值得研究：重大发现——江南沈氏祖庭吴兴堂名人、中国地理信息第一人沈括（1031—1095

沈牒承

值得研究：重大发现——江南沈氏祖庭吴兴堂名人、中国地理信息第一人沈括（1031—1095），字存中，号梦溪丈人，祖籍德清武康，中国地理信息第一人、北宋政治家、科学家。

自幼好学，钻研学术，嘉祜进士，神宗时积极推进支持王安石变法，是一位进步的政治家。官至翰林学士。他博学善文，一生致力于科学研究，用功极勤。在天文、地理、数学、历法、地质、生物、化学、医药等方面都造诣很深，颇有贡献，成为当时世界上少有的一流科学家。

沈括曾出使辽国，踏遍山川陵谷，为记录当地地形，他参考资料，核查事实，去伪存真，并结合亲身经历，他用木屑、面糊和熔蜡制成立体地图模型，后又命人制成木刻模型，历时12年终于完成当时最准确的全国地图——《天下州县图》，又称守令图，献于宋神宗。因其制作的模型形象直观、真实感强而备受宋神宗和大臣们的赞赏。这是我国地图制图史上有记载的立体地图模型创始之作。

他晚年在梦溪园所著的《梦溪笔谈》是一部很有价值的科学著作，其中自然科学方面的成就就达到了当时世界上的先进水平。

主要成就

1.数学隙积术

隙积术指如何计算垛积，沈括运用类比、归纳的方法，以体积公式为基础，把求解不连续个体的累积数，化为连续整体数值来求解，已具有了用连续模型解决离散问题的思想。在中国国数学史上，发展了自南北朝时期就停滞不前的等差级数求和问题，并推进到高阶等差级数求和的新阶段，开创了中国垛积术研究的先河。

2.会圆术

会圆术，实际上是指由弦求弧的方法，其主要思路是局部以直代曲，对圆的弧矢关系给出一个比较实用的近似公式。在中国数学史上，沈括第一个利用弦、矢求出了孤长的近似值。这一方法的创立，不仅促进了平面几何的发展，而且在天文计算中也起了重要的作用，为中国球面三角学的发展作出了重要贡献。

3.磁学

沈括记录了人工磁化的方法，并用人工磁化针来作试验，对指南针进行深入研究。沈括比较了指南针的四种装置方法：水浮法，碗沿法，指甲法和悬丝法，指出悬丝法最优，并做了相应的分析。

4.光学

沈括通过观察实验，对小孔成像、凹面镜成像等原理作了准确而生动的描述，他用“碍”（焦点）的概念，指出了光的直线传播、凹面镜成像的规律，并把光通过“碍”成像称之为格术，即现代光学中的等角空间变换关系。

5.声学

沈括通过对声学现象的观察，注意到音调的高低由振动频率决定，并记录下了声音的共鸣现象。他还用纸人来放大琴弦上的共振，形象的说明了应弦共振现象，这比诺布尔和皮戈特的琴弦上纸游码试验早了500年。

沈括还提出了“虚能纳声”的空穴效应，以此来解释兵土用皮革箭袋作枕头，可以听到数里外人马声的原因。此外，沈括还记录并深入分析了制钟的声学问题。

6.化学胆水炼铜

据沈括《梦溪笔谈》记载，信州铅山县有苦泉（硫酸铜溶液）、流而成涧。舀取泉水煎熬，就能得到胆矾（硫酸铜），熬制胆矾就能生成铜，熬胆矾的铁锅，日子久了也会变成铜。沈括的这段记录，即湿法炼铜，利用化学置换反应的方式提炼金属。

7.石油制墨

世界上最早记载有关石油的文字，见于东汉史学家班固所著的《汉书》。历史上，石油曾被称为石漆、膏油、肥、石脂、脂水、可燃水等，直到北宋，沈括才在世界上第一次提出了“石油”这一科学的命名。

据沈括记载，鄜州、延州境内产石油，当地人常采集到瓦罐里，用于照明。这种油形似纯漆，燃起来像烧麻杆，并冒着很浓的烟，能把帐篷都熏黑。沈括将其命名为石油，并以石油碳黑制墨，光泽、亮度方面都很理想，于是就大量制造，并命名为“延川石液”，苏轼用后评价“在松烟之上”。

8.天文改进仪器

浑仪是测量天体方位的仪器，经过历代的发展演变，到北宋时，结构十分复杂，使用起来很不方便。沈括对此作了很大改进：取消了浑仪上不能正确显示月球公转轨迹的月道环，放大了窥管口径，使其更便于观测极星，既方便了使用，又提高了观测精度。元世祖至元十三年（1276年），郭守敬创制的新式测天仪器——简仪，就是在这个基础上产生的。

9.天象观测

沈括对天象进行细致的观测，取得了一些新的发现与观测结果。例如，沈括用晷、漏观测发现了真太阳日有长有短。经现代科学测算，一年中真太阳日的极大值与极小值之差仅为51秒。

沈括还详细观察了五星运行轨迹和陨石坠落时的情景；并为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，得200余图，得出当时极星“离天极三度有余”的粗测结论。

10.改革历法

熙宁五年（1072年），沈括提举司天监，发现《大衍历》沿袭至宋已落后实际天象五十余刻，遂破格提拔卫朴改革旧历；熙宁八年（1075年），《奉元历》修成颁行。新历法改动了闰月和朔日的设置：熙宁十年冬至的临界时分原用午时，新历改用子时；闰十二月改为闰正月，以补算岁日朔日。

晚年时，沈括大胆革新，进一步提出了《十二气历》，以代替阴阳合历。按中国古代历法，阴历和阳历每年相差11天多，虽采用置闰的办法加以调整，仍有很多缺陷。沈括发明的新历，不用闰月；不以月亮的朔望定月，而参照节气定月；一年分为12个月，每年的第一天定为立春，这样既符合天体运行的实际，也有利于农业活动的安排。900 年后，英国气象局用于统计农业气候的 《萧伯纳历》，其原理也与《十二气历》相同。

11.地理地形学

沈括根据太行山岩石中的生物化石和沉积物，分析出华北平原过去曾是海滨，今已东距大海已千余里，而华北平原是由黄河、滹沱河、涿水、桑干河等冲积形成的。这是对华北平原成因（冲积平原）最早的科学解释。

沈括雕像，沈括根据峭拔险峻的雁荡诸峰顶部在同一平面上的现象，推断雁荡山是由流水侵蚀作用而形成：流水将疏松破碎的岩石、土壤等冲走，留下坚硬、固结而耸峭的山峰。这种“流水侵蚀作用”的看法是十分正确的，直到18世纪末，英国的赫顿在《地球理论》一书中才提出类似观点，比沈括晚了约700年。

沈括还详细记录了各地发现的化石、并根据化石来推究古代气候的变迁，解释虹的大气折射现象，科学地描述了龙卷风生成的原因、形态和破坏威力，用月亮的盈亏来论证日、月的形状及海潮与月球的关系等等。沈括对自然地理的研究，在许多方面都走在了当时世界的前列。

12.地图学

元祐二年（1087年），历经十二年不懈的努力，沈括完成了奉旨编绘的《天下州县图》，图幅之大，内容之详，前所罕见。全套地图共有二十幅，包括全国总图和各地区分图，比例为九十万分之一。在制图方法上，沈括提出分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直等九个方法，并按方域划分出“二十四至”，从而大大提高了地图的科学性。可惜南宋战乱频发，此图竟毁于战火之中，成为千古遗憾。

沈括还首创了用“飞鸟图”来绘制地图，以代替传统的循路步法制图。“飞鸟图” 也就是“取鸟飞之数”，用的是飞鸟直达的距离，类似航空拍摄，这使地图的精确度大为提高。

沈括视察河北边防的时候，还曾经把所考察的山川、道路和地形，在木板上制成立体地理模型，呈现给神宗。这是中国地图史上木质地形图的第一次明确记载，比瑞士十八世纪出现的地理模型图早七百年。

13.水利

至和元年（1054年），沈括任海州沭阳县主簿，主持治理沭水的工程，修筑渠堰，不仅解除了当地人民的水灾威胁，而且还开垦出良田七千顷，改变了沭阳的面貌。

嘉祐六年（1061年），沈披任安徽宁国县令时，沈括还参与修筑芜湖万春圩的工程，写出《圩田五说》、《万春圩图书》等关于圩田方面的著作。

熙宁五年（1072年），沈括主持汴河的疏浚工程。为了治理汴河，他亲自测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸八百四十多里河段的地势。用“分层筑堰测量法”测出了河南开封上善门至泗州淮口直线距离420公里之内，水平高差为63.3米。存世古文献中最早记录水平高程测量的方法、过程和结果的科学家。

14.医药

钱塘沈氏有收集药方的传统，受家学传统影响，沈括也注意搜集医方，并汇集成两本医药学著作《良方》和《灵苑方》（早佚），本着为病人负责的精神，沈括收方必“目睹其验”，并将实物与文献对证，对药物名称和功效进行考证，纠正其中的错误。

沈括在医药学上的贡献还表现在：《良方》中详细记述了秋石阴阳二炼法的程序要诀，有论者认为应属世界上最早的“提取留体性激素”的制备法；《梦溪忘怀录》中关于“药石井”的记述，被认为是最早的磁化、矿化水制备法；《梦溪笔谈》中还对一些矿物的药用价值进行了记录，如莽草、天竹黄等。

15.经济

沈括在三司共一年八个月，主要成就有两点：①改革盐钞法。熙宁年间，宋廷采取榷盐政策，对解盐实行官卖，为增加盐税收入，政府不断抬高盐价，各地民怨不断。熙宁九年十一月，沈括奉诏改革盐法，提出四点整改意见：限定印钞数量、统一池盐东西路价格、制钞权收归三司，各地方统一盐价。②改革铸铜法。神宗时，钱币铸造达到高峰，钱币的数量也大幅提高，但并不能解决北宋日益严重的钱荒问题。对此沈括提议：稳定盐钞价格，达到以钞代币的目的；增加货币种类，将金银纳入货币流通，可惜神宗并没接受。沈括还提出了“钱利于流”的货币理论。他认为，钱如果藏之不用就是死钱，要使钱增值就必须投放到流通领域。因此沈括主张加速货币流通，通过货币在流通过程中的增值来达到稳定币值的目的，这一发现比西方早很多年。沈括还注意到贸易来往中的顺差和逆差问题，主张根据边境地区的实际情况，通过调节贸易额来达到稳定货币的目的。

16.军事

熙宁七年（1074年），沈括在担任河北西路察访使和军器监长官期间，攻读兵书，精心研究城防、阵法、兵车、兵器、战略战术等军事问题，编成《修城法式条约》和《边州阵法》等军事著作，并把一些先进的科学技术成功地应用在军事科学上，为提高兵器和装备的质量做出了一定贡献。

《梦溪笔谈》中有近20个条目与军事有关，记述了沈括亲历的一些战事、古代名将的战例、古代的一些战争攻防手段与策略，如“赫连城”特点介绍、战棚的作用分析等，为后人提供了珍贵的军事研究资料。

17.艺术音乐

沈括是乐律行家，据《宋史‘艺文志》载，沈括还撰写过《乐论》、《乐器图》、《三乐谱》、《乐律》等著作，可惜巳佚。《梦溪笔谈》中与音乐相关的记述有40多条，研究并阐述了古代音乐的音阶理论；记述了沈括对唐宋燕乐的研究心得，如燕乐起源、燕乐二十八调、唐宋大曲的结构和演奏形式、唐宋字谱等；并考证了部分乐器的形制、用材、流布与演变。

18.书画

沈括在书画收藏与鉴赏方面也是行家。他撰写过《图画歌》，用歌诗的方式，对两晋至宋代50多位名画家的作品及风格进行品评，语言精练、视角独到，得到了著名书画家米芾等人的高度评价。

19.其他

一记录活字印刷术的发明。沈括详细记述了庆历年间布衣毕升发明活泥字印刷术的全过程及字印的下落，这种活泥字印刷术被誉为“沈存中法”。比德国人古腾堡发明金属活字印刷早四百多年。

二记录了能工巧匠喻皓的高超建筑技术，尤其是摘抄了其著作《木经》的部分内容，为中国建筑科技史留下了极为宝贵的史料。

三记述了治理黄河水患时，河工高超巧合龙门的三节压埽法等。