这段文字所反映的,实际上是一次高频感应放电现象。限于当时的认识,沈括不可能了解其中的科学道理,故而连博学多识的他也对此现象发出了力所不能及的感慨。
在化学方面,有关于石油的资料记载可以为其代表:
“鄜延境内有石油,从前说延水东岸有石脂水,指的就是这个。石油产于水边,与沙石,泉水混杂在一起,缓缓地从地里冒出来。当地人用野鸡的尾羽把它沾起来,采集后放进瓦罐里,很像纯漆。它燃烧的时候像麻一样,但烟很浓,把帐篷都熏黑了。我想它的烟也许可以利用,就试着把它燃烧后附在物体上的烟煤扫起来,集中到一起用来制墨。没想到用它制出的墨又黑又亮,像漆一样,连松木烟灰制作的墨也赶不上它,于是就用它做了许多墨,在墨锭上以“延州石液”四个字作为标记。石油制品在今后一定会大大推广的,现在就从我做起吧。我认为,石油数量非常多,蕴藏在地下没有穷尽,不会像松木那样有时会枯竭。现在山东一带的松林已经采完,就连太行山、京西、江南一带有松树的山,现在大都也都光秃秃的了。制墨的人还都不知道石油燃烧时产生的油烟对制墨有很大好处。石炭(一种烟煤)燃烧时发出的烟也很大,会把衣服熏黑。我高兴地开玩笑做了一首《延州》诗:‘二郎山下雪纷纷,旋卓穹庐学塞人;化尽素衣冬未老,石烟多似洛阳尘。’”
沈括是我国历史上第一个提出“石油”,并利用石油烟灰制墨的人。早在九百年以前,他就根据延州一带人民采集、利用石油的情况以及古代文献的记载,作出了“石油数量非常多,蕴藏在地下没有穷尽”的论断,并且大胆预言石油会在未来的世界上广泛推广使用。今天,我国丰富的石油资源的开发和利用以及石油在世界上占有的重要地位,不能不让我们佩服这位大科学家的远见。
在生物医药学方面,《梦溪笔谈》对动植物的地理分布、形态描述和分类,生物的生理、后生态现象,药物和药理作用,古生物学等方面做了大量的忠实记录。比如《采药》一文:
“古法认为:采草药应在2月、8月(此处及下文均指农历),这很不恰当。2月时草已经开始发芽,八月时草苗还没有枯萎,这仅仅是有利于采药者辨认,对于药材的质地来说,在2、8月采则未必是好时机。大凡用植物根部入药的,应该采多年生草本植物的隔年老根,时间应是在它没有茎叶的时候,因为这时植物的所有养分都集中在根部,所以此时药性最强。要想验证这种说法,可以用芦菔、地黄等药物为例,如果在没有茎叶的时候采摘,根就会饱满而分量沉;反过来,根就会空虚而分量轻。那些不用隔年老根的药用植物,应等到它已经长成但还没开花时采摘,因为此时根已经长足而且没什么消耗。比如紫草,没开花时采,根色鲜艳;花开过后再采,则根色灰暗,这便是采药时节不同,药材质地也不同的验证。
用叶入药的,应在叶子刚刚长成时采集;用芽入药的,应在芽刚长足时采集;用花入药的,应在花刚刚开放时采摘;用果实入药的,应在果实成熟时采摘。此上种种,都说明采药之事不能限制时间。其主要原因是:土壤的温度和湿度随时间的变化而变化;气候也有着明显的寒暖变化。比如平地花开是在三月,而深山中则要到四月才开,唐代诗人白居易在《游大林寺》一诗中说道:‘在一般的地方四月就花落了,而这时山中寺庙的桃花才刚刚盛开,’就是这个道理。这种景观形成的主要原因,是地势高低不同所引起的。
再如筀(guī)竹笋有二月发芽的,有三四月发芽的,还有的直到五月才发芽,这就是晚筀了;稻子有七月成熟的品种,有八九月成熟的品种,还有直到十月才成熟的晚稻品种。同一类植物却有着不同的生长成熟期,这是由各种品种的物性不同而引起的。两广地区的小草,就是到了冬季也还是绿油油的;而中原地区的高大乔木,一到秋天就落叶纷飞。南方的桃树、李树在冬季也能结实;而北方的桃树,李树则只有夏天结实,这是各地气候不同所导致的。同一块田地的庄稼,则是先浇肥灌溉的部分先发芽;同一个山坡种的树,却是后种的后结果实,这是人力不同所造成的。难道这些都能限制在某个固定的月份吗?采药不能按古法行事,就是这些道理。”
沈括在本文中驳斥了把采药时间机械地规定在二八月的旧法,主张采药的时间,应根据不同的用药要求而有所变化;同时还指出植物的生长又受地理、地势、气候、人力等多种因素的影响,因此要因地因时制宜。这种见解充分体现了他所具有的朴素辩证思想。
在工程技术方面,由于沈括从小对科学技术有着浓厚的兴趣,长期耳闻目睹劳动人民的发明创造,故经他之手留下的科技资料很多,有的更是独一无二的珍贵科技史料,比如有关活字印刷的记载,其文如下:
“用雕刻版印刷书籍,唐代时还没有得到广泛推广,从五代的冯道用雕版印刷五经开始,以后的书籍,都是用雕版印刷的。到了本朝庆历年间(1042—1049年),有平民毕昇,他发明了活字印刷术。他的办法是用胶泥刻字,其深度如铜钱的边缘,每个就是一小印,用火烤的方法使它坚硬。事先准备一块铁板,上面用松脂腊和纸灰之类的易熔物覆盖。当要印刷的时候,就把一个铁框放在铁板上,再排满活字,这时就是一版,把版拿到火上烘烤,等易熔物熔化时,就把书版放在上面,印出的字十分工整。如果只印几本,是感觉不到方便之处的;但如果印几十本及至成百上千,那就会觉得印速飞快,效率极高。
印刷时,常准备两块铁板,一块印刷的时候,另一块就用于排字,这样,当第一块板刚印完,第二块板已经就排好字等着了。如此交替使用,印书速度极快。每一个字均有几个印;至于‘之’、‘也’等常用字,多达20几个印,这样就解决了一板之内重复用字的问题。至于那些暂时用不着的字,就按音韵分类存放到木格子中。如果遇到未曾准备的生僻字,马上就能刻出来。
那为何不用木头来刻活字呢?主要原因是木材的纹理有疏密,沾上水就会显现出来,而且还会与易熔物粘在一起不好拿下来。不像用胶泥活字印刷完毕后,再用火把松脂和腊烤化,用手轻轻一拨,活字就从铁板上脱落,一点也不会沾连。毕昇死后,他的活字印就被我的子侄们得到了,保存至今。”
活字印刷术是我国古代四大发明之一,而其发明者毕昇的名字能留给我们后人,就全靠《梦溪笔谈》的这段吉光片羽。毕昇创造的活字印刷是印刷术历史上的重要革新,它早于欧洲四百多年。
除了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,内容涉及到当时的政治、官制情况以及历史学、文字学、书画学等各个方面。有许多条目反映了当时北宋社会的现实情况:臃兵冗政、官员贪污成风、人民生活贫苦,而身为最高统治者的皇帝却认为天下太平而经常大宴群臣。《梦溪笔谈》中许多有关典章制度的记载,可以作为正史的补充,比如:他任职过鄜延路的经略使,在《梦溪笔谈》中就针对于经略使一职的职权、隶属关系等方面作了详细的说明。
在这本书中,沈括用了不少篇幅记下了当时为统治阶层所看不起的布衣平民,及他们为社会所做的巨大贡献。比如前面讲过的盲人卫朴修历,布衣毕昇发明活字印刷术,以及被人们誉为“造班鲁班”的巧匠喻皓兴建灵感塔,水工高超巧合龙门的事迹等等。
《梦溪笔谈》的另一部分重要内容是记载了沈括本人的科学研究成果。
主要有数学,天文历法,物理学的分支学科如声学、光学、磁学以及其他学科的珍贵资料。
在数学方面,沈括首创了“隙积成”和“会圆术”。在对数学几何学进行研究的过程中,他发现《九章算术》中,所用来求圆柱、圆台堆积体积的“刍童术”不很准确,因为“刍童术”实际上是用来求长方台体积的公式,而圆柱、圆台的堆积体积是有空隙的,它的实际体积与中间没有空隙的长方台体积显然不相等,所以借用“刍童术”来计算圆柱、圆台的堆积体积当然就很不准确。然而1000多年来,由于没有找到实际的计算公式,人们就一直采用这种不精确的计算方法。沈括经过长时间的研究和推导,发明了一个新的计算公式,称之为“隙积术”,实际上就是高等数学中的高阶等差级数的求和公式;设一堆积体的上下宽为a和c,上下长为b和d,高为h,依照《梦溪笔谈》的原文所述的计算法译为现代数学公式,这个公式直到六百年后,才被西方数学家所认识到。
“会圆术”就是已知圆的直径和弓形的高,来求弓形的底(或称弦)和弓形弧的方法。
除了“隙积术”和“会圆木”之外,沈括在天文学计算问题上曾经提出了“圆法”和“妥法”,这是涉及到球面三角学的高深问题。
在天文历法方面,除了前面说过的沈括所取得的实际成就外,他还提出了一种全新的历法“十二气历”。我国原来的历法都是阴阳合历,而“十二气历”却是纯粹的阳历,他主张废除十二个月一年的历法制度,改为以十二气作为1年,1年分4季,每季分孟、仲、季3个月,并且按节气来定月份。
办法是以立春那天作为孟春之月的第一日,也就是1月1日;以惊蛰为仲春之月的第一天,也就是2月1日,以此类推,用节气来定月份。每个大月31天,小月20天,大小月相间,取消闰月。这样,即使有“两个小月相并”的情形,也不过一年一次,这样的一年是365日;没有的,一年共366天。这就和现在通用的太阳历一样,至于月亮的圆缺,和寒来暑往的季节无关,只要在历书上注明“朔(月缺)”、“望(月圆)”就行了。
沈括所设计的这种历法是比较科学的,它既符合天体运行的实际,也有利于农业活动的安排,因为农民耕作都是按照季节进行的,故这种以节气为基准的历法十分方便。他预见到他的这一历法改革主张,必定会遭到顽固守旧派的攻击并会极力阻挠,而暂时不能推行;但是,他坚信“日后必有采用我的主张的一天”。历史已证明了他预见的正确性,现在世界各国所采用的公历,基本原理和“十二气历”是一致的,英国统计局统计气候和生产所采用的“萧讷伯历”是和“十二气历”完全相同的。
沈括对物理学研究的成果也是极其丰硕的。《梦溪笔谈》中所记载的这方面见解和成果,涉及到力学、磁学、光学、声学等各个领域。特别是他对磁学的研究成就卓著,沈括在《梦溪笔谈》中第一次明确地谈到了磁偏角问题。
指南针,是我国古代劳动人民的四大发明之一。古代的人用磁石磨针,针尖就会因磁力而指南。但是,指南针如何使用才能更准确呢!为此,沈括进行了各种试验。
起初,他把带磁的针放在水面上,但水面时常动荡,磁针老是摇来晃去,不能稳定地指示方向。于是,他就把磁针放在碗边上或指甲上,这时由于底部稳定,磁针就能够灵敏运转而指示方向,但又容易从碗边或指甲上滑下来,所以也不易使用。后来,他把磁针悬挂在丝线上,发现这样使用,磁针既转向灵敏,又不容易脱落。他所采用的具体方法是:从蚕茧中抽出一条长丝来,然后用一小块蜡把丝粘在磁针的腰上,并将它悬挂在没有风的地方。这样,一个灵敏而实用的指南针就可以使用了。
那么,指南针是否就指向正南而毫无偏差呢?沈括对常人毫不怀疑的日常问题提出了疑问,并进行了多次试验。结果,沈括发现磁针的针尖有的指南,有的却指向北。虽然限于当时的科学认识水平,他不知道磁石有南北两极,因而磨出的磁针也会指北,但他能注意到这个问题并提了出来,也是很了不起的。同时,通过测定,沈括又察觉到指南针并不指着正南,而是略微有些偏东。这样,他就成了世界上第一个发现地磁偏角的科学家。通过现代研究,我们知道:地球的磁南北极与地理南北极并不完全重合,而是有着一定距离,因而也就形成了地磁偏角这一现象。西方发现地磁偏角是在1492年哥伦布第一次航行,横渡大西洋时才发现的,比沈括晚了四百年。
在光学方面,沈括通过亲身实测,在《梦溪笔谈》中对小孔成像、凹面像成像、凹凸镜的放大和缩小作用等作了通俗生动的论述。他把小孔成像和凹面镜成像联系起来,指出成像是由于光线穿过小孔或焦点而形成束光的缘故。他还论述了镜面凹则照人像大,凸则照人小的原理,并指出可以应用这一原理,调整镜面的大小与凹凸,可以使所照的人像与实体一样大。另外,在做凹面镜成像实验时,他还发现当日光照射在镜面上,反射的光线汇集于一点(即主焦点)时,温度非常高,可以引火。这说明了他对太阳能的利用也有了初步的认识。
在声学方面,沈括也颇有研究和见解。他把几个小纸人放在七弦琴上进行实验,发现,当拨弹一根弦的时候,放在比这根弦高八度(一个音阶)的另一根弦上的小纸人会跳动起来,而其他弦上的小纸人则不会跳动。即使是两只琴,当弹一只琴的弦时,放在另一只琴上相应的弦上的小纸人也会跳动。
这个实验证明:一个发声体的振动能引起另一频率相同的发声体的振动。沈括称此现象为“应声”,即是现代物理学名词“共振”。
除了以上所介绍的之外,沈括对其他许多学科也有着深入的研究,独到的见解,《梦溪笔谈》也就是这样一部集作者见闻、研究成果之大成的博物著作,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,故而被称作“中国科技史上的里程碑”是非常恰如其分的。
《梦溪笔谈》是沈括毕生从事科学工作的心血结晶,但他的著述并不止此,他还有许多文章,主要保存在他的文集《长兴集》中,后人还把沈括搜集到的医疗方法、药方与苏轼(即苏东坡)的医药杂说合编成一部《苏沈良方》。史书上称他“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”是很恰当的。
然而,这样一位杰出人物的晚年生活是很不幸的,他的继妻张氏对他并不好,甚至常常打骂虐待沈括,使他体质更加虚弱,并常常精神恍惚。一次乘船渡长江,他差点自己掉入江中,幸好被人拉住。宋哲宗绍圣二年(1095年),这位具有渊博的学识、卓越成就的科学家,为国为民、坚定不移的科学家、政治家,告别了这个世界,终年65岁。