沈括

公元十一世纪的宋王朝虽然国势贫弱，但是文化成就却极其光辉灿烂，无论文学、艺术，还是科学技术都有突破性的意义重大的成果产生，沈括就是这个文化高度发展时期杰出的、有代表性的科学家。

一、一心求知的少年　

 沈括，字存中，宋仁宗天圣九年（公元一○三一年）出生在钱塘（今杭州市）西七十里风景秀丽的南新乡。他的家境并不太富裕，父亲沈周虽出身进士，但一直辗转简州平泉县、润州、泉州、明州、江宁等地任一般官职。他的青少年时代就是在随着父亲迁徙各地中度过的，其间在繁华的泉州居八年之久。

沈括的父亲是位比较讲究实际、同情下层的开明官吏，给沈括思想的形成带来许多积极的影响。沈括的母亲也是个知识妇女，很有文学修养。她悉心培养沈披、沈括两个儿子，使他们受到良好的启蒙教育。良好的家庭教育和广泛的社会接触使沈括对历史、书法、医药以及社会问题等各方面知识都有浓厚的兴趣。这个怀着强烈的求知欲的少年无论走到哪里，对所见所闻都十分留心，他后来成为一个博学多识、文武全才的科学家，是在这时就打下了基础。

沈周任泉州知州时，与告老还乡的阁门祇候（官职名，皇帝的侍从官）陈文琏时相过从。那年沈括十岁，在陈家看到“本末甚详”的李顺案件资料，饶有兴趣，一气读完，留下深刻的印象。晚年著《梦溪笔谈》时，就是根据这时所见的可靠材料，将王小波、李顾起义的经过、规模、口号，以及起义军的纪律及影响都做了客观记载，保存了这次农民起义的珍贵史料。

庆历三年（公元一○四三年），沈周迁升开封府判官，十三岁的沈括也随父告别泉州，北进京师。道经南安（今福建南安）时，看见韩奕先人韩偓的手写诗集，笔锋刚劲有力，沈括喜爱得着了迷。更有趣的是他在金陵时，看见一位饔（音拥y#ng）人（官名，掌割烹煎和之事）用一块方石压肉，沈括发现石上有刻字，立即取出用水洗净，一看是海陵王的墓铭，是谢眺（南齐人，善草隶，长五言诗）撰文和书写的，笔法酷似三国时著名的书法家钟繇。沈括如获至宝，走到哪里，就带到哪里，珍藏了十余年。后来被文思副使夏元昭借去，假托落水，竟不归还，使沈括失去了这件心爱之物。从这两件事可以看出，少年沈括就对书法十分爱好，并颇有见识。

沈括在学习上有一种锲而不舍的精神。庆历八年（公元一○四八年），他因练习写小字，不分昼夜，在昏暗的灯光下也练，结果得了眼病。医生王琪给他治疗，他又对医道产生了兴趣，留心学习，从此又和医学结下了不解之缘。

二、最初的科学实践　

正当沈括如饥似渴地学习的时候，七十四岁的父亲于皇祐三年（公元一○五一年）十一月病故，沈括怀着十分沉痛的心情回钱塘故里守丧。三年服丧期满，二十四岁的沈括借父荫初登仕途，当了海州沭阳县（今江苏沭阳）主簿。

主簿，官小职卑，是个“微贱劳苦”的差事。满腔报国热情的沈括并不因此懈怠和敷衍，而是不辞劳苦，犯严寒、冒酷暑，“忽上忽下，忽南忽北”，在全县方圆几百里内奔走，克尽职责，做些有益于人民的事，最为突出的一件是整治沭水。沭水发源于山东沂山，汹涌的波涛裹带大量泥沙，滚滚而南，流向海州，然后横贯沭阳县境急转而东，注入大海。由于河道年久失修，泥沙淤塞，每逢汛期，洪水四溢，沭阳常常陷于一片泽国之中。沈括上任后，靠着他的才智和热情，调集数万民夫，对沭水进行卓有成效的修浚和疏导，修了一百条灌渠，九条堤堰，都做到涝时能排洪，旱时能灌溉，使七千多顷田地变成旱涝保收的上等良田，为这个地区农业生产的发展作出了可贵的贡献。

第二年（公元一○五五年），这个不甘碌碌无为的青年便升任东海（今江苏东海）县令。以后又调任宁国（今安徽宁国）县令和宛丘（今河南淮阳）县令，在这八年的地方官任上，他始终保持着蓬勃的朝气，勇于任事，大胆革新。当宁国县令时，他运用水利学知识，冲破重重阻力，修复万春圩田。此圩原称秦家圩，大约兴修于五代十国时期的南唐，后来被洪水冲毁，始终没有修复。嘉祐六年（公元一○六一年），沈括到任后，奉转运使张颗之今，到年久荒废的万春圩旧址进行全面考察，然后绘成地势图呈给转运使，并胸有成竹地建议修复。人们闻讯后，有的赞成，有的反对，反对的呼声还非常高。有的说，圩田面积二十里，会严重影响洪水排泄，每至汛期，必然引起水灾；还有的说，圩的东南堤岸连接大湖，长年被风浪冲击，难以坚固不毁；又有的说，有百余家穷苦百姓，在原来荒芜的废圩上采茭放牧为生，修复圩田，会使他们失去谋生之路等等。而沈括却以科学的理论和调查所得来的第一手资料为依据，对种种谬说逐条加以驳斥，对一些具体问题制定出切实可行的解决办法。由于他的主张建立在科学和事实的基础上，反对者无言以对了，沈括的建议终于付诸实施。

万春圩工程，是按照沈括的设计，由转运使亲自监工而修建的。因工程浩大，调动了八个县的人力，共一万四千名民夫，战斗了八十多天才竣工。新修的万春圩，规模十分壮观。据记载：圩堤宽六丈，高一丈二尺，长八十四里，圩田面积一千二百七十顷。圩的当中，修筑一条大路，长达二十余里，宽能并行两车。围堤的背面，栽植了一行行桑树，多达数万棵。

一千多顷的万春圩，由于有高大围堤的保护，能防止洪水的浸淹，同时又因有蓄水、泄洪的设备，使这千余顷的荒废土地变成旱涝保收的上等良田，保证了粮食连年增产增收，每年收粮达二十四万斛，其它如菇、蒲、桑、麻的收入，还可得到五十多万钱。

圩田成功了，实践证明了沈括科学倡议的正确性，他自然感到欣慰，特意作了一篇《万春圩图记》，不仅记述了万春圩的修建经过，以及圩田的面貌，还明示了他想以此为试点，进一步向襄、汉、青、徐等地区推广的理想。然而，天不作美，在万春圩修成后的第四年，发生一场特大水灾，使江南东路宣（今安徽宣城）、池（今安徽贵池）等州镇许多房舍、圩田被洪水淹没。于是，昔日的反对者又以此为借口，反对圩田的推广，使这一新事物，暂时被扼杀了。然而，新事物有极大的生命力，到了南宋，距沈括时代还不到半个世纪，圩田就作为一种优良的耕作制度，在江南大地普遍开花了。

三、深入实际的天文学研究　

仁宗嘉祐八年（公元一○六三年），三十三岁的沈括考中进士，被朝廷派至扬州做司理参军，由于他学识渊博，办事有创新精神，颇受转运使张篘的赏识。经转运使的举荐，沈括约于英宗治平三年（公元一○六六年）来到京城开封，先在昭文馆编校书籍，并参予详定浑天仪，他便利用这个机会，深入研究天文学。他特别重视实际观测，而这在天文学研究中是至关重要的，他因此取得了突出的成就，在几个天文学理论问题上他提出了卓越的独到之见。他根据月亮的盈亏现象推断出结论：日、月的形状像一颗弹丸。就是说，他提出了日、月是一个球体。他还对形成日、月食的基本原理进行了更充实、完善的阐述。特别是他提出交点退行的学说，推算出日、月轨道交点沿黄道向西移动的数据已经和今天的科学结论十分接近。在九百多年前这些成就是惊人的。由于他对天文、历法有浓厚兴趣，钻研颇有成绩，四十二岁，被任为提举司天监，就是司天监的长官。司天监，主要职掌观测天象、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。但是，正相反，司天监长期被一些对法象图器毫无所知的“市井庸贩”所把持，他们既无书本知识，又不做实际观测，因此，他们所得的一些数据，多半是凭主观臆断或纸上演算得来的，缺乏科学性又脱离实际，对农业生产也起不到应有的作用。

沈括一进司天监，就敏锐地发现问题的严重性，于是，他同时从两方面着手进行全面整顿，一方面进行人员调整，建立一支真正精通业务的专业队伍。先把六名不称职的官员调出，同时调进一批懂得业务的新人，新人进监后，先入业务培训班，学习内容分五科，经过一段训练和观察，根据他们的学识，分配相应工作。精通业务的沈括用人重真才实学，不以出身和资历作为选拔人才的标准。他知道平民卫朴是个杰出的历算学家，就推荐他入监修历，可是遭到了保守派官僚们的反对和排斥，但沈括不顾这些，坚决支持卫朴的工作，让他担任业务骨干，主持历法的改革工作。

另一方面，他破除传统的以推算为手段的修历方法，坚持深入实际，通过实测进行参验的方法来制定新历。要进行实测，必须有准确的观象仪器，因此，他按严谨的科学程序先对旧仪器进行检测，发现旧仪器都“疏谬不可用”，必须改制。于是他以大胆创新的精神对旧仪器进行了改造。改造工作也是按严格的科学程序进行的，先依据科学原理制定出改制方案。再试制出小的模型。一切经过实验，做到心中有数后，才正式开始制作。由于有精深的科学理论做指导，又采取慎密的实际步骤，使制作工作进展很顺利，仅费时一年，一套崭新的观象仪器──“浑仪”、“浮漏”、“影表”就制作成功了。沈括满怀喜悦，将它呈献给朝廷，神宗闻奏，也非常高兴，率领群臣，在迎阳门观看了这套新仪器。

浑仪，是天文学家观测天体方位的重要仪器。我国约于公元前四世纪就有浑仪了，不过比较简单，由两个圆环组成，一个是固定的赤道环，一个是四游环，也叫赤经环。由于天文学的发展和科学技术的进步，东汉中叶的傅安和贾逵在浑仪上增装了黄道坏，张衡又加上地平环和子午环，于是浑仪发展进入一个新时期。到了唐朝初年，李淳风把浑仪由两重改变为三重，就是在六合仪和四游仪之间再安装一重三辰仪。新装的三辰仪，由黄道、白道和赤道等三个相交的圆环构成。通过以上对浑仪发展史的极为简要的叙述，可看出，仪器发展的方向是环越来越多，结构越来越复杂。物极必反，由于环圈太多，相互交错，势必遮掩部分天区，减少观测范围，达不到观测效果。

富有实践经验的沈括，敏锐地发现了浑仪发展的不良趋势。为扭转这一倾向，经过反复研究，他发现月道环既不能环绕黄道，又掩蔽仪器中的窥管（即望筒），于是就取消了月道环，同时还改变了一些环的位置，使它们不挡住视线。沈括此举，不是简单的取消了一个月道环，而是使浑仪发展方向发生了可喜的转折，为仪器结构的简化闯出一条新路。元代的郭守敬，就踏着他的足迹，在取消月道环的基础上，又取消黄道环，大大开阔了观测者的视野，以保证观测效果。

此外，沈括对仪器的尺度、黄赤道、天常环、规环等以及“浮漏”、“影表”也都做了改进。

有了准确实用的观测仪器，实测就具备了条件，沈括便开始了修订历法的工作。在他之前，北宋各朝皇帝几乎都颁行过新历法，如《应天历》、《乾元历》、《仪天历》、《崇天历》、《明天历》等，这些历法虽然名目繁多，但因缺乏实测依据，仅凭唐代《大街历》推算而来，所以误差很大，常常不能应验。比如，按《崇天历》推算，熙宁元年（公元一○六八年）七月十五夜会发生一次月食，到那一天，人们准时出来观看，结果没那么回事。沈括所修的新历法完全不同，他和卫朴紧密配合，努力以实测数据为依据，于熙宁八年（公元一○七五年）闰四月，修成新历，称《奉元历》。

新历以365.24358500为一回归年（太阳接连两次通过春分点所需时间），同现在的365.2422日比较，虽有差异，但比宋朝已颁行的历法都更合乎实际。因此，新历受到人们的好评，就连神宗都赞美它比《崇天》、《明天》二历理想。但是，此历命运并不久长，行之十五年就被废弃了。其根本原因是由于守旧者的顽固反对，沈括注意实测的主张没有完全得到落实，使新历也没能完全建立在实测数据基础上。因此，《奉元历》到哲宗元祐五年（公元一○九○年）发生冬至落后一天的误差。尽管新历没有达到应有的水平，但沈括靠实测修历的原则却产生深远影响，元代郭守敬的《授时历》就是遵照沈括的修历原则修成的，使新历跃上一个高峰！

四、用科学知识为变法服务　

科学研究是服务于社会的，和社会实际紧密相关，科学家的思想是面向实际、勇于创新的，所以我国古代科学家往往都是社会变革的热心支持者和大胆实践者，沈括所生活的时代正是宋王朝日益腐朽、社会危机十分严重之时，政治腐败、经济凋弊、边防虚弱、内外交困，许多有识之士都把排忧解难、振兴国运的希望寄托在进行变革上，曾多年为基层小吏的沈括对此是有深刻认识的，他和当时激进的改革派人士王安石同朝任职，思想一致，早有交往，也极力主张进行政治、经济改革，富国强兵，解救社会危机，他提出发展生产和节省财用同时并重的主张，提出加强练兵，保证军晌，以实现兵精粮足，增强军事实力的主张，还提出广开贤路，招抚人才的主张。可是，当熙宁二年（公元一六○九年）王安石主持的变法轰轰烈烈开始的时候，沈括却在故乡为母亲守丧。第二年，服除回京。他毫不犹豫地投入变法工作。当时变法正方兴未艾，均输法、青苗法、农田水利法、保甲法相继推行，免役法、保马法、方田均税法等正在反复酝酿、讨论、制定之中。

沈括任太子中允、检正中书刑房公事之职，官位虽然不很高，却实权在握，“朝廷新政规划，巨细括莫不予”。可惜关于这方面的具体情形，缺乏史料记载，我们今天仅能从几个事例中看出他是如何运用自己的科学知识为推行变法、富国强兵服务的。首先是疏浚和测量汴渠。

整治汴渠是推行农田水利法的重要项目之一。北宋京师的供给，主要靠汴渠漕运，如果汴渠淤塞，京师的衣食之源就会受到严重威胁。而汴渠到了北宋时，问题已很严重，因为汴渠水引自黄河，黄河入汴时，倾泄大量泥沙，由于年久失修，河床增高，比如，京城东水门下至雍丘、襄邑一段，河底比堤外地面高出一丈二尺多。这样，河堤一旦溃决，非但漕运无法进行，而且堤下的千家万户都要淹没于汪洋之中。在如此严重的形势下，能否疏浚汴渠，化险为夷，是直接关系到新法推行成败的大问题。

就在此时，沈括受命治汴，说明朝廷以及变法派对他的信任。他也确实没有辜负朝廷的期望，认真地进行浚河和测量。特别是在测量方面，他做出了超越前人的成绩。他着重测量汴渠最关键地段，即从汴京上善门起，至泗州的淮口止，计八百四十里又一百三十步。为测量精确，不是仅靠人们常用的水平、望尺、干尺等仪器，而是采用分层筑堰进行测量的新方法，结果测量出细到分寸的高度。比如，汴河流至京城附近的地势，要比泗州高出十九丈四尺八寸六分。如此测量，所得的数字未必非常精确，但这种测量方法，即对地面高下分别进行测量，沈括是世界上第一个开拓者。

沈括采用新方法，花大气力，对汴渠进行了测量，目的是为整治汴水，导洛通汴。由于工程过于浩大，沈括主持时，汴洛运河没有修成。但他的测量之功却不可低估，为七年后范子渊率领民夫修成“清汴”运河，防止汴渠水患奠定了重要基础。

熙宁六年（公元一○七三年）六月，在王安石举荐下，沈括担任了相度两浙农田水利、差役诸使，负责实际推行新法。到任后，他不顾长途跋涉的劳顿，立即同转运使等地方长官协商兴修水利之事。同时，亲到苏、常、温、台、明等州，深入实际，调查研究，发现问题，解决问题。在常、润二州，看到川渎堙（音因，堵塞之意）废，便召募饥民兴修水利；在苏、秀二州，将松江由太湖至海一段河道，加以疏通开浚；在温、台、明等州，修建堤堰，捍卫东部临海的田地。这些水利工程所用经费，除民间自筹外，还动用了“农田水利法”筹集的“极（普杯，即池塘）湖遗利钱”。这说明工程规模很大，不是小修小补，无疑对两浙农业生产的发展带来良好的影响。这些都足见他运用科学知识为推行农田水利法做出了不小的贡献。

沈括两浙之行，达半年之久，于次年春夏之际返回京城。回京不久，契丹统治者不断在边境上挑衅，北方边事吃紧，为加强防御，朝廷命沈括为河北西路察访使，任务是视察和整顿边防，于是沈括又奔走在边防线上，把科学知识运用到军事防御上。他马不停蹄，到处视察，发现薄弱环节后，立即采取措施。他在边境上约半年时间，经朝廷批准，采取三十余项防务措施。这对防御契丹入侵，保障边境人民的生命和财产的安全有着积极作用。

沈括加强防御的重要措施是挖掘陂塘。当然，这个办法，不自沈括始。在同契丹接壤的河北平原上，过去曾修筑大面积塘泊，契丹入侵时，采用决塘水淹的办法，阻挡契丹军前进。这项措施，在某种程度上起到一些作用。但是，许多陂塘因年久失修，失去了防御价值。沈括就是利用原来修建的陂塘，加以重修和扩建。比如，保州（今河北保定）、顺安军（令高阳东）以西一带，原来就是一片人工修成的塘泊，绵延三十里。因长年废弃，已变成干涸的旷野，经过沈括亲手绘制施工地图，奏请朝廷批准，最后修复了这一工程，构成了三十里防线。再一个比较突出的事例就是徐村淀的修复。此淀原是深州（今河北深县）北部的门户，有很好的防御作用。干涸以后，深州城就直接暴露在契丹骑兵的铁蹄之下。经沈括建议，花两年时间，引来徐、鲍等河水，注入淀内，形成五十里水上防线。

除此，他还在边防的重要位置上修筑城防，在交通枢纽处架设浮桥，在许多前沿阵地安置营寨等等。总之，沈括这次北方之行，采取了许多措施，加强了北部边防。加强北部边防，是王安石变法达到“富国强兵”的目的的一个重要方面，对此，沈括是有功的。

沈括作为一名科学家，注意在变法中为加强国防研究军事学。由于沈括博学多知，又勇于任事，他倍受器重，北方之行尚未结束，朝廷又委派了他新的职务──兼制军器监。这是王安石变法为增强军事实力进行军事改革，加强兵器生产而设的新机构，沈括担任这一要职的时间虽不很长，不过约一年之久。但他在这段时间内，在应用中进行军事学研究取得了不小的成绩。

一是修订完善了《九军阵法》。古代作战多是步兵，讲究布阵，即是军队的部署形式，叫阵法。阵法与客观形势相符合，利于发挥战斗力，是军队取胜的重要因素。当时宋神宗讲求强兵之术，注重研究作战阵法，先让郭固等人议定了一个《九军阵法》，他们的办法就是九军共为一营阵，外围环绕一个驻队，这样就是十万军队集中在方圆十里的范围之内。神宗对这种阵法不很满意，就令沈括重新议定。沈括认为天下供十万人布阵的方圆十里之地，哪能没有山丘、溪涧、林木等任何障碍，这种阵法显然是不切实际的，就好象九个人包在一层皮里，一点不得施展，如何能发挥战斗力？因此，他提出新的《九军阵法》方案：九军各自为阵，前后左右分列，各占有利地形，而以驻队外向自绕，也可根据地形自成营阵。这样，作战时九军分合自如，秩序井然，分则各成营阵，合则可为一大阵，当中形成井字形，四条通路，九营军队“背背相承，面面相向，四头八尾，触处为首。”配合默契，运动灵活。神宗认为这种阵法明显比郭固的阵法优越，便下令颁行。这就是沈括编定的《边州阵法》这一军事著作的主要内容。

二是制造精良的兵车。武器是强兵的一个重要方面，军器监正是王安石为了制造精良武器的需要而设立的机构。熙宁八年（公元一○七五年），沈括奉命讨论兵车制度，兵车是我国古代一种重要的，颇有威慑力的武器。沈括查考了《周礼·考工记》和《诗·小戎篇》等古典文献，考定了兵车法式，军器监依式制造了新的兵车，挑选军士演习车战“五御法”，在八月间参加军事大检阅，得到神宗皇帝的嘉许。

三是研究战守防御技术。就在兼制军器监任上，沈括一面研究阵法、兵器，同时也研究修城筑垒的战守技术，编集成《修城法式条约》一书，全书共三卷，记载了当时城防用的敌楼、马面、团敌法式，申明条约和修城女墙法式等内容。现在这部书虽然已经不存了，但从他所著《梦溪笔谈》一书的记载里还可以看出一个梗概，说明他是一个有见地的、成熟的军事科学家。

沈括还对制造精良兵器的技术进行了科学研究。他亲身深入作坊，通过仔细观察研究了熟铁与钢的区别，将熟铁“锻之百余火，每锻称之，一艘一轻，至累锻而斤两不减，则纯钢也。”“此乃铁之精纯者，其色清明，磨莹之，则给黯然青且黑，与常铁迥异。”同时，沈括也掌握了冷锻和热锻两种不同的锻造方法，热锻用火，冷锻则不用火。锻造成的钢都是坚韧非常，制成甲，于五十步外用强弩射之，箭都不能入，偶尔射中甲片上用来缝缀的钻眼，箭头的铁竟能被钻眼边缘刮得反卷过来。掌握高超的制造技术，沈括的目的是提高武器的质量。当时，宋朝的兵器大多是由各地制造的，往往粗制滥造，质量低劣，甚至朽坏不堪，虽“武库之积以千万数，而无坚完轻利真可为武备者。”军器监成立仅一年多，在沈括等人的努力下，各种兵器不仅生产数量大大增加，而且质量也提高了，“戈矛弧矢、甲胄刀剑之类，皆极完备。”一旦发生战争，可供数十年之用。沈括的贡献是不小的。

五、精明博学服辽邦　

契丹统治者除了靠武力劫掠，还企图通过外交途径，索取宋朝土地。具体要求是要重划蔚、应、朔三州地界，以及要宋朝拆除雄州的外罗城和在白沟馆驿添盖的楼子箭窗。为此事，辽宋双方代表于代州界上的大黄平，经过一夏一冬的谈判，没有结果。不久，辽王朝派使臣肖禧到开封，又经过通宵达旦的谈判，仍然没有进展。最后议定以分水岭为界来重新划分三州疆界。分水岭是一个模糊不清的地理概念，可以作多种不同的理解，按照辽使的解释，宋朝必然丧失一大片领土。

对此，神宗皇帝焦虑不安。他担心拒绝辽使，会引起战争，后果难以收拾；但若答应辽使，宋朝又吃了大亏。他想找一个两全其美的办法，既不打仗又不至于吃亏。为此他找王安石商量，富于谋略的王安石劝他沉住气，不要显出忧虑和怯懦的神色，尽力选择一个好的使者同辽朝慢慢地辩论交涉，借以争取时间，做好兵戎相见的准备。沈括就在这种情况下被选为使节派往辽朝。

当时，沈括还在河北视察，朝廷令他速回京师，剩下的事由李承之接替。沈括要出使辽方的消息传开后，朝野上下都替他担心。很明显，契丹统治者胃口很大，怀着极强的领土野心。宋使要不辱使命，保证领土主权，势必要同辽方进行针锋相对的斗争。这样，不仅完成使命是一个难题，而且使者自身的安全也受到威胁。这一点，沈括很清楚。但是，为了国家利益，他不避斧钺，挺身而往。他为胜利完成使命，作了充分周密的准备：仔细地翻阅档案文献资料，认真地为舌战准备武器。在他离京前，就已研读了有关文件几十道。他不仅自己研究，同时要求随员也都作到了如指掌。

熙宁八年（公元一○七五年）四月中旬，沈括率领随行人员，由京城出发了。一路上，他的心情是激动不安的，自身安危可以置之度外，国家的安危却深深牵动着他的心。当走到雄州（今河北雄县）时，他写下遗表一封，请哥哥沈披（时为雄州安抚副使）转呈朝廷，表中说道：　

“假如臣不能生还，辽军必然大举进犯，他们的器甲武艺，远不及我方。不过依靠人多，能耐劳苦，行军不用带粮。抵御的战术，应聚兵定武，会合西山的人马来守卫磁州、赵州。黎阳一带河道窄狭，容易跨渡，应分守澶州、大名，驻兵扼守白马津；同时，怀州、卫州要坚壁自守，以阻塞通路。辽军难以西进，必由中路出兵，长趋河桥，那时我军就可决开齐贾埽（音臊s4o，护堤的水工建筑物），引河水淹灌，辽军 即使有百万之众，都将变成鱼鳖。唐河从西山流出，可用沙袋将它拦断，等到辽军北归，决放河水淹没他们的退路，镇州、定州的守军再火速出击，以迅雷不及掩耳之势，痛歼入侵之敌。”　

在自己生死难料的时刻，他是如此细心地筹划着国事，在他的胸膛里跳动着一颗多么强烈的爱国之心！

一位科学家，无论在什么情况下，都往往忘不了科学研究。沈括在生死莫测的征途中，仍孜孜不倦地探求着自然界的奥秘。一天傍晚，雨过天晴，一道彩虹在帐前溪涧上方的天空中出现，沈括不顾草深路湿，亲到洞前观望，又派人过涧隔虹对立，进行实验观察。观察的结果，他确信“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”，的说法是正确的，还发现“自西望东则见，立涧之东西望，则为日所领，都无所睹。”因而得出结论：虹的位置与太阳位置是相对的。在辽国境内，他看到一种新奇为动物：“前足才寸许，后足几一尺，行则用后足跳，一跃数尺。”他特地捉了几只，准备带回国研究。对于异域的风土人情，他更是处处留心察考、记录，作为资料保存。这些不仅表现出科学家执着的探索精神，而且也反映了面对艰险而镇定自如的无畏气概和必胜信心。

五月二十三日，沈括一行抵达永安山（今河北平泉南），辽道宗正在那里打围，沈括留住十三天，紧紧围绕地界问题，同辽方进行了激烈辩论。其焦点是鸿和尔大山和天池子两处。每次交锋时，会场四周观战的官员多达上千人，个个剑拔弩张，辽方代表杨遵勖、梁颖极尽无赖之能事，进行种种诡辩，中心是说鸿和尔大山以分水岭为界，天池子属于北界。沈括面对会场的紧张气氛不慌不忙，神态自若，专拣辽朝以往发出的公文作根据，驳斥杨、梁的谬说。他以辽兴宗重熙十一年（公元一○四二年）辽朝使者王守源、张永、曹文秀同宋朝使者翟殿真、吴巴共同商定的疆界，即以鸿和尔大山脚下划界为依据以及辽方顺义军的公文为凭证，有理有据地驳斥了辽方的谬论。关于天池子，沈括也以顺义军的军徽为证，指出：天池子“地理属宁化军”。弄得杨、梁张口结舌，无言以对，不得不暂时放弃对鸿和尔山一带的土地要求。六月初，沈括胜利返京。

沈括凭着博学和精明，终于战胜了敌方的无理纠缠，取得了外交上的成功，赢得了边界上的暂时安宁，这对朝廷集中全力搞改革是有益的。他又为国立了一功。

六、改革路上的新贡献　

沈括既是位自然科学家，也是位社会科学家，他有丰富的经济理论知识。熙宁八年（公元一○七五年）十月，他升迁三司使，负责掌管全国的财政。于是，他在实践中运用自己的理论，在理财方面革除弊政，为解除北宋王朝的财政危机作出了新贡献，最有意义的一项改革之举就是改革盐政。

北宋实行盐钞法，食盐买卖是国家专利。盐钞法是北宋政府专卖食盐的一种制度，即由商人向政府交纳现金，换取盐钞（贩盐的凭证），拿到食盐产地支取食盐，再运到各地出售。由于这时国家财政的日益困难，入不敷出，政府便滥发盐钞来多从商人手里换得现金。但人们食盐的数量是不会越来越增加的，这就出现很多虚钞。例如，陕西每年发盐钞达三百五十万贯之多，而人民实际需要食盐数不过二百一十多万贯，虚钞来有一百多万贯。商人领了盐销不出去，当然就不再向政府纳钱换盐钞了，盐钞法也就这样逐渐破坏了。代之以官卖食盐，官吏只求多卖盐、多得利，便利用行政职权强行配给，给人民造成一种新的负担。比如盐官张景温不仅随意抬高盐价，还将民户按贫富职业划分等级，每天分等强配食盐，同时严禁私人贩盐，对告发私盐贩卖者大加奖赏，尤其可恶的是规定当天买的盐如果没吃完，第二天就当作买卖私盐论罪。盐政成了人民一大害，也直接影响了国家的财政收入和政治威信。

沈括仔细考察了盐政之弊后，向神宗进《盐蠹四说》的论奏。他从四个方面论述了盐政的弊病所在和解决办法，他的建议是切实可行、能收实效的。于是由他领导，根据他的倡议制定了盐政改革方案，主要采取四项措施来去旧更新。

一是政府出钱，按三成给现款、七成照价发新引的办法将以往所发旧钞全部回收。这个办法实行效果很好，当时“公私之钞悉上”，看来是得人心的。

二是合理调整盐价，限制盐钞发行额，以有效控制公私盐务。

三是针对官卖食盐的严重危害，采取扩大商人销盐范围的办法来尽量减少官卖，以除弊兴利。

四是恢复盐钞实行之初的平准措施。就是在京师设立都盐院，山三司拨款，负责调节盐价。当京师盐价低落时，商人贩盐至京，就会亏蚀本钱，这时，都盐院就出线平价购买商人的盐，以免商人吃亏；等到盐价上涨时，再将收购的盐平价售出，以降低市面盐价。这样就“盐有常价，钞有定数”，起到了稳定市场的作用。

沈括所进行的盐政改革是成功的。他直到晚年，还高兴地看到这一改革“至今以为利也”。

改革盐政之外，他还提出了改革币制的主张和改革茶政的设想，虽然未能付诸实践，但是他所提出的理论是先进的、值得肯定的。当时社会上出现钱荒，宋神宗十分苦恼，曾征求他的意见，他上奏章详细论述了钱荒发生的原因和解救办法。他考察发生钱荒的原因有八点：一、“天下生齿岁蕃，公私之用日蔓”；二、“水火沦败刓（音丸w2n，用刀子挖）缺者，莫知其几何”；三、由于用钱改铸铜器可得利十倍，所以，开放铜禁后使大量钱币销毁为铜器；四、盐钞制度多变，原来储存盐钞的都改存钱币了；五、金银等贵金属仅制器皿，而专以铜铸钱，使原料来源少；六、官府库存钱币数量大，却不用于流通；七、边境各族都用宋的铜钱，更使钱币不足；八、河（今甘肃临夏）、湟（今青海乐都）等边远地区每年从京师流入的钱币百十万贯，而物产不多，以致钱币积压在这些地方。归纳起来，可以看出，沈括认识到货币流通量与人口、与国家贸易政策的密切关系，从这些方面着眼考察形成钱荒的原因和解决办法。同时，他也认识到了货币流通率的重要，认为只有“迁而不已，钱不可胜计”，货币流通频率高，就等于无数钱币在使用。他的理论核心所在，是阐明调节货币流通量的必要，使市面上钱币流通和社会对货币的需要量相适应。调节的具体办法就是恢复铜禁、整顿盐钞、增加货币种类、奖励货币流通等等。他的见解尽管不尽完美和妥贴，但总的来说，是比前人有所进步，特别是他关于货币流通率的见解，在欧洲经济思想史上到十七世纪才有人提出，沈括较之早六百年。

沈括大胆革新，在三司的工作也是颇有成绩的，然而，随着整个政治形势的变化，熙宁十年（公元一○七七年）七月，他因改革而受到政敌的攻击，被罢去了三司使职务，以集贤院学士衔出知宣州（今安徽宣城），离开了中央政府。

七、为改革效力疆场　

沈括在宜城呆了三年，元丰三年（公元一○八○年）六月，奉诏调任鄜延路经略安抚使、知延州（今陕西延安）。鄜延路管辖今天的陕西北部地区，紧邻西夏，处于国防前哨重地，经略安抚使是总掌军政大权的一方要职。宋神宗这次起用沈括说明对他的才干还是很器重的，他也因此又得以再次运用自己的军事知识和理论为实现改革的目的──“富国强兵”而努力。

当时宋朝积贫积弱的局势已经形成，边境一直不得安宁，西北方的西夏经常入境骚扰，王安石变法的一个重要方面就是要增强武装力量，消除外族的威胁。沈括虽然一片至诚为国家搞改革，反而受到打击，仕途上遭挫折。但他并没因此而消极颓唐，仍然怀着一片报国热诚，一到任就积极筹划军务，准备乘西夏内乱之机发动进攻，不负神宗重望。

沈括为加强战备，一方面加紧完成边境防御设施，调集人马和军需粮草，一方面组织当地人民练武习兵。他来自犒赏那些武艺出众的人，大大激励了人民的斗志。在这个基础上，选拔了一千多身强力壮、武艺高强的猛士补充军伍，大大加强了边防军的实力。

元丰四年（公元一○八一年）六月，西夏发生政变，梁太后掌握了政权。她一向仇视宋朝，虎视眈眈。七月间，宋朝先发制人，五路出兵，向西夏发动了进攻。沈括所在的脚延一路进军顺利，接连打胜仗，在无定河畔，全歼敌军八千人，攻下米脂寨（今陕西米脂）。又乘胜夺取石州松（米脂西北）、夏州（今陕西横山西）和银州（今宁夏灵武南），还在黑水堡（今陕西安定城北）大败夏人，杀敌一千七百多人。但因军粮接济不上，又遇大雪严寒，最后不得不撤兵。不过，这次由沈括主持的出击还是给了西夏以沉重打击。

在宋军五路出击的时候，沈括本人留守鄜延重镇，随时防备敌人进袭。十月间，夏将梁永能乘宋兵出境作战，境内兵力单薄之机，前来偷袭。沈括及时掌握了情报，作好了拒敌准备。夏军刚一入境，就遭到有力的抗击，狼狈溃逃。后来，又有好几万西夏军队包围了顺宁赛（今陕西志丹县北）。在强敌面前，宋军内部有人畏怯了，主张闭塞固守，以图自保。沈括认为这样做本身就是消极退缩，否定了这种意见，果断地派李达为先锋，率一千人出城，携带十万人的粮食，扬言他将亲率大军出击。同时，派骁将景思谊等率三千人与西夏军队交锋。夏军不明虚实，惊慌逃散，宋军便攻下了磨崖寨，俘敌万人。这一仗由于沈括指挥正确，取得了以少胜多的辉煌胜利，夏兵从此吓得胆颤心惊。沈括又趁机放风说，即将与河东路十二将的兵马会师，大举出征西夏，夏兵信以为真，望风而逃，宋军不损一兵一卒，便占领了浮图、吴堡和义合三寨。

第二年，西夏统治者调兵驻扎金汤堡（今陕西志丹县西北），准备袭击宋的鄜州（今陕西鄜县）。沈括得到情报，决定主动出击。发兵二万，声言袭取葭芦寨，实际却回马直奔兵力空虚的金汤堡，西夏军仓卒应战，两千兵丁被歼，主将格众被俘，沈括又打了一个漂亮的胜仗，随即驻兵绥德，准备进取葭芦。西夏统治者识破了他的意图，发兵一万扼守明堂川要冲，阻住宋军进路。沈括便另派一支队伍避开明堂川，绕道渡黄河与河东宋军合兵，袭击葭芦，明堂川夏军回师救援，与宋军展开大战，被打得大败。同时驻扎绥德的宋军杀过明堂川，占领了葭芦。

在这期间，宋军还占领了塞门寨。自从沈括主持西北边事以来，宋军接连打了几次胜仗，夺取了六个边寨。他同时还不放松军队建设，招抚逃亡人口，使西北边境形势暂时安定下来。因此，他曾受到神宗的嘉奖，由龙图阁待制升迁为龙图阁直学士。

元丰五年（公元一○八二年）九月，西夏军进攻永乐城，宋军因内部意见不一致，打了败仗，永乐失陷，沈括因此受到罢职的处罚，被贬置随州（今湖北随县）。这个抱有学识、富于才干、满腔报国热忱的优秀改革志士从此被剥夺了政治活动的权力，开始了闲居生活，并且还失去了居住自由。

八、生命不息 著述不止　

元丰八年（公元一○八五年），神宗死，哲宗即位，大赦天下，沈括才得以离开谪居地随州，迁居秀州（今浙江嘉兴），在这里，他从深深的孤寂和苦闷之中解脱出来，专心投入到编绘地图的科学工作中。

早在十年前，他还在三司使任上时，就奉旨编绘一部新的全国地图，但是，繁冗的政务使他无法全力以赴，因此一直没能完成，不过他也一直没有放弃这项工作，这时，他可以专心致志地来完成这一夙愿了。经过广征博引，参考了丰富的资料，他用两年时间，终于编绘成一部二十幅地图。包括全图一幅，分路图十八幅，名为《守令图》，又称《天下州县图》。这是一部先进的、科学的当代地图。

北宋王朝版图较小，周边各族的土地都不在其统辖范围内，但当时人撰修地理著作和地图都好把这些历史上属中央王朝管辖的周边上地囊括在内，虽然这是一种爱国思想的表现，但却是违反实际的、不科学的。沈括不受这种普遍思潮的影响，所绘这部全国地图只包括当时宋朝设守令管辖的版图，管辖势力不及的周边土地都不在其内，这就科学地体现了疆域的实际变化情况，应当说，这是指导思想上的一个进步。

在制图技术上，沈括也较前人有所进步。他继承了传统时“六体”（即六项制图原则：分率、准望、道里、高下、方斜、迂直）制图法，对其中分率（比例缩尺）、准望（方位）尤有研究，有所发展。比如：在他之前，制图都用“四至八到”法定方位，他改用二十四至的方法来标志州县方向，这就比原来的精密程度要高三倍，阅读者可以依据这个标志将地点还原成图，非常准确地体现了实际情况。这是很先进的方法，所以，元朝时候，这二十四至法被运用到了航海罗盘上。

由于制图技术较前进步和科学，必然提高地图的精确程度，所以，《守令图》是当时比较最精确的地图。这是沈括对地理学的杰出贡献。元祐二年（公元一○八七年），他把这部地图呈报朝廷，受到了嘉奖，宋哲宗允许他自由居住，他便迁居润州（今江苏镇江），在这里度过了辛勤著述的最后八年。

他在丹徒县朱方门外（今镇江东郊）购置了一份田产，建造了一座花园，取名梦溪园。在宁静的隐居生活中，他将自己一生见闻、科学研究所得汇集成书，这就是有名的古典科学著作——《梦溪笔谈》。

这部书原分三十卷，现在流行本为二十六卷，共分十七目：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。另有《补笔谈》三卷、《续笔谈》一卷，全文共六百零九条。可见这是一部内容极为丰富的综合性学术著作。它记载了许多宝贵的科学技术资料，比如：关于著名的活字印刷术的发明的记载，是独一无二的珍贵科技史料，只有从这里，后人才得以知道，我国历史上这一重大的科学发明是在北宋庆历年间，这个伟大的发明家是一个普通的百姓毕昇，以及最初的活字印刷技术是怎么一回事。再比如：指南针的记载也很详细，我们得知当时已有几种不同的指南仪：有浮在水面上的磁针，有搁在指甲上的磁针，有搁在碗边上的磁针，还有悬在丝线上的磁针。其中悬在单股长丝上的磁针运转最灵敏。这条记载为近代罗盘的构造提供了资料。同时，沈括还在研究中发现指南针所指并非正南方，“常常稍微偏东”，这就是现在我们所说的磁偏角。沈括是世界上第一个有此发现的人，《梦溪笔谈》这条记载是世界上最早的关于磁偏角的记载。还有，关于常州陨石的记载也是天文学史上少有的资料，内容是这样的：　

治平元年，常州日落的时候，忽闻天上大声象雷一般响，一颗几乎和月亮相似的大星，在天空的东南面出现。一会儿又震动了一声，却移到西南方面去了。然后又震了一声，坠落在宜兴县民许氏花园内，远近的人都望见，火光赫然照天，许家园子的篱笆都被烧坏了。等到火焰熄灭后，看到地面有个杯子大小的洞，入地很深，往下望时星就在里面，火光荧荧，许久才逐渐暗淡，但还热得不可挨近。又隔了许久，才把地洞掘开，在深三尺多的地方，得到一块圆石，这时还热得很，大小和拳头差不多，一头略微尖锐，颜色似铁，重也像铁一般。　

一条不到三百字的记录，把陨石坠落的时间、地点、过程和陨石的形状、比重作了完整而科学的描述，这在世界天文史上也是罕见的优秀记录。此外，书中还记载了天文历算学家卫朴、河工高超和木匠喻皓等平民科学家和技工的杰出成就，都是十分可贵的资料。

丰富的自然科学资料之外，《梦溪笔谈》也记载了很多珍贵的社会科学资料。比如：他根据当时私家所藏的档案资料真实地记录了宋大宗时发生的李顺起义的情况，肯定李顺“录用材能，存抚良善，号令严明，所至秋毫无犯，”所以很得民心，群众纷纷响应，起义失败后，他还隐藏民间三十多年未被发现。可以看出，沈括不受阶级偏见的束缚，如实地反映历史事实的本来面目，这也是科学家尊重实际精神的体现。除了记述一些社会政治历史的真实情况以外，《梦溪笔谈》还记录了考古学、文字学、音韵学等方面的资料，并且都阐述了他研究所得的结论。

《梦溪笔谈》的另一部分重要内容是沈括本人的科学研究成果的记述。主要有以下几方面：

一、突出的数学成就。首先是“隙积术”的发现。他看到历来用以求圆柱、圆台堆积体积的刍童法不准确，因为刍童法实际是用以求长方台体积的公式，而圆柱、圆台堆积起来，中间是有空隙的，这个体积和中间没有空隙的长方台体积显然不相等，所以借用刍童法来测圆柱、圆台堆积体积当然就很不准确。经过研究，沈括发明了一个新的公式，称之为“院积术”，就是高阶等差级数的求和公式：全垛个数和为[(2a+a′)b+(2a′+a)b′+a′－a]n：6。这个公式在西洋数学中被发现已经是在他五、六百年之后的事了。

再就是“会圆术”的发明。“会圆术”就是已知圆的直径和弓形的高（古称“矢”），求弓形的底（或称弦）和弓形弧的方法。这一方法所求得的近似值精确度很高，为元代天文学家郭守敬发明球面三角学开辟了道路。

二、在天文历法方面，除前面已说过的杰出理论和实际成就以外，他还大胆地提出了一种全新的历法《十二气历》。主张废除十二月为一年的制度，改用十二气为一年的制度。他的办法是以立春那天作为孟春之月的第一日，惊蛰为仲春之月的第一日。以此类推，用节气来定月份，每大月三十一日，小月三十日，一大一小相间，取消闰月。这样，即使有“两个小月相并”的情形，也不过是一年中只有一次。就是说有“两个小月相并”的一年，共是三百六十五日，没有的一年，是三百六十六日，就和现在通用的太阳历一样。至于月亮的圆缺，可以不管，因为个别事物如海潮等与此有关，就可以把它放进日历里，作为一般内容。这一新历法特别适合劳动生产的需要，因为农民耕作都是按季节进行的，以节气为基准的历法十分方便。连现行的公历十二个月的大尽、小尽安排都不很合理，节气的日期有一日的误差是难免的，所以，学术界公认《十二气历》比现行公历还合乎理想。沈括自己也坚信“日后必有采用我的主张的一天。”历史已证明他预见的正确性，目前，他提倡的阳历法已在世界各国通用起来，英国气象局统计农业气候和生产用的《萧讷伯历》就是和《十二气历》相同的一种历法。

三、光学和声学。沈括对光学的研究也颇有成绩，他曾做过小孔成像实验，在《梦溪笔谈》里记载了他做这一实验时的观察所得。他发现所成实像是光线通过“碍”（小孔或焦点）的缘故。他在书中还对凹镜照人面大、凸镜照人面小的原理做了论述，并指出可以应用这一原理，调整镜面的大小和凹凸高低，使所照人面成像与实体一样大。他对声学的研究也有所得，通过在琴弦上放纸人的实验发现了物体的共振规律，他将这一现象命名为“应声”。

此外，《梦溪笔谈》还记录了他在地质学、气象学、医药学、生物学、运筹学、博奕学及音乐、艺术等多方面研究的成果。总之，《梦溪笔谈》记录了当时科学技术的最新成就，反映了我国科学技术的高度发展情况，是一部极有价值的科学巨著，因此，当代英国著名科学家李约瑟盛赞它是“中国科技史上的座标”。

《梦溪笔谈》是沈括毕生从事科学工作的心血结晶，但沈括的著述并不止此，他还有很多文章，都收在他的文集《长兴集》中，他还著有《忘怀录》三卷、《易解》、《乐论》、《左氏纪传》等书，后人还把他搜集的医术、药方和苏轼的医药杂说合编成一部《苏沈良方》。沈括确是我国历史上一位学识极渊博、成就卓著的伟大科学家，《宋史·沈括传》称他“博学善文，于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算无所不通，皆有所论著。”是一点都不过分的评价。可惜这样一位杰出人物的晚年是在不幸中度过的，他疾病缠身，继妻张氏又待他不好，甚至打骂虐待他。绍圣二年（公元一○九五年），六十五岁的沈括就被疾病夺去了生命。但他在科学上的杰出成就值得人们永远纪念。