會(huì)接觸社會(huì)，對當(dāng)時(shí)人民的生活和生產(chǎn)情況有所了解。沈括表現(xiàn)出對大自然的強(qiáng)烈興趣和敏銳觀察力。1050年，沈括借居蘇州母舅家，從舅舅許洞的著作與藏書中得益甚多，并開始對軍事產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。

1054年，沈括以父蔭入仕，任海州沭陽縣主簿，遂治理沭水，開發(fā)農(nóng)田，頗有政績。工程結(jié)束后，沈括辭去職務(wù)，來到寧國縣，準(zhǔn)備科舉考試。1061年，哥哥沈披主持蕪湖萬春圩工程，沈括有治水經(jīng)驗(yàn)，遂獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策并作了詳細(xì)記錄。1065年，經(jīng)淮南路轉(zhuǎn)運(yùn)使張蒭推薦，沈括被調(diào)入京師，編校昭文館書籍，參與詳訂渾天儀，并在閑暇研究天文歷法之學(xué)。1068年，沈括升任館閣?？?，有機(jī)會(huì)接觸皇家藏書，進(jìn)一步充實(shí)自己的學(xué)識(shí)。

沈括涉獵廣泛，勤學(xué)好問，善于利用手上已有的資源去解決問題，因此，他對知識(shí)上的掌握是很全面的。他是世界上最早經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明磁針“能指南，然常微偏東”，即地磁的南北極與地理的南北極并不完全重合，存在磁偏角的人。這比哥倫布橫渡大西洋時(shí)發(fā)現(xiàn)磁偏角現(xiàn)象早了400多年。此外，我們現(xiàn)在用的“石油”一詞，也是沈括命名的。當(dāng)時(shí)，沈括不但命名了“石油”，還指出與“舊說‘高奴縣出脂水”的區(qū)別。意味著用新的“石油”一詞否定并取代了石漆、石膏、石脂、石脂水、火油、猛火油、肥、可燃水等舊名。

《夢溪筆談》

《夢溪筆談》是一部涉及古代中國自然科學(xué)、工藝技術(shù)及社會(huì)歷史現(xiàn)象的綜合性筆記體著作。據(jù)現(xiàn)可見的最古本元大德刻本，《夢溪筆談》一共分30卷，其中《筆談》26卷，《補(bǔ)筆談》3卷，《續(xù)筆談》1卷。全書有十七目609條，內(nèi)容涉及天文、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等各個(gè)門類學(xué)科。該書基本上反映了北宋的科學(xué)發(fā)展水平和沈括自己的研究心得。

《夢溪筆談》成書于11世紀(jì)末，一般認(rèn)為是1086～1093年間。作者自言其創(chuàng)作是“不系人之利害者”，出發(fā)點(diǎn)則是“山間木蔭，率意談噱”。沈括晚年遭貶后隱居潤州，因日夜思念故鄉(xiāng)之苕溪，故把住所取名為“夢溪園”，并在那里完成了這本著作，故取“夢溪”二字。筆談，是由于平時(shí)和客人在園內(nèi)交談，沈括經(jīng)常將“與客言者”記錄于冊，友朋聚散無常，時(shí)長日久，他覺得好像自己是“所與談?wù)?，唯筆硯而已”，故用名“筆談”。兩者串列并稱，則為“夢溪筆談”。

該書包括祖本在內(nèi)的宋刻本早已散佚，現(xiàn)所能見到的最古版本是1305年（元大德九年）東山書院刻本，現(xiàn)收藏于中國國家圖書館。元大德刻本是為善本，其流傳清晰，版本有序，歷經(jīng)各朝代，數(shù)易藏主。1965年，在周恩來的主持下，于香港購回。《夢溪筆談》具有世界性的影響。早在19世紀(jì)中期日本就排印了這部著作，是世界上最早用活字版排印《夢溪筆談》的國家。到了20世紀(jì)，法、德、英、美、意等國家都有學(xué)者、漢學(xué)家對《夢溪筆談》進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究，英語、法語、意大利語、德語等各種語言的翻譯本也早已出現(xiàn)。

《夢溪筆談》中詳細(xì)介紹了隙積術(shù)和會(huì)圓術(shù)。

《夢溪筆談》涉及的面較廣且多有創(chuàng)見，其中有7條筆記是涉及數(shù)學(xué)的，被數(shù)學(xué)界尊為中國古代數(shù)學(xué)研究的重要成就。書中詳細(xì)介紹了沈括首創(chuàng)的隙積術(shù)和會(huì)圓術(shù)。所謂“隙積術(shù)”，是指如何計(jì)算“垛積”。沈括運(yùn)用類比、歸納的方法，提出了準(zhǔn)確的計(jì)算方法，并以堆積的酒壇為例加以說明。實(shí)際上，沈括是以體積公式為基礎(chǔ)，把求解不連續(xù)的個(gè)體的累積數(shù)，化為連續(xù)整體數(shù)值來求解，可見，他已具有用連續(xù)模型解決離散問題的思維。在中國數(shù)學(xué)史上，他開辟了高階等差級數(shù)求和的研究領(lǐng)域。而會(huì)圓術(shù)，實(shí)際上是指由弦求弧的方法，其主要思路是局部以直代曲，對圓的弧矢關(guān)系給出一個(gè)比較實(shí)用的近似公式。沈括是第一個(gè)利用弦、矢求出了孤長的近似值。這一方法的創(chuàng)立，不僅促進(jìn)了平面幾何的發(fā)展，且在天文計(jì)算中也起到了重要作用，為中國球面三角學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。在數(shù)學(xué)研究與應(yīng)用方面，沈括提出了如何計(jì)算圍棋可能的總局?jǐn)?shù)的方法，并指出：“……然算術(shù)不患多學(xué)，見簡即用，見繁即變，乃為通術(shù)也?！边@實(shí)際上反映了他不拘一法、解法多樣化、簡約化的思想。在象數(shù)中，沈括否定了數(shù)的神秘性，肯定了數(shù)與物的關(guān)系。此外，筆記中關(guān)于測量汴河水位落差的方法等，都從不同的側(cè)面體現(xiàn)了沈括非凡的數(shù)學(xué)才能以及統(tǒng)籌與應(yīng)用的數(shù)學(xué)思想。

成果豐碩

《宋史·沈括傳》的作者是這樣形容沈括的：“博學(xué)善文，于天文、方志、律歷、音樂、醫(yī)藥、卜算無所不通，皆有所論著。”如他的《南郊式》，修改簡化了皇帝的“郊祭”儀式，節(jié)約開支，減輕了人民負(fù)擔(dān);他也曾學(xué)醫(yī)、行醫(yī)，成功地救治過重病病人，并著有醫(yī)書《別次傷寒》《靈苑方》《良方》等;在出使契丹時(shí)，他沿途隨時(shí)觀察著當(dāng)?shù)氐牡乩硇蝿?，根?jù)觀察制成一幅《使契丹圖抄》，供政府參考;以及曾毀于戰(zhàn)火中的《天下州縣圖》，是當(dāng)時(shí)最為精準(zhǔn)的一套地圖……一系列的成果體現(xiàn)了沈括不僅在科學(xué)人文方面成績顯著，在政治、思想等方面也有不俗的理解。

《使契丹圖抄》是最早的立體地圖。

特別的是，沈括在出使遼朝南歸的路上，每經(jīng)過一個(gè)地方，都把那里的山脈河流、驛路關(guān)隘描畫到地圖上，還對當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)土人情作了細(xì)致調(diào)查?；氐剿纬院?，沈括把這些資料整理出來，以一代學(xué)者獨(dú)有的視角著成圖文并茂的《熙寧使虜圖鈔》，為宋代帝王、使臣、官員等了解遼朝情況，做到“知己知彼”，提供了第一手資料。此外，沈括還多次到宋遼邊境巡視，根據(jù)邊界政治、地理形勢制作立體地圖模型進(jìn)呈給宋神宗，以期皇帝能夠?qū)吘城閯葑龅叫闹杏袛?shù)。這對于宋朝對外政策的制定和調(diào)整，提供了重要的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

在沈括的諸多科學(xué)工作中，他對計(jì)量的貢獻(xiàn)引人注目，而這一點(diǎn)常為當(dāng)代學(xué)者所忽略。日本著名數(shù)學(xué)史家三上義夫認(rèn)為：“沈括這樣的人物，在全世界數(shù)學(xué)史上找不到，唯有中國出了這樣一個(gè)。我把沈括稱作中國數(shù)學(xué)家的模范人物或理想人物，是很恰當(dāng)?shù)摹！?/p>

沈括天賦異稟，一生對科學(xué)研究非常好奇，熱心科學(xué)研究，且興趣廣泛，加之北宋比較好的科研環(huán)境和氣氛，以及比較寬松的社會(huì)氛圍，最終促成了沈括在科學(xué)研究上的成功。