問題描述:
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分析:
北宋大科學家沈括
沈括傳
在中國的北宋，有壹位非常博學而卓越的科學家。他就是沈括，中國歷史上最傑出的科學家之壹。他精通天文、數學、物理、化學、生物、地理、農業和醫學；他還是壹位傑出的工程師、卓越的戰略家、外交家和政治家；同時他學識淵博，擅長寫作，精通別人的歷法、音樂、醫學、占蔔等等。晚年撰寫的《孟茜筆談》詳細記錄了勞動人民在科學技術方面的突出貢獻和自己的研究成果，反映了中國古代特別是北宋時期自然科學的輝煌成就。孟茜筆談不僅是中國古代的學術寶庫，而且在世界文化史上也占有重要地位。
沈括出生於浙江錢塘(今浙江杭州)壹個官僚家庭。其父沈周在泉州、開封、江寧等地做過地方官。母親許石是壹個受過良好教育的女人。沈括出生於宋仁宗天盛九年(公元1031)。他從小就努力學習。在母親的指導下，他十四歲在家讀完了書。後來跟隨父親到了福建泉州、江蘇潤州(今鎮江)、四川建州(今簡陽)、中國首都開封。他有機會接觸社會，了解當時人民的生活和生產，增長了見識，顯示了超人的聰明才智。二十四歲時，他開始了他的仕途。先任海州沭陽縣(今江蘇省)主簿，後任東海(今江蘇省)、寧國(今安徽省)、宛丘(今河南省淮陽縣)縣令。三十三歲考中，被任命為揚州都督參軍，主管刑事審判。三年後，他被推薦到史靜的趙文音樂廳編輯和校對書籍。在這裏他開始研究天文歷法。宋神宗熙寧五年(公元1072)，兼任天象監，負責觀測天象和推算歷書。接著，沈括擔任史館檢討，熙寧六年(公元1073年)出任集賢書院總管。由於職務上的便利，他有機會閱讀更多的皇家書籍，豐富自己的知識。1075年被派往遼國進行邊界談判，次年任翰林學士，被任命為第三司使。
宋神宗熙寧二年(公元1069年)，地主階級改良派代表人物王安石被任命為宰相，開始了大規模的變法運動。沈括積極參與變法運動，受到王安石的信任和重視。他擔任過掌管國家財政的最高官員、三個秘書和許多其他重要職位。熙寧九年(公元1076年)，王安石變法失敗。沈括被誣貶為官，改稱宣州(今安徽宣城)。三年後，為抗西夏，改兗州(今陜西延安)並兼使延路(鹿+右耳刀)。因鎮守邊疆有功，元豐五年(公元1082)升為龍圖閣學士。然而，他很快就被誣陷，並被貶為周俊(今湖北浚縣)的應永副大使。哲宗元二年(公元1087年)，沈括花了12年時間編制了《天下郡縣圖》，特許在汴京親自呈上。次年，定居潤州(今江蘇鎮江東郊)孟茜公園，安度晚年。
晚年，沈括認真總結了自己在孟茜公園的生活經歷和科學活動，寫出了《孟茜筆談》、《忘誌》等著名的科學巨著。宋喆死於宗紹聖二年(公元1095)。他壹生著述數十部，但流傳至今的只有《長興集》和《方劑學》等幾部綜合性文集。《孟茜筆談》是中國科學史的坐標，是沈括壹生社會科學活動的總結。其內容極其豐富，包括天文、歷法、數學、物理、化學、生物、地理、地質、醫學、文學、歷史、考古、音樂、藝術等600余篇，其中200篇屬於科學技術類，記錄了他的許多發明、發現和見解。
沈括的治水
沈括十分重視發展農業生產和興修水利。早在青年時代，他任沭陽縣主計官時，就主持治水工程，組織數萬民工，修築渠堰，不僅解除了當地百姓的洪水威脅，還開墾了7000公頃良田，改變了沭陽的面貌。那時候，他才24歲。任寧國縣令時，積極倡導並主持在安徽蕪湖修建規模宏大、堅固的萬春圩，開辟了1270公頃能泄能灌的良田，確保旱澇豐收。同時，他還著有《圩田五書》、《萬春偉書》等圩田著作。
熙寧五年(公元1072年)，沈括主持汴河水利建設。為了治理汴河，沈括親自測量了汴河下遊從開封到泗州淮河岸邊840裏的地形。他采用“分層築堰”的方法，測算出開封與泗州的地形高度差分別為19尺、4尺、8寸、6分。在這種地形測量方法中，將汴河分成許多段，層層壘成階梯狀的堤堰，將水灌入其中，然後逐段測量各段的水面，累計各段之差，求和即為開封與泗州之間的“地勢高低之實”。這是世界水利史上的創舉。短短四五年間，引水淤地壹萬七千多公頃，成績顯著。在計算地形高度時，其單位精確到了壹寸，可見沈括的學術態度極其認真。
傑出的天文學家
沈括也是壹位傑出的天文學家。熙寧五年(公元1072)，在沈括主管汴河建設時，沈括還主管領天監司。他在任期間，先後罷免了6名沒有文化的舊歷法官員，不分出身，破例推薦了精通天文歷法計算、出身平民的準南方人魏普進入天師監司，主持修訂新歷法的重要工作。沈括和魏普之態度嚴肅，對舊歷官依靠演算的歷法修訂方法十分不滿。他們主張從觀測天象入手，把測得的結果作為修訂歷法的依據。因此，沈括首先對渾儀、浮漏、影表等舊的天文觀測儀器進行了研究和改造。
渾儀是測量天體方位的儀器。經過歷代的發展演變，到了宋代，渾儀的結構已經變得非常復雜，三圈，盤根錯節，使用不便。為此，沈括對渾天儀進行了多次改革。壹方面，他取消了小白環，簡化了儀器和分工，然後用數學工具把它們之間的關系聯系起來(“省了月亮環，月亮和月亮的區別只是基於歷法的壹步”)；另壹方面，建議改變壹些環的位置，使它們不阻擋觀察視線。沈括的這些改革措施為樂器的發展開辟了壹條新的道路。後來在至元十三年(公元1276)，元朝的郭守敬創造了壹種新的天文儀器——簡儀，就是在此基礎上產生的。
漏壺是古代測量時間的儀器。它是由幾個盛水的容器以臺階的形式組成，每個容器的下側都有孔，依次從下壹個容器滴漏。底部容器沒有洞，裏面有刻著時間刻度的“箭頭”。隨著滴水水位的上升，“箭頭”慢慢浮起，從露出的刻度上可以讀出時間。沈括也改革了破釜酒吧。他把曲桶的銅漏管改成了直頸玉嘴，移到了壺身的下部。這樣流水更流暢，壺嘴也結實很多，更耐用。
此外，沈括還制定了測量太陽陰影的標準，改進了測量陰影的方法。
沈括在《論渾儀》、《論浮漏》、《論風景》三篇論文中介紹了自己的研究成果，詳細闡述了儀器改造的原理，闡述了自己的天文觀點，在我國天文學史上具有重要的地位。
沈括和魏普的壹系列創新活動受到保守勢力的攻擊和誣陷。在沈括和魏普的堅決鬥爭下，魏普主持修訂的《豐源歷》終於在熙寧八年(公元1075年)完成並頒布。但由於保守勢力的阻撓和破壞，相對先進的豐源歷只實行了18年就被廢除了。但沈括並沒有因此而灰心，在晚年進壹步提出了用“十二齊歷”代替原始歷法的主張。我國最初的歷法都是以陰陽合璧為基礎的，但“十二氣歷”是純陽歷。以十二氣為壹年，分為四季，每個季節又分為孟、中、吉三個月，月份根據節氣確定。立春之日算1月1日，驚蟄之日算2月1日，以此類推。大月亮三十壹天，小月亮三十天。大月亮和小月亮交替出現。即使有“兩個小月亮合二為壹”的情況，也只是壹年壹次。有“兩小相”，壹年有365天；不，壹年366天。這樣壹年中的日子都很整齊，不需要設立閏月，四季都是固定日期。至於月亮的盈虧，與寒氣來來去去的季節無關，只要妳在歷書上註明“新月”和“希望”就可以了。沈括設計的這種歷法比較科學，既符合天體實際，又有利於農業活動的安排。他預見到自己的想法會受到頑固的守舊派的攻擊和責罵，他竭力阻撓，但他堅信“不同的時代會對說話的人有用。”果然，近800年後，偉大的農民革命政權——太平天國頒布的歷法基本原理與沈括的《十二齊歷》完全壹致。世界各國采用的公歷，也就是陽歷，在月份上其實不如沈括的“十二年歷”合理。
物理學家+化學家+數學家
沈括在物理研究方面的成就也是極其豐富和珍貴的。《孟茜筆談》中記載的見解和成就涉及力學、光學、磁學、聲學等領域。特別是他在磁學研究方面取得了突出的成就。沈括在《孟茜筆談》中首次明確談到磁針的偏轉角。在光學方面，沈括通過親身觀察實驗，對針孔成像、凹面鏡成像、凹凸鏡的放大縮小功能等做了通俗生動的闡述。他還對中國古代流傳下來的所謂“透光鏡”(壹種能看到背面正面圖案的銅鏡)的透光原因做了壹些科學解釋，促進了後來對“透光鏡”的研究。此外，沈括還在鋼琴上做實驗，研究聲學振動現象。
在化學方面，沈括也取得了壹些成績。任兗州時，曾考察研究魯彥的石油儲量和用途。利用油不容易完全燃燒產生炭黑的特點，他首創了用石油炭黑代替松木炭黑制作香煙油墨的工藝。他已經註意到石油資源豐富，“生於無窮”，預言“這東西絕不會用在世界上”，這在今天得到了驗證。另外,“石油”這個名稱最早是在《神括》中使用的，比以前的石漆、石脂水、猛火油、煤油、石腦油、石燭等名稱要貼切得多。在孟茜碧潭“太陰玄晶”(石膏晶體)的記載中，沈括從形態、潮解、解理、加熱脫水等方面區分了幾種晶體，指出它們雖然同名，但不是壹個東西。他還講了金屬轉化的例子，比如用硫酸銅溶液把鐵變成銅的物理現象。他描述的這些鑒別物質的手段，說明當時人們對物質的研究已經突破了簡單的表面現象的觀察，開始探索物質的內部結構。
沈括在數學方面也有出色的研究。從實際計算需要出發，他創立了“間隙積技術”和“收斂技術”。沈括提出了壹種通過研究有缺口的酒壇和棋子的體積來求酒壇和棋子的總堆數的正確方法，即“缺口積法”，即二階等差數列求和法。沈括的研究發展了《九章算術》以來的等差數列問題，開辟了我國古代數學史中高階等差數列的研究方向。此外，沈括還從場的計算出發，研究了圓弓中圓弧、弦和向量之間的關系，提出了我國數學史上第壹個比較簡單實用的由弦和向量的長度計算弧長的近似公式，稱為“會圓之術”。這種方法的建立不僅促進了平面幾何的發展，而且在天文計算中發揮了重要作用，為我國球學的發展做出了重要貢獻。
地理學家+醫學家
沈括在地學方面也有許多傑出的結論，反映了中國的地學達到了當時的先進水平。他正確地論述了華北平原形成的原因:根據河北省太行山峭壁間蝸牛殼和橢圓形礫石的帶狀分布，推斷這壹帶在古代是海濱，華北平原是由黃河、漳水、滹沱河、桑幹河等河流攜帶泥沙沈積而成。他在浙東考察時，觀察了雁蕩山山峰的地貌特征，分析了其成因，明確指出這是水蝕的結果。他還結合中國西北黃土地區的地貌特征作了類似的解釋。他還觀察研究了類似的竹筍和從地下挖掘出的桃核、蘆根、松樹、魚、蟹等各種化石，明確指出它們是古代動植物的遺跡，並根據化石推斷出古代的自然環境。這些都顯示了沈括可貴的唯物主義。在歐洲，直到文藝復興時期，意大利人達芬奇才開始討論化石的性質，比沈括晚了400多年。沈括視察河北省邊境時，曾在木板上做了他所視察的山川、道路、地形的立體地理模型。這種做法很快被推廣到邊境各州。熙寧九年(公元1076年)，沈括奉命編制《天下州縣圖》。他查閱了大量的檔案和書籍，經過近20年的不懈努力，終於完成了我國地圖學史上的巨著《壽陵圖》。這是壹套大型地圖集，有20幅圖，其中有壹幅大圖，高壹尺，寬二尺；小圖；每路十八圖(按當時的行政區劃，全國分為十八路)。地圖的規模和內容的詳細程度都是以前少有的。在畫法上，沈括提出了分率、準視、互融、旁檢、競、方斜、直蹬等九法，與西晉裴秀著名的畫法六體大體壹致。他還將所有方向細分為二十四個方向，進壹步提高了地圖的精度，為我國古代地圖學做出了重要貢獻。
沈括還精通醫學和生物學。他從小就對醫學感興趣，並致力於醫學研究，收集了許多藥方，治愈了許多危重病人。同時，他的藥用植物學知識也很廣博，實際上能套出、辨別真偽、糾正古籍中的錯誤。他曾提出“五難”新說；沈括的醫學著作有《方劑學》等。現存的《蘇神梁芳》是後人將蘇軾的《醫雜論》附入《良方》而成。
唯物主義者。
沈括有樸素的唯物主義思想和發展變化的觀點。他認為“天地之變，寒暑之暴，洪水之旱，飛蛾之蝗，皆有規律”，並指出“順陽逆陰之理，自有淵源，順乎自然，不期而至。”也就是說，自然界事物的變化是有規律的，這些規律是客觀存在的，不以人的意誌為轉移，這些規律也是客觀存在的，不以人的意誌為轉移。他還認為，事物的規律有正常變化和異常變化，我們不能拘泥於固定的規則。正是這些正確的思想和觀點，促使他取得了當時科學技術的高度成就。沈括曾提出已知知識有限，人類知識無限的觀點，對科學的發展影響很大。
唯物主義的思想傾向還表現在沈括非常重視勞動人民的實踐經驗和發明創造，不斷從當時的勞動人民中汲取智慧和力量。他曾說:“至於技術裝備，大小，黑色，黃色，淡紅色，能都是聖人出的麽！工作多的人，壹群師，地裏的人，都是不可預測的。”為了探求醫學知識，他“所到之處，無論是大夫、巷人、小人，甚至是士大夫之家、山中隱士，都要求見。”在《孟茜筆談》中，他記錄了宋代勞動人民在科學技術方面的許多傑出貢獻，令人欽佩。比如布衣比發明的活字印刷術(最後壹天+第二天)，民間工匠於浩和木工的建築成就，何工高朝創造的先進的關龍堵口法，平民天文學家魏普李秀的事跡，河北煉鋼、福建種茶等許多無名英雄在生產鬥爭中獲得的寶貴經驗，等等。正是由於沈括的詳細記述，許多做出貢獻的勞動人民的成果才得以保存和流傳下來。
唯物主義的思想傾向決定了沈括對自然現象和科技成果的描述是科學的。他對事物的觀察和描述非常細致、具體、準確，沒有封建時代壹般文人誇大其詞的壞習慣。所以通過他的記述，我們可以清楚地判斷出他當時達到的生產技術和自然科學水平。比如沈拓對雷電、海市蜃樓、龍卷風、地震、隕石等自然現象的記錄就非常詳細、貼切、生動，讓人仿佛身臨其境。
沈括能夠用發展變化的觀點研究客觀事物，得出正確的結論。他在討論許多關於數學、氣象、醫學等問題時，反復強調要因地制宜、因時制宜。比如古代二八月是采藥的季節，但沈括指出，藥材的生長受自然條件和栽培條件的影響，同時對采藥也有不同的要求，如取根、取葉、取芽、取花、取果等。所以要根據不同情況選擇采藥時間，不能硬性“定月”。沈括的觀點很有道理。
沈括並不只是觀察壹些表面上的自然現象。他還試圖探索其科學真理，提出了對事物發展變化規律的解釋。對雁蕩山和華北平原山峰的形成原因、二十八宿的位置、化石的形成等許多問題的解釋，都是符合現代科學原理的。為了弄清楊愛(凹面鏡)成像的真相，他觀察了空中飛鳥的影子，親自動手比較成像的差異，最終做出了較為正確的解釋。這些是他在科學上成功的重要原因。
精通禮貌用語和武術
文武雙全的沈括不僅在科學上取得了輝煌的成就，而且為保衛北宋疆域做出了重要貢獻。北宋時期，階級矛盾和民族矛盾非常尖銳。遼國和西夏的貴族統治者經常入侵中原，掠奪人口和牲畜，給社會經濟帶來了極大的破壞。沈括堅定地站在主戰派壹邊。宰熙(公元1074)寧七年間，任河北西路巡撫、軍器總督察。他研究兵法，認真研究城防、陣法、人員車、武器、戰略戰術等軍事問題，編著了《法蘭西修城條約》、《邊疆州陣法》等軍事著作，成功地將壹些先進的科學技術運用到軍事科學中。同時，沈括對弩甲、刀、槍等武器的制造也有深入的研究，為提高武器裝備的質量做出了壹定的貢獻。