沈括:《梦溪笔谈》及其科学思想
蔡彬彬，张彩珠.鲍健强

一、沈括及其科学成就

　　沈括(公元1031一1095年)，字存中，杭州钱塘(今浙江杭州)人，是我国北宋时期卓越的科学家和文武全才的政治家。他出生于一个封建官吏家庭，从小接受了系统的儒学教育，又随父亲游历四方，见识各地人情物事理，大大开阔了眼界。他对儒家经籍、天文、地理、医学、兵法及诸子百家有着浓厚的兴趣，并且勤学好问，善于钻研，造就了他在天文、方志、律历、音乐、医药等方面都有建树，可谓知识广博、成绩斐然。日本著名数学史家三上义夫就曾给予沈括很高的评价。他说，像沈括这样的全才，日本没有，世界少有。
　　沈括一生的大部分时间从事政治活动，他出使办理边界交涉、坐镇陕西和西夏作战等等、为北宋当朝国家领土的完整建立了不可抹灭的功绩。其他的如兴修水利、监制军器、改造观象仪器、主管财政等一系列的活动，都体现出了他是一个热心爱国、体察人民疾苦、文武双全的政治活动家。
　　沈括一生的成就除了在政治方面，更多的是在科学方面。他一面从政，做许多有益于人民的实际工作;一面又进行科学研究，对天文、数学、历法、地理、物理、生物、医药、史学、文学、 音乐等各门学科都有突出的贡献。他的研究成果、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。现仅存的有《梦溪笔谈》、《补笔谈》、《续笔谈》、《苏沈良方》和综合性文集《长兴集》等五种。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。沈括的科学成就与贡献主要表现在以下几个方面:

(一)天文学研究领域
　　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人司天监编修新历。熙宁八年(公元ro75年)《奉元历》编成并颁行。后来又根据实测资料对《奉元历))进行重新修订，这部历法在宋代整整行用了19年。沈括对天文仪器也有重大的改革，他于熙宁七年(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。另外，节气对于农业生产等活动有着很大影响，但是中国的传统历法是阴阳合历，节气与月份的关系并不固定。为此，沈括大胆提出了一种纯阳历的历日制度，即十二节气历法。使得节气与月份之间建立起相对固定的关系。如今，世界通用的阳历，其实质与沈括的“十二节气历”很相似。

(二)声学、音乐研究领域
　　沈括一生多才多艺，对古代乐律、音乐评论、器乐演奏、唐宋燕乐、器乐制作、声音共振等方面都有精深的研究和贡献。
　　比如在填词方面，沈括反对机械地用原有曲牌音调填词的现象，因为这样容易脱离现实，不能真实地表达其歌曲的思想感情和内涵。因此沈括认为声意吻合，方能动人心弦，否则词写得再好也不是一首好的歌曲。
　　燕乐在唐宋音乐中占有很重要的地位，沈括对燕乐的起源和它的宫调种类，都作了深人细致的研究，给我们研究古乐谱提供了可靠的依据。
　　另在论述声乐方面，沈括查阅了历史上大量关于歌唱方面的资料，他总结了前人歌唱的经验，精辟地做出了“论声中无字，无中有声”的宝贵论述，他认为在歌唱时，对每一个字，每一声韵都要干净利落。发音要清晰、圆滑，并要求吐字要像珠子落玉盘一样，要清脆字正，只有字正才能引来听众的兴趣。

(三)数学研究领域
　　沈括的数学成就在我国乃至全世界的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他为“中国算学之模范的人物或理想的人物”。
　　沈括从实际计算需要出发，创立了“隙积术”和“会圆术”。他通过对酒店里堆起来的酒坛和垒起来的棋子等有空隙的堆体积的研究，提出了求它们的总数的正确方法—“隙积术”，也就是二阶等差级数的求和方法。沈括的研究，发展了自《九章算术》以来的等差级数问题，在我国古代数学史上开辟了高阶等差级数研究的方向。此外，沈括还从计算田亩出发，考察了圆弓形中弧、弦和矢之间的关系，提出了我国数学史上第一个由弦和矢的长度来求弧长的比较简单实用的近似公式—“会圆术”。这一方法的创立，不仅促进了平面几何学的发展，而且在天文计算中也起了重要的作用，并为我国球面三角学的发展做出了重要贡献。

(四)物理学研究领域
　　主要是在光学和磁学的研究领域。例如，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，侧视之则粉处如钩，对视之则正圆，从而直观形象地演示了月亮的盈亏现象，具有很强的说服力。他还发现磁针有指南、指北之分，进而推断出这种差异可能是由于磁石的不同性质造成的。

(五}地理学研究领域
　　沈括在地学方面也有许多卓越的论断，反映了我国当时地学已经达到了先进水平。他正确论述了华北平原的形成原因:根据河北太行山山崖间有螺蚌壳和卵形砾石的带状分布，推断出这一带是远古时代的海滨，而华北平原是由黄河、漳水、淖沱河、桑乾河等河流所携带的泥沙沉积而形成的。熙宁九年(公元1076年)，沈括奉旨编绘《天下州县图》。他查阅了大量档案文件和图书，经过近二十年坚持不懈的努力，终于完成了我国制图史上的巨作《守令图)。这是一套大型地图集，共二十幅，其中有大图一幅，高一丈二尺，宽一丈;小图一幅，各路图十八幅。图幅之大，内容之详，都是以前少见的。

(六)医学研究领域
　　沈括对医药学和生物学也很精通。他在青年时期就对医学有浓厚兴趣，并且致力于医药研究，搜集了很多验方，治愈过不少危重病人。同时他的药用植物学知识也十分广博，并且能够从实际出发，辨别真伪，纠正古书上的错误，还曾经提出“五难”新理论。但现存的《苏沈良方》是后人把苏轼的医药杂说附人《良方》之内合编而成的。
　　沈括一生的大多数时间都是在用严谨认真的科学态度进行研究，他在诸多科学领域的建树，使他成为中国十一世纪最伟大的科学家之一，其科学成就之大，将永垂青史。

二、《梦溪笔谈》:中国古代科学技术史上的里程碑
　　《进守令图表》(也叫《天下州县图》)地图绘制完成后，哲宗为了奖励这项牢绩。赏赐沈括一百匹绢，并且允许他任便居住。本来第一次贬滴时，沈括曾经在庐山盖好一所房舍，打算用来安度晚年。后来看到润州(今江苏镇江市)旧游时购买的一片田园，便爱上了这个地方，在那里建筑起一座美丽的花园，取名叫梦溪园，来纪念他多年来长做的好梦。沈括的晚年是在梦溪园度过的。在梦溪园居住的日子里，沈括将平时的见闻谈论，编写成文字，汇集成一本综合性著作，名叫《梦溪笔谈》。
　　虽然沈括称此书为笔谈，其实是一本内容丰富的学术著作。里面包括了他毕生研究的科学成果，还有当时的诗文，以至街头巷语，异说奇闻，无不罗列。原书编写成30卷，现传26卷，大多是由后人整理，重新编写过的。(梦溪笔谈》写成后，又陆续有所增减，这就是传世的《补笔谈》3卷和《续笔谈》11篇。今天人们所见到的(梦溪笔谈》，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类，分类记事，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、天文、地学、生物、医药、工程技术等诸多领域。
　　《梦溪笔谈》按照现代科学分科，可分列成三类总计25个项目，如下(括号内为项目条数):
人事材料(270)：官员生活和朝廷(60)、学士院和考试事宜(10)、文学和艺术(70)、法律和普务(11)、军事(25)、杂闻轶事(72)、占卜、玄术和民间传说(22)；
自然科学(207):《易经》、阴阳和五行(7)、数学(11)、天文和历法(19)、气象学(15)、地质学和矿物学(17)、地理学和制图学(巧)物理学(6)、化学(3)、工程学、冶金学和工艺学(18)、建筑学(6)、生物科学、植物学和动物学(52)、农艺(6)、医学和药物学(23)；
人文科学(107)：人类学(6)、考古学(21)、语言学(36)、音乐(44)；总计584。
　　《梦溪笔谈》的内容不单涉及的范围很广，而且所记载的知识，反映了当时最新的科学技术水平，所以李约瑟称它为“中国科学史上的坐标”。
　　首先，这些知识多数是沈括通过自己的辛苦劳动得来的。比如:他为了测量北极星与北天极的真实距离设计了窥管，每夜3次，连续三月，弄了200多张图，最后得出了当时极星“离天极三度有余”的结论;作暮漏实验十余年，首次推出冬至日昼夜“百刻有余”，夏至日“不及百刻”的结果。沈括毕生从事科学活动的结果，都在这本书中得以全面充分的体现。其次，《笔谈》还记录了许多其他科学家的研究成果。例如孙彦先的虹的成因说，李元规的天气预测、喻皓的《木经》、毕异的活字印刷术等等，都被沈括用严肃认真的态度，详细科学地记录下来。而书本所提供的许多材料，都是我们今天在这方面所能获得的唯一资料，这些对我国科技发展做出了重大贡献。
　　宋代是考古学开始发展的时代，考古方面的知识在《笔谈》中也有了反映，古物出土的记录，书里面占了一定的比重。例如在《器用》一卷里，就记载了征、铜镜、弩刀、刀剑、铜钱、印章等等。其中值得我们注意的是，从他记载中透露出当时各地发掘的情况，并已经发现了一些石器时代的文化。
　　后世人研究各种学问，常常征引此著作，有很大的学术价值。但因它是采用笔记形式，人们所得到的信息往往是零星的片断，同时在文、史方面的论述缺乏系统性，这是一个很大的缺点，但不管怎样，它的缺点掩盖不了它的丰富内容和对其他学科的贡献。

三、沈括的科学思想及科学方法
　　沈括在自然科学诸多研究领域上的卓越成就，是与他的科学研究方法分不开的。沈括十分重视调查、观察、实测、实验，强调要“原其理”，“以理推之”，并且倡导“见简即用，见繁即变，不胶一法”。

(一)科学观察
　　科学观察是人们为了认识事物的本质和规律，通过感觉器官，同时借助于一定的科学仪器，有目的、有计划地考察和描述各种自然现象的一种方法。沈括处处精细观察自然事物，得出众多深刻独到的见解。如他到延安去领兵打战，注意观察到当地的石油;到浙江去视察注意到当地的地质情况。可谓工作在哪里，便研究到哪里。
　　在研究凹面镜成像的原理时，沈括通过反复观察，得出了较《墨经》等更前进一步的结果。他发现用凹面镜照物，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。’心说明他对镜面大小、镜面曲率与成像的关系，已有很清楚的认识。
　　白居易曾写《游庐山大林寺》，其中有“人间四月芳菲尽，山寺桃花正盛开”两句，许多人嘲笑白居易写错了，理由是这首诗写于唐元和十二年四月九日，那时桃花早就谢了。可是沈括经过仔细观察发现，深山里气候比较寒冷，所以桃花比平原上开得迟，白居易尊重事实，没有写错。

(二)科学实验
　　科学实验是人们根据研究的目的，利用科学仪器和设备，人为地控制或模拟自然现象，使自然过程以纯粹、典型的形式表现出来，在有利的条件下，以便进行观察、研究，获取科学事实和材料，揭示自然的本质及其规律。沈括不是一位哲学家，他没有用语言，而是用实际行动表明了科学实验的重要性。
　　在研究指南针时，沈括观察到磁针指向不是正南方，而是略偏东，这是世界上关于地球磁偏角的最早发现。他还动手做了磁针四种装置方法的实验，即:水浮法、指甲旋定法、碗唇旋定法与缕悬法。
　　根据数次试验，沈括认为这四种方法，要算缕悬法最好。因为用指甲旋定法和碗唇旋定法，磁针很容易滑落，用水浮法，水也动荡不定，缕悬法却没有这些缺点。这四种方法，有的仍然为近代罗盘和地磁测量仪所采用。现在磁变仪、磁力仪的基本结构原理，就是用缕悬法。航空和航海使用的罗盘，就多以水浮磁针作为基本装置。
　　另外，沈括首创了纸人共振演示实验，他剪一小纸人，放在基音弦线之上，拨动相应的泛音弦线，纸人就跳动，拨别的弦线，纸人则不动。沈括把这称为“正声”，即共振实验，而在西方直至17世纪才出现类似的实验。

(三)科学的推理
　　科学的推理是科学工作者在科学观察和科学实验等科学实践中，根据客观事实所做出来的，是科学事实在人们头脑中的反映。科学推理是否真实，检验的标准只有一个，就是符合客观事实。在我国古代，沈括就是一位较早运用这种方法的科学家之一。
　　沈括一生行踪及遍大半个中国，再加上他知识面广，善于观察和思考，因此在地学领域亦有许多独到的见解。熙宁七年(公元1074年)，沈括到浙东地区考察，看到“雁荡诸峰，皆峭拔险怪，上耸千尺，弯涯巨谷，不类他山，皆包在诸谷中。自岭外望之，都无所见;至谷中则森然干霄”。对于这种地貌，他认为是“谷中大水冲击沙土尽去，唯巨石岿然挺立耳’。指出了流水侵蚀作用的自然成因。他还提出西部黄土高原的地形，也是同一原因形成的。从而对这两个地区的地貌成因做出了科学的解释。他还根据太行山麓的山崖之间，往往含有螺蚌壳及石子 ，“横亘石壁如带”，从而判断这里曾是海滨，并进而推断华北大平原是由黄河、漳水等河流的泥沙沉积而形成的。这是对华北平原成因的最早的科学解释。他还研究了从地下发掘出来的类似竹笋，以及桃核、芦根、松树、鱼蟹等各种各样化石，明确指出它们是古代动物和植物的遗迹，并且根据化石推断出了古代的自然环境。这种思想，直到文艺复兴时期，意大利人达·芬奇对化石的性质开始有所论述，比沈括晚了四百多年。

(四)数学思维方法
　　数学思维方法是通过数学语言来表达客观事物及其过程，并对之进行推导、演算、分析、综合的科学方法。马克思曾经说过:“一门科学只有在成功地运用了数学时，才称得上达到完善的地步。’心在科学研究中，只有注重对事物量的考察和分析，才能准确地把握事物的质。恰恰沈括在数学方面有很高的造诣，精确的数量计算、简洁的公式及严密的逻辑对于他在其它科学领域的研究提供了有效可靠的方法与思维方式。
　　沈括从实际计算需要出发，创立了“隙积术”(也就是二阶等差级数的求和方法)和“会圆术”(第一个由弦和矢的长度来求弧长的比较简单实用的近似公式)。
　　数学中具有明显的约简思想，沈括继承并发展了这种思想。如在论乘除速算法里，他提出:“算术多门，如求一、上驱、搭因、重因之类，皆不离乘除。唯增成一法稍异其术，都不用乘除，但补亏就盈而已。假如欲九除者增一便是，八除者增二便是，但一位一因之.若位数少则颇简捷，位数多则愈繁，不若乘除之有常。”这是科学研究中“简单性原则”的萌芽，也正是他能取得多方面科学成就之所在。

(五)否定与批判
　　为了正确认识事物的内在本质，沈括不会拘泥于现有的别人对于某事物的看法，而是会运用否定与批判的方法对事物进行考察，在其谬误分析的实践中，从本质上系统地、完整地认识事物 。
　　比如，对于司马相如《上林赋》叙丹水等八川东注太湖以及郭璞《江赋)、(墨子》孔安国等有关观点，沈括提出了反对意见，他说:“八条河流本身流人黄河，黄河距太湖数千里，中间隔着泰山及淮水、济水、长江，有什么理由与太湖相关。”②认为司马氏之观点系凭空而论，缺乏相应的理由支持，故属“妄论”。至于郭璞《江赋》、《墨子》及孔安国的观点，沈括在详细查考地理的基础上，同样认为它们均为无稽之谈:“长江、汉水到太湖已隔有山岭，其下流则绕过太湖往下流直接人海，有什么理由流人太湖呢?淮水、汝水直接在徐州境内人海，与太湖一点关系都没有。