哥白尼和沈括的成就哥白尼和沈括有什么成就

哥白尼和沈括的成就
哥白尼和沈括有什么成就

哥白尼的“日心说”发表之前,“地心说”在中世纪的欧洲一直居于统治地位.自古以来,人类就对宇宙的结构不断地进行着思考,早在古希腊时代就有哲学家提出了地球在运动的主张,只是当时缺乏依据,因此没有得到人们的认可. 在古代欧洲,亚里士多德和托勒密主张“地心说”,认为地球是静止不动的,其他的星体都围着地球这一宇宙中心旋转.这个学说的提出与基督教《圣经》中关于天堂、人间、地狱的说法刚好互相吻合,处于统治地位的教廷便竭力支持地心学说,把“地心说”和上帝创造世界融为一体,用来愚弄人们,维护自己的统治.因而“地心学”说被教会奉为和《圣经》一样的经典,长期居于统治地位. 随着事物的不断发展,天文观测的精确度渐渐提高,人们逐渐发现了地心学说的破绽.到文艺复兴运动时期,人们发现托勒密所提出的均轮和本轮的数目竟多达八十个左右,这显然是不合理、不科学的.人们期待着能有一种科学的天体系统取代地心说.在这种历史背景下,哥白尼的地动学说应运而生了. 约在1515年前,哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写了篇题为《浅说》的论文,他认为天体运动必须满足以下七点： 不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心；地球只是引力中心和月球轨道的中心,并不是宇宙的中心；所有天体都绕太阳运转,宇宙的中心在太阳附近；地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的；在天空中看到的任何运动,都是地球运动引起的；在空中看到的太阳运动的一切现象,都不是它本身运动产生的,而是地球运动引起的,地球同时进行着几种运动；人们看到的行星向前和向后运动,是由于地球运动引起的.地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象了. 此外,哥白尼还描述了太阳、月球、三颗外行星(土星、木星和火星)和两颗内行星(金星、水星)的视运动.书中,哥白尼批判了托勒密的理论.科学地阐明了天体运行的现象,推翻了长期以来居于统治地位的地心说,并从根本上否定了基督教关于上帝创造一切的谬论,从而实现了天文学中的根本变革. 他正确地论述了地球绕其轴心运转、月亮绕地球运转、地球和其他所有行星都绕太阳运转的事实.但是他也和前人一样严重低估了太阳系的规模.他认为星体运行的轨道是一系列的同心圆,这当然是错误的.他的学说里的数学运算很复杂也很不准确.但是他的书立即引起了极大的关注,驱使一些其他天文学家对行星运动作更为准确的观察,其中最著名的是丹麦伟大的天文学家泰寿·勃莱荷,开普勒就是根据泰寿积累的观察资料,最终推导出了星体运行的正确规律. 这是一个前所未闻的开创新纪元的学说,对于千百年来学界奉为定论的托勒密地球中心说无疑是当头一棒. 虽然阿里斯塔克斯比哥白尼提出日心学说早1700多年,但是事实上哥白尼得到了这一盛誉.阿里斯塔克斯只是凭借灵感做了一个猜想,并没有加以详细的讨论,因而他的学说在科学上毫无用处.哥白尼逐个解决了猜想中的数学问题后,就把它变成了有用的科学学说——一种可以用来做预测的学说,通过对天体观察结果的检验并与地球是宇宙中心的旧学说的比较,你就会发现它的重大意义. 显然哥白尼的学说是人类对宇宙认识的革命,它使人们的整个世界观都发生了重大变化.但是在估价哥白尼的影响时,我们还应该注意到,天文学的应用范围不如物理学、化学和生物学那样广泛.从理论上来讲,人们即使对哥白尼学说的知识和应用一窍不通,也会造出电视机、汽车和现代化学厂之类的东西.但是不应用法拉第、麦克斯韦、拉瓦锡和牛顿的学说则是不可想象的. 仅仅考虑哥白尼学说对技术的影响就会完全忽略它的真正意义.哥白尼的书对伽利略和开普勒的工作是一个不可缺少的序幕.他俩又成了牛顿的主要前辈.是这两者的发现才使牛顿有能力确定运动定律和万有引力定律. 哥白尼的日心宇宙体系既然是时代的产物,它就不能不受到时代的限制.反对神学的不彻底性,同时表现在哥白尼的某些观点上,他的体系是存在缺陷的.哥白尼所指的宇宙是局限在一个小的范围内的,具体来说,他的宇宙结构就是今天我们所熟知的太阳系,即以太阳为中心的天体系统.宇宙既然有它的中心,就必须有它的边界,哥白尼虽然否定了托勒玫的“九重天”,但他却保留了一层恒星天,尽管他回避了宇宙是否有限这个问题,但实际上他是相信恒星天球是宇宙的“外壳”,他仍然相信天体只能按照所谓完美的圆形轨道运动,所以哥白尼的宇宙体系,仍然包含着不动的中心天体.但是作为近代自然科学的奠基人,哥白尼的历史功绩是伟大的.确认地球不是宇宙的中心,而是行星之一,从而掀起了一场天文学上根本性的革命,是人类探求客观真理道路上的里程碑. 哥白尼的伟大成就,不仅铺平了通向近代天文学的道路,而且开创了整个自然界科学向前迈进的新时代.从哥白尼时代起,脱离教会束缚的自然科学和哲学开始获得飞跃的发展.
沈括十分重视发展农业生产和兴修水利.早在他青年时期任沭阳县主簿的时候,就主持了治理沭水的工程,组织几万民工,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,那时他只有24岁.在任宁国县令的时候,他积极倡导并且主持在今安徽芜湖地区修筑规模宏大的坚固的万春圩,开辟出能排能灌、旱涝保收的良田一千二百七十顷,同时还写了《圩田五说》、《万春圩图书》等关于圩田方面的著作.
熙宁五年（公元1072年）,沈括主持了汴河的水利建设.为了治理汴河,沈括亲自测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸共八百四十多里河段的地势.他采用“分层筑堰法”,测得开封和泗州之间地势高度相差十九丈四尺八寸六分.这种地形测量法,是把汴渠分成许多段,分层筑成台阶形的堤堰,引水灌注入内,然后逐级测量各段水面,累计各段方面的差,总和就是开封和泗州间“地势高下之实”.这在世界水利史上是一个创举.仅仅四五年时间里,就取得引水淤田一万七千多顷的显著成绩.在对地势高度计算时,其单位竟细到了寸分,可见,沈括的治学态度是极其严肃认真的.
杰出的天文学家
沈括还是一个杰出的天文学家.熙宁五年（公元1072年）,也就在沈括负责汴河水建设时,沈括还负责领导司天监,在任职期间,他先后罢免了六名不学无术的旧历官,不计出身,破格推荐精通天文历算、出身平民的准南人卫朴进入司天监,主持修订新历的重要工作.沈括和卫朴治学态度认真,对旧历官凭借演算凑数的修历方法非常不满,主张从观测天象入手,以实测结果作为修订历法的根据.为此,沈括首先研究并改革了浑仪、浮漏和影表等旧式的天文观测仪器.
浑仪是测量天体方位的仪器.经过历代的发展的演变,到宋朝,浑仪的结构已经变得十分复杂,三重圆环,相互交错,使用起来很不方便.为此,沈括对浑仪作了比较多的改革.他一方面取消了作用不大的白道环,把仪器简化、分工,再借用数学工具把他们之间的关系联系起来（“省去月道环,其侯月之出入,专以历法步之”）；另一方面又提出改变一些环的位置,使它们不挡住观测视线.沈括的这些改革措施为仪器的发展开辟了新的途径.后来元朝郭守敬于元世祖至元十三年（公元1276年）创制的新式测天仪器——简仪,就是在这个基础上产生的.
漏壶是古代测定时刻的仪器,由几个盛水的容器装置成阶梯的形式,每一容器下侧都有孔,依次往下一容器滴水漏水.最下面的容器没有孔,里面装置有刻着时间标度的“箭”,随着滴漏水面升高,“箭”就慢慢浮起,从显露出来的刻度可以读出时刻.沈括对漏壶也进行了改革.他把曲筒铜漏管改做直颈玉嘴,并且把它的位置移到壶体下部.这样流水更加通畅,壶嘴也坚固耐用多了.
此外,沈括还制造了测日影的圭表,而且改进了测影方法.
沈括在《浑仪议》、《浮漏议》和《景表议》等三篇论文中介绍了他的研究成果,详细说明改革仪器的原理,阐发了自己的天文学见解,在是我国天文学史上的具有重要的作用.
沈括和卫朴的一系列革新活动遭到守旧势力的攻击和陷害.在沈括和卫朴的坚决斗争下,卫朴主持修订的奉元历终于在熙宁八年（公元1075年）修成颁行.但是,由于守旧势力阻挠和破坏,比较先进的奉元历只实行了十八年就被废止了.但是沈括并不因此而灰心,在晚年又进一步提出了用“十二气历”代替原来历法的主张.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.它以十二气作为一年,一年分四季,每季分孟、仲、季三个月,并且按节气定月份,立春那天算一月一日,惊蛰算二月一日,依此类推.大月三十一天,小月三十天,大小月相间,即使有“两小相并”的情况,不过一年只有一次.有“两小相并”的,一年共有三百六十五天；没有的,一年共三百六十六天.这样,每年的天数都很整齐,用不着再设闰月,四季节气都是固定的日期.至于月亮的圆缺,和寒来署往的季节无关,只要在历书上注明“朔”、“望”就行了.沈括所设计的这个历法是比较科学的,它既符合天体运行的实际,也有利于农业活动的安排.他预见到他的这一主张必定会遭到顽固守旧派的“怪怒攻骂”,极力阻挠,而暂时不能实行,但是,他坚信“异时必有用予之说者”.果然,近八百年后,伟大的农民革命政权——太平天国所颁行的天历的基本原理和沈括的“十二气历”是完全一致的.现在世界各国采用的公历,也就是阳历,其实在分月上还不如沈括的“十二气历”合理.
物理学家+化学家+数学家
沈括对物理学研究的成果也是极其丰富而珍贵的.《梦溪笔谈》中所记载这方面的见解和成果,涉及力学、光学、磁学、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磁针的偏角问题.在光学方面,沈括通过亲自观察实验,对小孔成像、凹面镜成象、凹凸镜的放大和缩小作用等作了通俗生动的论述.他对我国古代传下来的所谓“透光镜”（一种在背面能看到正面图案花纹的铜镜）的透光原因也做了一些比较科学的解释,推动了后来对“透光镜”的研究.此外,沈括还剪纸人在琴上做过实验,研究声学上的共振现象.
在化学方面,沈括也取得了一定的成就.他在出任延州时候曾经考察研究漉延境内的石油矿藏和用途.他利用石油不容易完全燃烧而生成炭黑的特点,首先创造了用石油炭黑代替松木炭黑制造烟墨的工艺.他已经注意到石油资源丰富,“生于地中无穷”,还预料到“此物后必不行于世”,这一远见已为今天所验证.另外,“石油”这个名称也是沈括首先使用的,比以前的石漆、石脂水、猛火油、火油、石脑油、石烛等名称都贴切得多.在《梦溪笔谈》中有关“太阴玄精”（石膏晶体”的记载里,沈括形状、潮解、解理和加热失水等性能的不同区分出几种晶体,指出它们虽然同名,却并不是一种东西.他还讲到了金属转化的实例,如用硫酸铜溶液把铁变成铜的物理现象.他记述的这些鉴定物质的手段,说明当时人们对物质的研究已经突破单纯表面现象的观察,而开始向物质的内部结构探索进军了.
沈括在数学方面也有精湛的研究.他从实际计算需要出发,创立了“隙积术”和“会圆术”.沈括通过对酒店里堆起来的酒坛和垒起来的棋子等有空隙的堆体积的研究,提出了求它们的总数的正确方法,这就是“隙积术”,也就是二阶等差级数的求和方法.沈括的研究,发展了自《九章算术》以来的等差级数问题,在我国古代数学史上开辟了高阶等差级数研究的方向.此外,沈括还从计算田亩出发,考察了圆弓形中弧、弦和矢之间的关系,提出了我国数学史上第一个由弦和矢的长度求弧长的比较简单实用的近似公式,这就是“会圆术”.这一方法的创立,不仅促进了平面几何学的发展,而且在天文计算中也起了重要的作用,并为我国球面三角学的发展作出了重要贡献.
地理学家+医学家
沈括在地学方面也有许多卓越的论断,反映了我国当时地学已经达到了先进水平.他正确论述了华北平原的形成原因：根据河北太行山山崖间有螺蚌壳和卵形砾石的带状分布,推断出这一带是远古时代的海滨,而华北平原是由黄河、漳水、滹沱河、桑乾河等河流所携带的泥沙沉积而形成的.当他察访浙东的时候,观察了雁荡山诸峰的地貌特点,分析了它们的成因,明确地指出这是由于水流侵蚀作用的结果.他还联系西北黄土地区的地貌特点,做了类似的解释.他还观察研究了从地下发掘出来的类似竹笋以及桃核、芦根、松树、鱼蟹等各种各样化石,明确指出它们是古代动物和植物的遗迹,并且根据化石推论了古代的自然环境.这些都表现了沈括可贵的唯物主义思想.在欧洲,直到文艺复兴时期,意大利人达．芬奇对化石的性质开始有所论述,比沈括晚了四百多年.沈括视察河北边防的时候,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.这个做法很快便被推广到边疆各州.熙宁九年（公元1076年）,沈括奉旨编绘《天下州县图》.他查阅了大量档案文件和图书,经过近二十年坚持不懈的努力,终于完成了我国制图史上巨作《守令图》.这是一套大型地图集,共计二十幅,其中有大图一幅,高一丈二尺,宽一丈；小图一幅；各路图十八幅（按当时行政区划,全国分做十八路）.图幅之大,内容之详,都是以前少见的.在制图方法上,沈括提出分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直等九法,这和西晋．裴秀著名的制图六体是大体一致的.他还把四面八方细分成二十四个方位,使图的精度有了进一步提高,为我国古代地图学做出了重要贡献.
沈括对医药学和生物学也很精通.他在青年时期就对医学有浓厚兴趣,并且致力于医药研究,搜集了很多验方,治愈过不少危重病人.同时他的药用植物学知识也十分广博,并且能够实际出发,辨别真伪,纠正古书上的错误.他曾经提出“五难”新理论；沈括的医学著作有《良方》等三种.现存的《苏沈良方》是后人把苏轼的医药杂说附入《良方》之内合编而成的.