二、初入仕途 展露斗角

沈括有一个幸福的家庭，父严母慈，哥哥沈披和他一起长大。沈括的父亲沈周出身进士，先后曾在简州（今四川简阳）、润州（今江苏镇江市）、泉州（今福建泉州市）、江宁（今江苏南京市）等地任地方官，而沈括的青少年时代就是随父亲迁任各地中度过的，其间在繁华的泉州居住了八年。沈括的父亲是位为官清正、同情下层的开明官吏，这为沈括思想的形成带来了许多积极的影响。沈括的母亲很有文学修养，是位知识妇女，在她的教导培养下，两个儿子都得到了良好的启蒙教育。良好的家庭环境和广泛的社会接

触，使小沈括对许多方面知识都有浓厚的兴趣。这个有着强烈求知欲的少年无论走到哪里，对所见所闻都很留意、注意观察各种事物。他之所以成人后成为一位博学多识的科学家，与少年时代打下的基础有着密切的关系。

沈括十二岁时开始正式拜师读书。他和哥哥看到当时国家边疆常有战争，给老百姓带来许多灾难，就立志长大后立功报国，于是常在一起练武。他们的舅父许洞能文善武，著有兵书《虎钤（qián）经》，虽然这时已经去世，但他们的母亲在自己理解的情况下，把书中的军事理论深入浅出地传授给两个儿子。所以，沈括和他的哥哥以后均是文武全才，与这时的军事知识教育有很大关系。

沈括从小就在学习上有一种锲而不舍的精神。十五岁时，他因练习写小字不分昼夜，结果得了眼病。一位有良好医术与医德的医生王琪给他进行了精心的治疗，于是他对医学产生了兴趣，他认真研究医术、到处搜寻药方， 与医学结下了不解之缘。

就这样，沈括在如饥似渴地吸收各方面知识的过程中，渡过了他的青少年时代。时光冉冉，他二十一岁了。就在这时，噩耗传来，他的父亲去世， 怀着沉痛的心情，沈括在故乡钱塘为父亲守丧三年。服丧期满后，宋朝政府按当时官员死后荫其子的制度，任命沈括为沭阳县主簿。至和元年正月，这位二十四岁的青年人离开家乡前往沭阳县就职，从此开始了他近四十年的为官生涯。

在宋代，主簿这个职务低微而劳苦。在给朋友的一封信中，沈括谈到： 官职中最低微而辛苦的，就是主簿了。沭阳县方圆几百里，即使没有人而只有鸟兽的地方，主簿也要履行自己的职责。⋯⋯整天忙忙碌碌，就连天气冷暖、刮风下雨都顾不得了。即使工作这样繁忙，沈括依然尽心尽职地完成自己的工作。

这时，流经沭阳县的沭水由于年久失修、河道淤塞，以至泛滥成灾，许多田地颗粒无收，百姓生活困苦。而沭阳县令不但不兴修水利，对百姓进行救济，反而侵吞上级的救济款，并以修复水利为名，横征暴敛、搜刮百姓。自然灾害和贪官一起，使得民不聊生，最终爆发了百姓反抗官府的事件。事件发生后，上司唯恐事态进一步扩大，就把县令调走，让沈括处理这件事。沈括明白这一事件是因为治河不力，加上官府征敛过重而引起的，所以他便平息民愤，撤销了那些令百姓难以生存的赋税。这样处理后，风波平息了下去。

治理好沭水是事情的关键，于是沈括便组织民众整治沭水，数万民夫参加了这次修浚沭水的工程。他们在沈括的指导下，迅速疏通了阻塞的河道， 拓宽了河床；同时做为辅助工程，修了一百余条灌溉水渠、九条堤堰。通过这次大的整修，沭水附近地区做到了涝时能排洪，旱时能灌溉，使得七千顷土地变成旱涝保收的上等良田。以后多年粮食丰收，使广大劳动人民的生活得到了改观。

沭水修浚工程，使沈括的才能得到了上司的赏识。1055 年，他被调任到东海做代理县令。在任职期间，当地曾出土了一件古代的弩机。沈括对此进行了研究，他针对弩机的设计，提出了三点一线的射击理论，即弩机的望山

（瞄准器）、箭端、目标三点连成一条直线，认为这样瞄准，可以提高射击的精度。通过沈括对弩机的研究，我们可以知道沈括早在青年时代，就对兵器制造理论有了一定的理解并且产生了兴趣。

嘉祐六年（1061 年），沈括的哥哥沈披在宣州宁国（今安徽宁国）任县令，沈括此时正好客居此地。当时，江南转运使张颙（yóng）准备修复废弃已久的秦家圩（今安徽芜湖地区），任命沈披主持修复。因沈括整治沭水成功，也派沈括参与此事。他们广泛考察了周围的地势，调查了过去筑圩的情况，把当地的地形地貌绘制成图，提出了施工方案。

秦家圩原是一片面积很大的圩田。这种圩田，是此地人民依据农业经验而从大自然手中夺取的耕田。由于当地地势低洼而水位较高，劳动人民就在低洼地区的四周环筑堤岸，把耕田保护在堤岸之中，这就是圩田。圩堤上设置闸门，圩区内修筑沟渠直通闸门，做到了涝能排、旱能灌。北宋初年，一场特大洪水冲毁了秦家圩的全部圩堤，圩田一片汪洋。洪水退后，虽多次有人提议修复，但都因遭到反对而作罢。反对的理由是，在水边筑堤护田会使江河水道不够通畅，天长日久就将再度成灾。

沈披、沈括提出修复秦家圩的消息一传开，人们有的赞成、有的反对。反对者提出：圩田面积广大，会严重影响洪水排泄，每至汛期，必然引起水灾；还有，圩的东南堤岸连接大湖，长年被风浪冲击，难以坚固等等理由。沈括以科学的理论和调查得来的第一手资料为依据，对反对说法进行了驳斥，并针对具体问题制定出了切实可行的办法，如在堤上种树、堤下植芦苇， 即可巩固堤岸。由于他的主张有理有序，反对者无言可对。沈括、沈披的建议最终得以付诸实施。

秦家圩修复工程浩大，调动了附近八个县一万四千民夫，用了八十多年正式竣工。新修复的秦家圩规模壮观：圩堤宽 20 米，高 4 米，长 40 公里， 圩田面积近八千公顷；在圩堤上，栽植了数万棵桑树。修复后的秦家圩被宋仁宗赐名为“万春圩”。由于有高大围堤的保护，能防洪又可蓄水灌溉，使得八千公顷的荒废土地变成上等良田，每年收粮达二十四万斛。万春圩的修复成功，证明了沈括弟兄科学倡议的正确性，使沈括的科学才能再一次展现出来。

万春圩工程完成后，沈括被调到陈州宛丘担任过一段时间的县令。这段时间内，沈括练习了气功，把自己肺脏、脾脏多年的慢性病治愈了。到这时， 沈括入仕快十年了，官职始终不过县令一级，而且在宋朝凭父荫循常例递升官阶，也不是正经出身。到嘉祐七年（1062 年）秋，三十二岁的沈括参加了科举考试，考中进士。从这以后，他的政治生活进入了重要时期。

第二年，沈括被朝廷派至扬州做司理参军，由于他才学出众，颇得上司张刍的赏识。经张刍的举荐，在治平三年（1066 年），他来到京城，入昭文馆编校书籍。由于他平时公务不多，昭文馆又有大量藏书，所以沈括利用时间和职务之便，阅读了大量馆藏书籍，尤其深入钻研了天文学。年轻的英宗皇帝也曾向他询问过一些天文方面的问题，他作了很好的回答，得到了皇帝的嘉奖。这时，昭文馆的一位官长对他的才学还有些怀疑，便又提出一些问题要他回答。

他问沈括：“天上有二十八宿星座，但间距不等，多的相距三十余度， 少的只有一度，这是什么道理？”

沈括回答道：“天空中星辰分布本无所谓‘度’，只不过是研究天文历

法的人为了计算方便，以太阳的运行轨道黄道为规，把天空分为365 1 度。

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二十八宿星在天空中的分布原本不均匀，自然就谈不上相距间度的均匀了。”

官长一听，觉得很有道理，又问“日和月的形状是像弹丸（球体）呢， 还是像圆扇（平面圆形）？”

“像弹丸。”沈括脱口而答。“何以证明？”

“这可以用月亮的盈亏来加以验证。”沈括边回答，边从书桌上举起一个弹丸来作比，“月亮本身是不会发光的，而是靠日光的照射才反射出光来的。每当月亮初升，日光照到它的侧面，所以新月如钩；月中时，日光照到它的正面，故而满月如轮。就好比我于中的这颗弹丸半边涂上白粉后，您从侧面看它，有粉的地方像钩形；而从正面看去，就是圆形了。这与月相盈亏的道理是相同的。”

这个形象的比喻使得官长不住点头。随后，他又问：“日月运行，每月都有朔和望，为什么却不都能发生日月食？”

沈括对朔和望当然是非常清楚的。他知道，阴历每月初一，月亮运行到太阳和地球之间，这时月亮和太阳同时出没，在地球上看不到月亮，这就叫朔。初一这天也称朔日。阴历十六日左右，地球运行到月亮与太阳之间，这天太阳从西边下落时，月亮正好从东方升起，这时在地球上看到的月亮就是圆的，这就叫望。这天就称望日。官长的意思很明白：即然在朔望期间日月总是几乎和地球成一条直线，那为什么并未都发生日月食呢？沈括对这个问题早就研究过，因此马上作了回答：

“当太阳射到地球上的光线被月亮挡住时日食便发生了，所以日食一定发生在朔日。当地球挡住了日光，月亮这时走入了地球的影子中，便发生了月食，所以月食就一定发生在望日。但是太阳轨道黄道与月亮轨道白道并不重合，它们之间有一个夹角。所以，只有在黄道、白道交点的附近，日月和地球真正处在同一直线上，才有可能发生日月食。”

官长听得愈发明白。接着，沈括又详尽描述了日月食出现的方位，井指出黄道与白道的交点每月向西后退一度多，经过十八年零六个月，交点退行一周。

沈括对于这几个天文学问题的解释，与现代天文学理论与实际大体相符。黄白交点退行时间的计算，更是与现代数值极为近似。在九百多年前， 没有先进的天文观测仪器的情况下，得到这样的答案是很了不起的成就。

正因为沈括具有相当精深的天文学知识，到了熙宁五年（1072 年），宋神宗任命他为提举司天监，就是国家天文台的台长。司天监掌管天文历法， 其主要任务是观测天象、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。然而沈括到任后，发现监内官员大多不学无术， 没有真正懂得天文的人才，观测仪器也很匮乏。他们得到的一些数据，多半是凭主观臆断或脱离实测的纸上推算得来的，缺乏科学性又脱离实际，对农业生产也起不到应有的作用。

为了改变这种状况，沈括从两方面同时进行全面整顿。首先，他打破官阶资历和门阀等级，排除阻挠，推荐平民历算学家卫朴入司天监。卫朴本是一个双目失明的算卜者，但他擅长心算与筹算，记忆力非凡，对天文历法也有很深的研究。沈括让他担任业务骨干，主持历法的修改。同时，他还罢免了六个不称职的官员，调入一批懂业务的新人进行培训，学成后分配在监内工作。

另一方面，沈括破除了北宋传统的以推算为主要手段的修历方法，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，必须有准确的观测仪器，而司天监的旧仪器都已无法使用，因此沈括对旧仪器进行了改造。首先，他改造了浑仪。

浑仪，是天文学家观测天体方位的重要仪器，它是一个模拟天空星辰实际运行情况的模型。我国在公元前四世纪就有了浑仪，它的上面还有两个圆环，一个是固定的赤道环，另一个是赤经环。随着科技的进步，到了东汉海仪上增装了黄道环，张衡又加上地平环和子午环，到唐朝初年，李淳风把浑仪由两重（仪体、环）改为三重，加入了由黄道，白道和赤道等三环相交的三辰仪。这就是宋以前浑仪的简要发展史，可以看出，仪器的发展方向是环数越来越多，结构越来越复杂。物极必反，由于环数太多而相互交错，势必会遮掩部分天区，减少观测范围而不利于观测。

实践经验丰富的沈括，发现了浑仪发展的不良趋势。为扭转这种现象， 经过反复研究，他发现白道环没有大的价值，又常常遮蔽仪器中的了望孔， 于是就取消了白道环；同时，他还改变了一些环固有的位置，使它们不挡住视线。沈括此举，使浑仪发展方向发生了可喜的转折。元代科学家郭守敬， 就是沿着他的方向，取消了黄道环，既大大开阔了观测者的视野，又能保证观测效果。

此外，沈括对计时器——浮漏与观日影的仪器——影表都做了改进，使它们更加准确。为了说明他改制仪器的原理，沈括写成了著名的《浑仪议》、

《浮漏议》和《景表议》等三议。实际上这三篇文章的内容，不仅是对仪制改制的说明，同时阐述了沈括的几个重要的天文理论。它们是我国天文学史上的重要文献。

有了学有所长的人，又有了新的观测仪器，熙宁八年（1075 年）闰四月， 由沈括和卫朴通力合作修成的新历《奉元历》，正式颁行了。新历以365.243585 日为一年，这同现在实测的 365.2422 日比较，虽稍大却比宋朝已颁行的历法都准确。因此，新历受到人们的好评，宋神宗也对它大加赞赏。但由于实测的时间不长，数据不够丰富，因此新历没有达到应有的水平。元祐五年（1090 年）发生了冬至落后一天的误差。但是，沈括靠实测修历的原则对后世产生了深远影响，郭守敬的《授时历》就是遵循沈括的修历原则而修成的，它使古代历法跃上了新的台阶！

在主管司天监的日子里，沈括又通过测定日影，对“蒙气差”现象作出了科学的解释。“蒙气差”指的是天体发出的光从空间稀薄的外层空间进入地球大气时所发生的光线折射现象。就好比把一支铅笔放在盛有水的玻璃杯中，看上去铅笔就发生弯曲一样，实际上是光线折射现象所引起的。因此沈括认为，人们在地面上观察到的太阳位置，并非太阳的实际位置；人们观察到的太阳高度，比太阳的实际高度要高。他对“蒙气差”现象的这一科学解释，比西方要早五个多世纪。