《梦溪笔谈》及沈括的得失

撰文\/李志超   2016-11-25 03:50:46

撰文/李志超

宋代是中国历史上经济繁荣和科学技术成果显赫的时期。由于出版印刷业发达,宋代出现了大量的著述和汇编类书籍。在这些琳琅满目的文化成果中,北宋沈括所著的《梦溪笔谈》因其内容广博丰富、记述众多的重要发现和发明及体现的学识、思想而闪烁异彩。英国著名科学史家李约瑟博士盛赞《梦溪笔谈》是“中国科学史上的里程碑”,并说沈括“可能是中国整部科学史中最卓越的人物”。

一 沈括与《梦溪笔谈》

沈括(1031-1095,一说 1033-1097),字存中,浙江钱塘(今杭州)人。其父沈周长期担任地方官职。其母许氏出身名门,有良好的文化素养,沈括早年的启蒙教育,就得益于母亲。沈括在少年时代,因父亲的官职调动而多次举家搬迁,他先后到过福建泉州、江苏润州(今镇江)、四川简州(今简阳)和京城开封等地,开阔了眼界,增长了见识。

沈括二十四岁踏上仕途,初为海州沭阳县(今江苏沭阳)主簿,后历任东海(今江苏东海县)、宣州宁国(今安徽宁国县)、陈州宛丘(今河南淮阳县)县令。宋仁宗嘉祐八年(1063)中进士,被任命为扬州司理参军。三年后被推荐至京师昭文馆编校书籍,在这里开始研究天文历算。宋神宗熙宁四年(1071),沈括为母守丧后返京,参与王安石变法。熙宁五年(1072)兼提举司

天监,主持制作新天文仪器。熙宁六年做集贤院校理,因职务便利,有机会接触皇家藏书。

熙宁九年(1076),王安石变法失败。沈括被诬劾贬官,出知宣州(今安徽宣城一带)。三年后,为抵御西夏,改知延州(辖今陕西延安等地),兼鄜延路经略安抚使。因守边有功,元丰五年(1082)升龙图阁直学士。但不久又遭诬陷,降职做均州(今湖北均县)团练副使。哲宗元祐二年(1087),沈括花费十二年心血编修《天下州县图》完成,被特许亲自到汴京进呈。次年,定居于润州的梦溪园。

沈括晚年在梦溪园总结自己一生的经历和科学活动,写出了重要的著作《梦溪笔谈》和《忘怀录》等。

沈括一生研究兴趣广泛,人文、自然科学无所阻隔,天文地理无所不容,可称是文理兼通的学者。沈括勤于著述,据考证他的著作多达四十馀种,可惜多数已佚,除《梦溪笔谈》外,仅有综合性文集《长兴集》和医药著作《良方》等少数几部传世。

《梦溪笔谈》是一部笔记体著作。“笔记”之名,原指执笔记叙。笔记的特点一是“杂”,内容不拘,有闻即可录;二是“散”,形式不拘,可长可短。笔记分几种类型,就《梦溪笔谈》来说,它兼有考据辨证类笔记和历史琐闻类笔记的特点,内容相当丰富。

根据胡道静先生的研究结果,《梦溪笔谈》共三十卷,其中《笔谈》二十六卷,《补笔谈》三卷,《续笔谈》一卷。全书有十七目,六〇九条,内容涉及科学技术的约占总数的 36%。成书约在 1086 年至1093 年间,现存最古版本是国家图书馆收藏的元代大德九年(1305)陈仁子东山书院刻本。1956 年,胡道静《梦溪笔谈校证》出版,1957 年,中华书局又出版胡道静《新校正梦溪笔谈》,引录文献最多。

《梦溪笔谈》中关于科技部分的内容:数学有会圆术、隙积术、妥法等;物理方面有磁偏角、凹镜成像和声共振实验;地理学有论太行化石原来是海、以流水侵蚀解释奇异地貌成因等;技术方面有毕昇发明活字印刷;河工高超的合龙堵口方法;建筑师喻皓的《木经》及其成就;指南针、冶金、石油等;还有医学和药物的很多记述;以及工程调度的技巧等等。

二 沈括的成就

沈括的最大科研成果是用刻漏测定真太阳日的变化。刻漏计时本来是中国古代科技的强项。历史事实否定中国古无实验和逻辑的谬论。沈括的成果表现很突出,他测出了真太阳日的变化。这个成果完全可以从史料的科技分析和实验再现来证实,但近代却多有怀疑者。他们以为好懂的事其实并不简单,可疑的事多是看似简单却很深奥。实际上,沈括的这项成就是摆钟之前世界计时技术的登峰造极,只是刻漏技术废止已经三百五十年,人们不熟悉了。直到最近,写文章讲刻漏的还有人说那漏水是一滴一滴地下落,他们从“铜壶滴漏”的“滴”字,望文生义认为那就是一滴一滴地落水。稍加思虑当知,史料说的漏水流量大约是每秒1毫升,一滴一滴地漏怎么够用?再进一步讨论,分滴则由表面张力影响,与温度关系很敏感,怎么保证精度?麻烦在于刻漏的文献资料留存极少,沈括的《浮漏议》几乎是现存唯一的详细史料,全文保存在《宋史·天文志》,可供复原古刻漏参考。

1979 年李志超按《浮漏议》做了复原性实验(参李志超《中国水钟史》,安徽教育出版社,2014),发现其计时精度竟能完全不受温度影响,于是判定中国古代的漏水计时技术具有世界一流水平,从张衡到摆钟发明,占据世界冠军宝座至少十五个世纪,是中国科学史上一项重要的成就。

按《梦溪笔谈》,沈括用他的玉壶浮漏测知“冬至日行速,夏至日行迟”。他用了“日行”和“天运”两个概念。日行是太阳的视运动,天运是恒星体系的视运行。天运实质是地球自转的表现,直到原子钟开发以前,是最好的时间标准。中国古人以天为大物,日的直径仅为天球直径的1/730。故沈括认为天运守恒而日行有变,看法不算错。太阳投影在恒星背景上的轨道是黄道。早在沈括之前五百年,公元 550 年前后,北齐张子信在二十四等分一年的各时点,观测太阳在黄道上的方位,确定各相邻两点角距离不等。或者反过来说,太阳在黄道上每走过一个角等分点所用时间不等。现在天文学说法是,地球公转角速度变化遵守开普勒定律。把变化精细分散到每一天,那就是要测定每日的真太阳日时长,这需要计时精度在二十四小时之间的误差小于几秒,即误差秒数是一位数。用计时方法验证这个规律,是沈括创为之。沈括的刻漏达到的精度是当时计时技术的极限。他对日行迟速的解说也与现代基本一致。

当时最热门的基础科学是天文历算,但内行很少。现在有人说:中国传统天文学是为占卜服务的,读一下《梦溪笔谈》便不会这样说了。的确,在北宋开国之初,曾有禁民间私习天文的政令。那是因为当时域内尚未统一,各独立政权都招募所谓天文术士,实际多为假冒的骗子,其目的是编造天象,为其主公夺取天下的大业作宣传服务。赵匡胤也不例外,陈桥兵变头一天晚上,两个随军术士就编造出看见两个太阳互争上下的谣言。所以赵家夺得皇位之后就对这种骗子格外设防。然而一个皇朝不能没有天文历法专家服务,再说儒经里也有很多天文历法内容,不可能完全禁止学习。所以宋朝政治稳定后,那些禁令就悄悄地废除了,正史记录甚至有民间预报日食胜于官方者。沈括就是私习天文的范例。《梦溪笔谈》记有科举考试题“玑衡正天文之器赋”,可证禁习天文的法令已被废除。这种记录是重要的史学资料。

沈括提出了十二气历方案。在现行公历中,春秋分和冬夏至分别是 3月、6月、9月和 12 月的 21-22日。这是西学以季节定月的实践,他们虽然没有二十四节气,但这历法实质是十二气历,时间大概在公元前 8 年,早于沈括一千多年。沈括在《补笔谈》中讲十二气历,末尾说“予先验天百刻有馀有不足,人已疑其说。又谓十二次斗建当随岁差迁徙,人愈骇之。今此历论尤当取怪怒攻骂,然异时必有用予之说者。”他所说的怪怒攻骂 ,有吗?没有!岁差概念早在五百年前就有了。参考他的《浑仪议》(载于《宋史·天文志》):

旧说以谓,今中国于地为东南,当令西北望极星,置天极不当中北。又曰,天常倾西北,极星不得居中。臣谓:以中国规观之,天常北倚可也,谓极星偏西则不然。所谓东西南北者,何从而得之?岂不以日之所出者为东,日之所入者为西乎?

这段话虚设辩难对手,那种疑问不出于当时天文专家。虚设辩难,用意何在?最可能是他从阿拉伯人处听到了地球说,不敢大声说出来,就故弄玄虚。这种做法符合沈括的性格。

按浑天说,天极正下方地面的一点就是地北极,天中正下方一点就是大地的中心。但是不但无人去过地北极,也没人以实证确认过大地中心,古老的“地中阳城”概念已被远航否定。那么,中国的方位就该是东南。但天文学实践又必须把天极定为正北。唐朝僧一行已经发现矛盾,从中原所测天极出地高度,随向北里数变化,则可推得地北极离洛阳不超过三万里。丝绸之路东西里程已经超过三万里,怎么两边看北极都是正北?所以,沈括提出的问题是浑天说的难点!但他却和了稀泥,不顾逻辑矛盾做结论。尽管如此,还是要给沈括“点赞 ”。

数学也是沈括关注的事,其中有一项少有人注意的资料,就是他讲光学成像的“格术”。清末广东人邹伯奇作《格术补》,邹氏应是引用沈括的创名。沈括说那是“算家”传承的,可是从未在中算史别处见有此名此事。从他的记述特征看,那就是几何学(geometry)的译名,是他从阿拉伯人那里学来的。这应是很重要的科学史事件,是沈括接触西学的一例。从辽代墓有西方黄道十二宫图可知,西学已开始传来了。

此外,包括博物学、工艺和医学的一应记述,很多书刊文章说得很多了,此不赘述。

需要注意沈括的自然哲学观点。当时的知识分子很难完全摆脱神秘主义,偏好探讨自然奥秘者更甚,因为不解的事太多。他说“事非前定”,否定宿命论,认为世界是在变化的,这是对儒道哲学的继承。但他不能脱离俗见,偏爱阴阳五行,所论大都不切实际。

三 沈括的几项错误

“石油”是一显例。后周显德五年(958,陈桥兵变前两年)就有占城(今越南部分地区)进贡“猛火油”。同时还有朝鲜和中国西北的记录,比沈括的记录早一个多世纪(在他去延州前约120 年,写书前约140 年)。“火油”曾被用于战争,他在馆阁任史官之职,怎么会不知道?此后“猛火油”或“火油”之词多次出现。从造词而言,“石油”不如“火油”。他却把史馆的记录隐瞒不提,好像从来没有这件事,自己立个名叫“石油”。

还有浑仪。唐朝僧一行和梁令瓒做的浑仪到唐末就不见了,《旧唐书》作者还能依据存档抄录。欧阳修编《新唐书》时增删《旧唐书》文字,竟致浑仪的记载完全失真。而沈括不辨真伪,宣称自己是依照僧一行、梁令瓒之法设计,吹得如何如何高明,可是他设计的浑仪很不经用,很快就被搁置一旁了。二十年后,苏颂受命检审浑仪,所写《进仪象状》说:已经废置不用的浑仪有几架,有新有旧。他把在沈括之前的浑仪叫“新仪”,把沈括的浑仪叫“旧仪”。这显然是由于沈括的浑仪最早被淘汰。

关于极星方位。天赤道和天北极点是移动的,极点上没有亮星。现在的北极星距天极约 40 角分,而在沈括的时代,离天极最近的星不是现在的北极星,是一颗叫“纽星”的星,离北天极约1.5度。沈括不知道天极和天赤道是动的,他以为自古以来这颗星就是“极星”。他要测量这颗星离天极有多远。一般来说,只要在冬至前后(夜长大于十二小时)对着天极的大致方位建立一个瞄准望筒,令天极约略在视野的中心,然后天黑时看定极星方位,过六个时辰(十二小时)再看它的方位,两个方位点连线的中点就是天极,两点距离的一半就是极星与天极的距离。可是按沈括的方案要搞一个月,画上百张图,结果却给出了一个错误数据:3度馀,是实际距离的 2 倍!他是怎么搞错的?因为他把浑仪的空心中轴作望筒,从筒的下端向上望,瞄准不经过中心,误把圆心角当圆周角,于是就差了2 度 (参李志超《天人古义》)。

这一错误竟使得本来很先进的中国天文学迟迟没有进入地心说,更不用谈日心说了。从汉武帝时代开始的浑天说以为地与天一样大,天是球壳,地是天球正中的平板,认为这是天与地为阴阳对偶关系的表现。而西方天文学很早就知道地心说,没有地心说就没有日心说,没有日心说就没有牛顿定律,所以近代科学是从欧洲发轫的。中国人本可以从天极和天赤道的移动发现地心说,但却一直不知道天极和天赤道是动的,从晋代就知道黄道与赤道的交叉点在动,却以为是黄道动。唐朝僧一行时所测极星与天极距离是半度。郭守敬所测是“极星去不动处三度”,也是对的。按浑天说,太阳直径只是天地直径的1/730。如果坚持精确测定极星与天极距离,原可从多年多次测量中发现天极轨迹,从而得知是赤道动不是黄道动,却被沈括搅糊涂了。直到利玛窦来华,才确认岁差是天赤道在动。

(作者单位:中国科技大学)

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