中外科学家发明家丛书:沈括_2-第1章
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一、杰出的一生
我们中华民族有着五千年的文明历史，在这浩瀚的历史长河中，曾经涌
现出了无数杰出人物。在他们当中，有思想家、政治家、文学家、科学家、
军事家，等等。北宋时期的大科学家沈括，就是继东汉张衡、南朝祖冲之以
来，我国最伟大的科学家。
沈括博学多才、成就卓著，他在天文、地学、物理、化学、生物以及工
程技术、文学、音乐、美术等许多方面都有精湛的研究和开创性的发现，其
中有许多研究成果在当时的世界上，处于领先地位。如此博学，成就又如此
恢宏，这在中国科学史上是少见的。因此，英国当代著名科学家李约瑟博士
在他的巨著《中国科技史》中，称沈括为“中国科学史上最奇特的人物”，
他的著作《梦溪笔谈》为“中国科学史上的里程碑”。
沈括，字存中，宋仁宗天圣九年（公元1031年）出生在钱塘（今浙江杭
州）西七十里风景秀丽的南新乡。他的青少年时代是随为官的父亲在各地渡
过的。二十四岁时，他当上了沭阳 （今江苏沭阳县）主簿（县长助手），开
始踏上仕途，以后历任东海（今江苏东海）、宁国（今安徽宁国）、宛丘（今
河南淮阳）等县县令。其间，他克尽职责，关心劳动人民疾苦，领导各地民
众兴修水利工程，开始了他最初的科学实践。三十三岁时，他考中进士，来
到京城汴梁 （今河南开封），在昭文馆编校书籍，研究天文历法，后被提拔
为提举司天监 （政府天文观测长官），他主持重修了历法。不久，沈括被派
往今浙江、河北等地视察农田水利，他对这些地方进行了较为细致的水利、
地质等方面的研究。
王安石主持变法运动后，沈括积极参加并成为骨干。他的才能被宋神宗
所赏识，先后担任过几种重要职务，如“权三司使”（主管国家经济财政）、
“兼判军器监”（兼管军器制造）并被派出使契丹（辽国，今吉林、辽宁等
地）、率兵抗击西夏 （今我国西北地区）军队的进犯。在这段时期内，沈括
在处理政务的同时，考察了各地的地理形势、山川道路和风俗人情等自然、
人文情况，收集了许多宝贵的科学资料。
1082年，北宋边塞重镇永乐（今陕西米脂县西北）失陷，沈括受到牵连
被贬官，不久就结束了他的仕途生涯。六年后，他迁居到润州 （今江苏镇江
市）的梦溪园。在那里，沈括把自己一生的所见所闻和科学研究成果加以整
理总结，完成了流芳千古的科学巨著《梦溪笔谈》。1095年，这位博学多才
的科学家与世长辞。
二、初入仕途 展露斗角
沈括有一个幸福的家庭，父严母慈，哥哥沈披和他一起长大。沈括的父
亲沈周出身进士，先后曾在简州（今四川简阳）、润州（今江苏镇江市）、
泉州 （今福建泉州市）、江宁（今江苏南京市）等地任地方官，而沈括的青
少年时代就是随父亲迁任各地中度过的，其间在繁华的泉州居住了八年。沈
括的父亲是位为官清正、同情下层的开明官吏，这为沈括思想的形成带来了
许多积极的影响。沈括的母亲很有文学修养，是位知识妇女，在她的教导培
养下，两个儿子都得到了良好的启蒙教育。良好的家庭环境和广泛的社会接
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触，使小沈括对许多方面知识都有浓厚的兴趣。这个有着强烈求知欲的少年
无论走到哪里，对所见所闻都很留意、注意观察各种事物。他之所以成人后
成为一位博学多识的科学家，与少年时代打下的基础有着密切的关系。
沈括十二岁时开始正式拜师读书。他和哥哥看到当时国家边疆常有战
争，给老百姓带来许多灾难，就立志长大后立功报国，于是常在一起练武。
他们的舅父许洞能文善武，著有兵书《虎钤（qián）经》，虽然这时已经去
世，但他们的母亲在自己理解的情况下，把书中的军事理论深入浅出地传授
给两个儿子。所以，沈括和他的哥哥以后均是文武全才，与这时的军事知识
教育有很大关系。
沈括从小就在学习上有一种锲而不舍的精神。十五岁时，他因练习写小
字不分昼夜，结果得了眼病。一位有良好医术与医德的医生王琪给他进行了
精心的治疗，于是他对医学产生了兴趣，他认真研究医术、到处搜寻药方，
与医学结下了不解之缘。
就这样，沈括在如饥似渴地吸收各方面知识的过程中，渡过了他的青少
年时代。时光冉冉，他二十一岁了。就在这时，噩耗传来，他的父亲去世，
怀着沉痛的心情，沈括在故乡钱塘为父亲守丧三年。服丧期满后，宋朝政府
按当时官员死后荫其子的制度，任命沈括为沭阳县主簿。至和元年正月，这
位二十四岁的青年人离开家乡前往沭阳县就职，从此开始了他近四十年的为
官生涯。
在宋代，主簿这个职务低微而劳苦。在给朋友的一封信中，沈括谈到：
官职中最低微而辛苦的，就是主簿了。沭阳县方圆几百里，即使没有人而只
有鸟兽的地方，主簿也要履行自己的职责。……整天忙忙碌碌，就连天气冷
暖、刮风下雨都顾不得了。即使工作这样繁忙，沈括依然尽心尽职地完成自
己的工作。
这时，流经沭阳县的沭水由于年久失修、河道淤塞，以至泛滥成灾，许
多田地颗粒无收，百姓生活困苦。而沭阳县令不但不兴修水利，对百姓进行
救济，反而侵吞上级的救济款，并以修复水利为名，横征暴敛、搜刮百姓。
自然灾害和贪官一起，使得民不聊生，最终爆发了百姓反抗官府的事件。事
件发生后，上司唯恐事态进一步扩大，就把县令调走，让沈括处理这件事。
沈括明白这一事件是因为治河不力，加上官府征敛过重而引起的，所以他便
平息民愤，撤销了那些令百姓难以生存的赋税。这样处理后，风波平息了下
去。
治理好沭水是事情的关键，于是沈括便组织民众整治沭水，数万民夫参
加了这次修浚沭水的工程。他们在沈括的指导下，迅速疏通了阻塞的河道，
拓宽了河床；同时做为辅助工程，修了一百余条灌溉水渠、九条堤堰。通过
这次大的整修，沭水附近地区做到了涝时能排洪，旱时能灌溉，使得七千顷
土地变成旱涝保收的上等良田。以后多年粮食丰收，使广大劳动人民的生活
得到了改观。
沭水修浚工程，使沈括的才能得到了上司的赏识。1055年，他被调任到
东海做代理县令。在任职期间，当地曾出土了一件古代的弩机。沈括对此进
行了研究，他针对弩机的设计，提出了三点一线的射击理论，即弩机的望山
（瞄准器）、箭端、目标三点连成一条直线，认为这样瞄准，可以提高射击
的精度。通过沈括对弩机的研究，我们可以知道沈括早在青年时代，就对兵
器制造理论有了一定的理解并且产生了兴趣。
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嘉祐六年 （1061年），沈括的哥哥沈披在宣州宁国（今安徽宁国）任县
令，沈括此时正好客居此地。当时，江南转运使张颙 （yóng）准备修复废弃
已久的秦家圩（今安徽芜湖地区），任命沈披主持修复。因沈括整治沭水成
功，也派沈括参与此事。他们广泛考察了周围的地势，调查了过去筑圩的情
况，把当地的地形地貌绘制成图，提出了施工方案。
秦家圩原是一片面积很大的圩田。这种圩田，是此地人民依据农业经验
而从大自然手中夺取的耕田。由于当地地势低洼而水位较高，劳动人民就在
低洼地区的四周环筑堤岸，把耕田保护在堤岸之中，这就是圩田。圩堤上设
置闸门，圩区内修筑沟渠直通闸门，做到了涝能排、旱能灌。北宋初年，一
场特大洪水冲毁了秦家圩的全部圩堤，圩田一片汪洋。洪水退后，虽多次有
人提议修复，但都因遭到反对而作罢。反对的理由是，在水边筑堤护田会使
江河水道不够通畅，天长日久就将再度成灾。
沈披、沈括提出修复秦家圩的消息一传开，人们有的赞成、有的反对。
反对者提出：圩田面积广大，会严重影响洪水排泄，每至汛期，必然引起水
灾；还有，圩的东南堤岸连接大湖，长年被风浪冲击，难以坚固等等理由。
沈括以科学的理论和调查得来的第一手资料为依据，对反对说法进行了驳
斥，并针对具体问题制定出了切实可行的办法，如在堤上种树、堤下植芦苇，
即可巩固堤岸。由于他的主张有理有序，反对者无言可对。沈括、沈披的建
议最终得以付诸实施。
秦家圩修复工程浩大，调动了附近八个县一万四千民夫，用了八十多年
正式竣工。新修复的秦家圩规模壮观：圩堤宽20米，高4米，长40公里，
圩田面积近八千公顷；在圩堤上，栽植了数万棵桑树。修复后的秦家圩被宋
仁宗赐名为“万春圩”。由于有高大围堤的保护，能防洪又可蓄水灌溉，使
得八千公顷的荒废土地变成上等良田，每年收粮达二十四万斛。万春圩的修
复成功，证明了沈括弟兄科学倡议的正确性，使沈括的科学才能再一次展现
出来。
万春圩工程完成后，沈括被调到陈州宛丘担任过一段时间的县令。这段
时间内，沈括练习了气功，把自己肺脏、脾脏多年的慢性病治愈了。到这时，
沈括入仕快十年了，官职始终不过县令一级，而且在宋朝凭父荫循常例递升
官阶，也不是正经出身。到嘉祐七年（1062年）秋，三十二岁的沈括参加了
科举考试，考中进士。从这以后，他的政治生活进入了重要时期。
第二年，沈括被朝廷派至扬州做司理参军，由于他才学出众，颇得上司
张刍的赏识。经张刍的举荐，在治平三年（1066年），他来到京城，入昭文
馆编校书籍。由于他平时公务不多，昭文馆又有大量藏书，所以沈括利用时
间和职务之便，阅读了大量馆藏书籍，尤其深入钻研了天文学。年轻的英宗
皇帝也曾向他询问过一些天文方面的问题，他作了很好的回答，得到了皇帝
的嘉奖。这时，昭文馆的一位官长对他的才学还有些怀疑，便又提出一些问
题要他回答。
他问沈括：“天上有二十八宿星座，但间距不等，多的相距三十余度，
少的只有一度，这是什么道理？”
沈括回答道：“天空中星辰分布本无所谓‘度’，只不过是研究天文历
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法的人为了计算方便，以太阳的运行轨道黄道为规，把天空分为365 度。
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二十八宿星在天空中的分布原本不均匀，自然就谈不上相距间度的均匀了。”
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官长一听，觉得很有道理，又问“日和月的形状是像弹丸（球体）呢，
还是像圆扇 （平面圆形）？”
“像弹丸。”沈括脱口而答。
“何以证明？”
“这可以用月亮的盈亏来加以验证。”沈括边回答，边从书桌上举起一
个弹丸来作比，“月亮本身是不会发光的，而是靠日光的照射才反射出光来
的。每当月亮初升，日光照到它的侧面，所以新月如钩；月中时，日光照到
它的正面，故而满月如轮。就好比我于中的这颗弹丸半边涂上白粉后，您从
侧面看它，有粉的地方像钩形；而从正面看去，就是圆形了。这与月相盈亏
的道理是相同的。”
这个形象的比喻使得官长不住点头。随后，他又问：“日月运行，每月
都有朔和望，为什么却不都能发生日月食？”
沈括对朔和望当然是非常清楚的。他知道，阴历每月初一，月亮运行到
太阳和地球之间，这时月亮和太阳同时出没，在地球上看不到月亮，这就叫
朔。初一这天也称朔日。阴历十六日左右，地球运行到月亮与太阳之间，这
天太阳从西边下落时，月亮正好从东方升起，这时在地球上看到的月亮就是
圆的，这就叫望。这天就称望日。官长的意思很明白：即然在朔望期间日月
总是几乎和地球成一条直线，那为什么并未都发生日月食呢？沈括对这个问
题早就研究过，因此马上作了回答：
“当太阳射到地球上的光线被月亮挡住时日食便发生了，所以日食一定
发生在朔日。当地球挡住了日光，月亮这时走入了地球的影子中，便发生了
月食，所以月食就一定发生在望日。但是太阳轨道黄道与月亮轨道白道并不
重合，它们之间有一个夹角。所以，只有在黄道、白道交点的附近，日月和
地球真正处在同一直线上，才有可能发生日月食。”
官长听得愈发明白。接着，沈括又详尽描述了日月食出现的方位，井指
出黄道与白道的交点每月向西后退一度多，经过十八年零六个月，交点退行
一周。
沈括对于这几个天文学问题的解释，与现代天文学理论与实际大体相
符。黄白交点退行时间的计算，更是与现代数值极为近似。在九百多年前，
没有先进的天文观测仪器的情况下，得到这样的答案是很了不起的成就。
正因为沈括具有相当精深的天文学知识，到了熙宁五年（1072年），宋
神宗任命他为提举司天监，就是国家天文台的台长。司天监掌管天文历法，
其主要任务是观测天象、推算历法。显然，这是一个业务性很强的部门，没
有学有专长的内行是不行的。然而沈括到任后，发现监内官员大多不学无术，
没有真正懂得天文的人才，观测仪器也很匮乏。他们得到的一些数据，多半
是凭主观臆断或脱离实测的纸上推算得来的，缺乏科学性又脱离实际，对农
业生产也起不到应有的作用。
为了改变这种状况，沈括从两方面同时进行全面整顿。首先，他打破官
阶资历和门阀等级，排除阻挠，推荐平民历算学家卫朴入司天监。卫朴本是
一个双目失明的算卜者，但他擅长心算与筹算，记忆力非凡，对天文历法也
有很深的研究。沈括让他担任业务骨干，主持历法的修改。同时，他还罢免
了六个不称职的官员，调入一批懂业务的新人进行培训，学成后分配在监内
工作。
另一方面，沈括破除了北宋传统的以推算为主要手段的修历方法，坚持
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深入实际，通过实测进行参验的方法来制定新历。要进行实测，必须有准确
的观测仪器，而司天监的旧仪器都已无法使用，因此沈括对旧仪器进行了改
造。首先，他改造了浑仪�
