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数学家传记

沈括Shen Kuo

出生
1031年 中国浙江省杭州
逝世
1095年 中国镇江

沈括是一位中国学者,撰写了涵盖数学、音乐、天文学、历法、地图学、地质学、光学和医学等多个主题的著作。

完整传记

沈括也被称为沈括或沈括 Gua。他的父亲是沈括 Chou,母亲的娘家姓是Hsu。沈括出生时两人似乎都已相当年迈;他的父亲大约53岁,母亲大约44或45岁。沈括 Chou是一位政府官员,曾在各省之间辗转任职,最后在首都开封从事法律职业结束了他的职业生涯。沈括的母亲来自中国的苏州地区,在儿子的成长中扮演了极其重要的角色,因为他所有的早期教育都来自他的母亲。

当他大约九岁时,沈括开始跟随父亲在全国各地奔波,从一个职位调任到下一个职位。像沈括 Chou这样的官员必须承担的工作种类非常多样,因为他涉及财务事务,涉及技术事务,如照看水道和运河以及监督大型建筑项目,而且他还要对所任职地区的农业负责。年幼的沈括通过观察父亲的工作学到了很多,而且由于头脑极其敏锐,他充分利用了呈现在他面前的机会。

沈括 周认识并钦佩的另一位地方官员是 王宪钟 安石。他比 沈括 周的儿子 沈括 大10岁,很快 沈括 也开始钦佩 王宪钟 安石的行政才能,以及他的理想主义。当 沈括 的父亲于1051年去世时,王宪钟 安石为他撰写了墓志铭。作为官员之子,沈括 本人在父亲去世后无需参加其他人必须参加的正式考试即可成为官员。他于1054年被任命为第一个低级官职,随后又担任了若干其他职务。

沈括出生时的皇帝是仁宗。然而,他的政府内部正在出现问题。有来自北方的行政官员,他们大多非常保守,跟随父亲进入文官系统,并遵循传统方法。也有来自南方的新官僚,在通过科举考试后进入政府。王宪钟安石是这种新式行政官员之一,他通过能力而非庇护晋升,并遵循儒家理想。一系列危机,一些内部叛乱,一些来自越境入侵者的攻击,以及繁荣的下降,都意味着新官僚想要的改革开始被实施。

然而,行政机构中的传统派并不轻易放弃,当改革取得成功后,行政机构又故态复萌。到 沈括 开始在行政机构中逐级晋升时,改革派已经回归,此时他们已学会了政治手腕。改革派取得了一些进展,但根本问题依然存在:官僚机构日益昂贵,而税收却在下降。然而,沈括 正以非凡的才能崭露头角。他参与了多项治水方案,这在当时的中国始终是一个重大问题,而这些方案结果非常成功。通过修建排水渠和堤坝,他开垦了大片土地,使其成为高产农田。

1061年,沈括 在安徽省宁-沈括 任通判时,进行了一次地图测绘,随后又实施了另一项重大的土地开垦计划。这同样非常成功,在 沈括 于1063年通过全国考试并迁往扬州后,知州意识到这里有一位才能出众的人,便推荐他到河南省都城开封的朝廷任职。王宪钟 安石已于1060年进入中央政府,但在仁宗皇帝在位期间他并不特别受宠。然而仁宗于1064年去世,英宗短暂在位至1068年,随后 沈括 宗继位。在 沈括 宗治下,改革步伐加快,1069年 王宪钟 安石被任命为参知政事。他随即推出了一项名为“新法”的重大改革计划,沈括 被认定为 王宪钟 在朝廷内强大的改革集团十八名成员之一。

当 沈括 在地方担任官员时,他承担了大量非常成功的项目,但这并未完全占据他的精力,他利用业余时间研究天文学、历法科学以及这些背后的数学。1072年,沈括 被任命为司天监长官。按照惯例,新皇帝继位时应制定新历法。更换统治者后,新皇帝会寻求新的官方历法,从而以新的天象影响确立新的统治。沈括 宗于1068年成为皇帝时并未这样做,现在 沈括 被赋予了这一任务。他制定了雄心勃勃的计划,要重组司天监并收集必要的天文数据。他设立了一个项目,测量月亮和行星的位置,每晚三次绘制精确坐标,持续五年。然而,司天监的许多工作人员不称职,沈括 不得不解雇六名他发现伪造数据的人。工作人员的低效使历法不如应有的准确,但它于1075年投入使用,持续了约20年后被取代。

沈括 现在承担了若干项目以支持 王宪钟 的改革议程。他监督治水项目、军事组织,并广泛巡行各省,为地方官员提供建议。他用木板制作了他所访问地区的三维地图,木板上使用了混合胶水的锯末和熔化的蜡。王宪钟 在政府中的对手将 沈括 视为周游全国为 王宪钟 的改革计划争取支持的人,他们开始密谋反对他。然而 沈括 在所赋予的任务中如此成功,以至于他继续被要求承担具有重大国家意义的项目。1075年,他承担了修订国家防御战略的任务,并与北方威胁入侵的契丹部落进行了非常成功的谈判。他利用自己的历史知识驳斥契丹部落对中国领土的主张,为该地区带来了持续数年的和平。回到都城开封后,沈括 被任命到国子监,并于1077年被任命为财政专员。他在担任此职期间撰写的关于供求理论的著作非常卓越。他撰写了关于价格预测方法、货币供应、价格控制、市场干预以及其他主题的内容,这些主题直到现代才再次得到如此深入的研究。

他在政府中达到了权力极大的地位,成功推行了有效的改革,却在1077年秋被指控有不诚实行为。这些指控完全虚假,是由 王宪钟 改革计划的政治对手提出的。沈括 是一个才华横溢的人,但他的才能在于完成任务,而非政治谋划。由于政治手腕高超的 王宪钟 已心灰意冷并于1076年秋退休,他突然变得孤立无援。正是 王宪钟 的继任者对 沈括 提出了这些虚假指控。

沈括被派往陕西路担任知州和军事长官。1081年,他在那里组织了对唐古特的进攻,取得了重大胜利,并扩大了宋朝对新地区的控制。皇帝很高兴,沈括向他提出了加强该地区防御的建议。然而,仍有人反对他,他的计划被推翻。相反,他认为无用的防御计划却被实施。唐古特的进攻导致宋军战败并遭受重大损失。尽管他对这次失败毫无责任,但他被王宪钟的继任者指责,并被解除指挥权并流放。

就科学而言,这似乎是幸运的,因为在他被放逐之后,他写下了自己的科学著作。他被禁止参加官方活动,并被迫基本上处于软禁之中。然而,他可以自由从事科学工作,并且他从事了一项他于1076年应皇帝要求开始的项目,即绘制所有中国领土的地图。他制作了23幅地图,全部按1:900,000的比例尺绘制。沈括知道地图往往不能长期保存,而书籍则有更好的长期保存机会。因此,他用方向坐标和距离来编码他的地图,写道[1]:-

因此,尽管后世这些地图可能失传,但有了我的书,地域划分可以按照二十四个方向铺展开来,地图可以迅速重建,而不会有丝毫差异。

地图具有重大的军事意义,也具有科学价值,因此他的项目得到了政府的支持。在经历了接近软禁的六年之后,沈括被允许住在他自己选择的地方。十年前他还是领军人物时就已经购置了一处产业,但他从未见过自己在江苏(镇江)郊外的这处产业。1086年,他获准前往参观,发现了一个极其美丽的地方,这是他多年来梦寐以求的。他将其命名为梦溪,并于1086年获得赦免、国家养老金以及在他选择的地方居住的许可。他在梦溪孤独地度过了生命的最后七年。

他创作了许多著作,但最著名的是Meng ch'i pi t'an (Brush talks from Dream Brook)。他写道[1]:-

因为我只有毛笔和墨砚与我对话,所以我称它为《笔谈》。

这是一份非凡的科学文献,包含他在数学、音乐、天文学、历法、地图学、地质学、光学和医学方面的工作。其中还提到了磁罗盘及其在地图学中的使用。

沈括声称植物化石是气候变化的证据。他在远离海洋的岩石中识别出某些海洋生物的化石,并理解了这意味着什么。在太行山地层中观察到贝壳,他推断这些山脉虽然现在远离海洋,但一定曾经是海岸[1]:-

我看到双壳类贝壳和卵形岩石像带子一样水平穿过悬崖。这曾经是海岸,尽管海洋现在在数百英里以东。我们所称的大陆是淤泥的淹没……

让我们简要看看他的一些成就。首先让我们看看他在数学方面取得了什么成就。首先要注意的是,沈括对数学的看法比中国人通常更为抽象。大多数中国数学是由实际问题驱动的,但沈括乐于为数学问题本身而研究它们。让我们看看他研究的三个具体问题。

他考虑了围棋盘的问题,它有19×19条线,给出361个交叉点。在每个交叉点上,有三种可能性之一:没有棋子、白子或黑子。沈括问有多少种可能性。对我们来说这是一个简单的计算,即33613^{361}。当然,这是一个非常大的数字,沈括的问题是在中国数字系统中表达这样的数字。答案大约是1.74×101721.74 \times 10^{172},沈括将其写为wan wan wan ... wan。这里wan = 10410^{4},他写的是,据推测,43万的乘积。我们说推测,因为抄写员在复制有多少万时犯了错误,可能不理解沈括在做什么的意义。

我们将给出的第二个例子来说明沈括的数学是一个单位大小物品的堆。如果堆的顶部是一个矩形a×ba \times b,堆的底部是一个矩形c×dc \times d,并且堆中有hh层物品,那么他表明堆中物品的数量是((2b+d)a+(2d+b)c+(ca))h/6((2b + d)a + (2d + b)c + (c - a))h/6。Needham [5]将此视为迈向体积积分的一步,如果这有点牵强,人们肯定可以说这里有一种抽象。沈括没有指定物品是什么,但保持公式一般,他取它们为单位体积,并且(故意)忽略物品之间留下的体积。

在他的天文工作中,沈括必须从赤道坐标转换为黄道坐标。这至少需要对球面几何和三角学有一定的理解。事实上,沈括展示了观察空间排列的非凡能力,他给出了圆弧长度的近似公式,用弧所对的弦表示。在这项工作中有证据表明他接近三角学,实际上拥有正弦函数供他使用。

沈括在天文学方面的工作在许多方面都很出色。他试图解释为什么行星在天空中运动时会出现逆行运动周期,正如所观察到的那样。其他中国天文学家只关注行星的位置,从未试图解释所观察到的现象。与试图将所有运动解释为圆周运动的希腊天文学家不同,沈括提出行星以柳叶形运动与绕地球的圆周运动复合的方式运动。据说他还建造了浑仪、水钟和青铜圭表,这是一种指针,其影子可给出正午的时间。

除了Brush talks from Dream Brook之外,沈括还写了Supplement to Brush TalksSequel to Brush Talks。他还写了一部医学著作Good prescriptionsRecord of longings forgotten,后者是关于山中生活的观察,但已失传。他关于历法改革的论著也已失传,他未发表著作的遗稿汇编也失传了大约一半。

Sivin 在 [1] 中写道:-

仅凭兴趣的广博并不能解释 沈括 对中国科学思想研究的重要性。另一个方面是他深刻的技术好奇心。……最重要的是,在 沈括 身上,如同在其他伟大的科学人物身上一样,人们能感受到一种特殊的直接性。作为一个身处过去的重负始终沉重地压于思想工作之上的社会中的成员,他 nevertheless 常常径直越过根深蒂固的结构与假设。

参考文献

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延伸资源

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