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沈括：中国古代科学史上的坐标

沈括（1031—1095），字存中，浙江钱塘（今杭州）人，北宋时

卓越的科学家和政治家。

沈括自幼勤奋好学，14岁就读完了家中的藏书。其父沈周曾在

现今的镇江、泉州、简阳、开封等地为官，少年时代的沈括随其父走

南闯北，增长了许多见识。1063年，沈括考中进士，不久升为太史

令。熙宁年间积极参与王安石变法运动，受到王安石的信任和器重。

1072年兼任提举司天监，次年做集贤院校理。1082年，西夏攻永乐

（今陕西米脂县西）、绥德（今陕西绥德）二城，沈括奉命力保绥德，

因永乐失守，连累坐贬，调为均州团练副使，实际上被软禁。1085

年，哲宗即位大赦，恢复自由。1088年，退居润州（今江苏镇江），

筑梦溪园，汇集平生见闻，撰写成《梦溪笔谈》这部百科全书式的科

学著作。

沈括学识渊博，成就卓著，一生在天文、地学、数学、物理、化

学、生物、医药以及水利、军事等许多领域都有精湛的研究和独到的

见解。

沈括是一个杰出的天文学家。他研究并改革了浑仪、浮漏和影表

等旧式的天文观测仪器，还制造了测日影的圭表，改进了测影方法。

沈括积极革新历法，他和卫朴主持修订的奉元历在熙宁八年（1075

年）颁行，晚年沈括又进一步提出了用“十二气历”代替原来历法的主

张。沈括所设计的“十二气历”是比较科学的，它既符合天体运行的实

际，也有利于农业活动的安排。现在世界各国采用的公历，也就是阳

历，其实在分月上还不如沈括的“十二气历”合理。

沈括对物理学研究的成果是极其丰富而珍贵的，其见解和成果涉

及力学、光学、磁学、声学等各个领域。特别是他对磁学的研究成就

卓著，在世界上第一次明确地谈到磁针的偏角问题，指出磁针所指“常

微偏东，不全南也”。西方的这一发现要比沈括的发现晚400年。在

光学方面，沈括通过亲自观察实验，对小孔成像、凹面镜成像、凹凸

镜的放大和缩小作用等作了通俗生动的论述。他对我国古代传下来的

所谓“透光镜”（一种在背面能看到正面图案花纹的铜镜）的透光原因

也做了一些比较科学的解释，推动了后来对“透光镜”的研究。此外。

沈括还剪纸人在琴上做过实验，研究声学上的共振现象。

在化学方面，沈括也取得了一定的成就。他在出任延州时候曾经

考察研究漉延境内的石油矿藏和用途。他利用石油不容易完全燃烧而

生成炭黑的特点，首先创造了用石油炭黑代替松木炭黑制造烟墨的工

艺。他已经注意到石油资源丰富，“生于地中无穷”，还预料到“此物

后必大行于世”。另外，“石油”这个名称也是沈括首先使用的，他还

讲到了金属转化的实例，如用硫酸铜溶液把铁变成铜的物理现象。

沈括在数学方面也有精湛的研究。他从实际计算需要出发，创立

了“隙积术”和“会圆术”。沈括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，这

就是“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

的长度求弧长的比较简单实用的近似公式，这就是“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作出了重要贡献。

沈括在地学方面也有许多卓越的论断。他正确论述了华北平原、

雁荡山诸峰的成因和黄土地区的地貌特点。他还观察研究了从地下发

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，并且根据化石推论了古代的自

然环境。熙宁九年（1076年），沈括奉旨编绘《天下州县图》，经过

近20年的坚持不懈的努力，完成了我国制图史上的一部巨作《守令

图》，并创造了分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直等制图

方法，为我国古代地图学作出了重要贡献。

沈括还是一个水利专家。青年时期任沭阳县主簿和宁国县令的时

候，他就主持了治理沭水的工程，修筑了规模宏大的坚固的万春圩，

开垦出良田几千顷，解除了当地人民的水灾。熙宁五年（1072年），

沈括主持了汴河的水利建设。为了治理汴河，沈括亲自测量了汴河下

游从开封到泗州淮河岸共840多里河段的地势。他采用“分层筑堰法”，

测得开封和泗州之间地势实际相差高度。这种地形测量法，在世界水

利史上是一个创举。

沈括