奇才沈括：一个历经沙场的科学家，是如何提升北宋军备水平的？丨新知
文博时空/文 文博时空 作者 尹博 元丰五年（1082年）十月十七日，沈括因兵败永乐、应对失当，被贬官安置随州。到随州后，居于法云禅寺，无亲无故，三年见不到旧友，行动也受到很大限制。随州的三年是沈括一生中最忧伤、灰暗的时期，他开始重新审视自己的政治生涯，甚至对从政萌生出一丝“悔意”，悲叹中写下“野草粘天雨未休，客心自冷不关秋。寨西便是猿啼处，满目伤心悔上楼。”
直到元祐四年（1089年）九月，沈括才获准在外州居住。接到诏命后，沈括就举家搬迁至早年在润州购置的梦溪园，在此隐居。沈括与梦溪园可谓有缘。三十岁时，他常梦见一风景秀美之地，山明水秀，登小山，花木如覆锦；山之下有水，澄澈悦目，心中乐之，因欲谋居。后来他托人在镇江（古时称润州）买了一块园地。几年后沈括路过镇江，见其地，不禁又惊又喜，觉得宛若“梦中所游之地”，于是将门前小溪命名为“梦溪”，庭院命名为“梦溪园”。
告别沙场，远离朝廷，58岁的沈括终于回到了他的梦想之地，从此隐居于此（“予退处林下，深居绝过从”），撰写《梦溪笔谈》。此时，沈括的心情可能是很平静的，因为他寂寞到无人对谈，只能“笔谈”。30卷、609条目的《梦溪笔谈》中，有20条是与军事相关的，其中包括他亲历的战事，他所了解的攻防策略，更有他亲自参与改造成功的“神臂弓”。回首戍守边关出使辽国的慷慨激昂，守安疆界抵御西夏的胜利，出生入死的一幕幕展现在眼前，烛光下的沈括怎能不掩面长叹？
戍守边境沙场、负责制造武器的“军器监”……这些独特的经历与阅历，成就了沈括在军事上的见闻，使他成为历史上少有的科学家兼实干家；沈括的军事才能被欣赏，但最后断送了他仕途的也是沙场的兵败。可如果不是被贬隐居，他又怎能安心撰写《梦溪笔谈》呢？祸兮福兮，时也命也，沈括晚年终于回归到他真正擅长的东西，留下盖世科技奇才的美名，实属大幸吧。
沈括像
01
沈括与北宋武器研发
沈括从小就很勤奋好学，在双亲的帮助下，14岁便阅读完了家中的藏书。少年时期沈括跟随父亲周游各地，开阔了他的视野，泉州、润州、简州和汴京等地都有他的足迹。皇祐到治平（1049-1067）年间的官宦生涯，也为沈括积累了更充足的学识与阅历。正是在与社会的接触中，沈括对社会生活有了很多观察和体认，这也激发了他对发明创造的兴趣。
沈括能把注意力放到武器研发上，离不开北宋时期整个社会对于军事武器研发的重视。北宋的武器研发压力主要来自漫长的边界线上与辽、西夏的冲突。游牧民族的游走作战给北宋边防带来了相当大的压力。北宋国土面积越来越小，辖区又缺少适合养马的操场，不产好马，在与长于骑马作战的辽、西夏这些游牧民族的对抗过程中经常处于劣势。笨重的步兵无法很好地处理灵活的骑兵，而北宋没有好马，骑兵又很弱，新式远程武器的研发就迫在眉睫。
辽 北宋时期全图
北宋前期，出于加强边防的需要，仁宗庆历年间的天章阁待制曾公亮与翰林学士丁度曾主持编纂中国第一部新型兵书——《武经总要》，可以称得上是集古代兵器之大成的百科全书。它不仅记载了军事理论思想，还描述了冷兵器和热兵器的情况，并附各式各样的插图以及楷书的文字说明。北宋初年也专门设置了生产各式兵器的南北作坊和弓弩院，制造各种强劲武器，据称当时南北作坊的武器年产量达3万多件，宋太祖赵匡胤隔10天就要检查一次。北宋对军事武器的重视可见一斑。
《武经总要》
当然，沈括在军事上发明创造的动因，除了北宋整体社会风气的影响，更多还在于熙宁、元丰（1068-1085）时期沈括实际的戍边行动的刺激。熙丰时期正是浩浩荡荡的王安石变法的进行时期，王安石针对北宋“积贫”“积弱”的社会局面，从财政、军事、科举三方面大加改革。
沈括有着多年的从政经验，在治水、天文仪器等方面显示出了充分的改造才能，沈括主持的治水工程、参与的历法编纂都取得了非常好的成效，由此在熙宁四年起（1071），沈括也为王安石和宋神宗重视。熙宁七年（1074），沈括调任河北西路察访使，提举河北西路义勇、保甲公事。河北西路地处北疆，与辽接壤，沈括的工作重心即是当地的军政和边防。
北宋河北东路、河北西路、河东路
沈括在河北西路担任访查使的时候，政府要求每户人家交马匹作为赋税来保卫边境，大家都觉得北宋的战马肯定打不过游牧民族的战马，但碍于政府的强制又不得不做，民众对此怨声载道。沈括一到当地，就立即指出：“北方地区马匹多而且人们习惯于骑马作战，这就好像我大宋朝的弓弩是特别强大的一样，舍长取短又怎么能取胜呢？”
北宋 《大驾卤簿图书》（部分）
注：图中所展示为北宋南郊大礼的弓弩部队。
大概正是在此次戍边活动中，沈括认识到了北宋军事武器的研发对于军队战斗力的重要性，既然马匹不行，那就加强弓弩等远程武器的研发。沈括的武器研发活动几乎都是在调任河北西路之后喷薄而出的。在河北西路积累了经验之后，随后的熙宁八年（1075），沈括返京，开始负责专门制造武器的军器监，监督兵器的生产并改进兵器的制造方式。
军器监是王安石变法后的产物，是一个比较新的机构。在王安石的强兵之法中，熙宁六年（1073）实施军器监法，效仿唐代广设军器监，招募工匠、改良武器、监督军事生产。在沈括负责军器监后，他的军事武器制造才能迅速展现出来。
沈括题名摩崖题记
注：图为沈括于浙江省乐清市雁荡山龙鼻洞的摩崖题记。“摩”本义为研磨，刻在岩石上的文字或图画称摩崖。熙宁六年（1073），沈括游于雁荡山，故有此题名。
02
“神臂弓”与火药武器
熙宁八年（1075），沈括判军器监，他将武器改造的目光首先移到了弓弩制造上。沈括对弓弩是特别有研究的，他提出“弓有六善”：性体少而劲、和而有力、久射力不屈、寒暑力一、弦声清实、一张便正。这是对古代高质量弓弩的精湛理解。
在军器监期间，他成功改造了著名的“神臂弓”。《梦溪笔谈·器用》中有：“熙宁中，李定献偏架弩，似弓而施干镫。以镫距地而张之，射三百步，能洞重扎，谓之‘神臂弓’。”神臂弓其实就是弩的一种，外表看起来像弓，不过射程要比普通的弩箭更长，而且威力更大。
神臂弓复原图 图源：《中国古代兵器大百科》
神臂弓复原图 图源：《中国古代兵器大百科》
北宋“神臂弓”图示
神臂弓的射程能达到三百米左右，需要架起来使用，想要搭弓射箭需要用脚蹬住才能做到，精准度十分高，而且可以射穿盔甲。后来的金朝名将，完颜宗弼（也即金兀术，金太祖完颜阿骨打的第四个儿子）就评价道：“我昔日向南方征战，看见宋人用的军事武器，最妙的就是神臂弓，其次就是重斧，别的就没什么害怕的了。”据说，宋人抗击金朝的时候，就是依仗神臂弓，如果丢失一个就要依军法处置，宁可破坏掉也不能留下让敌人仿制。可见其对游牧民族作战的效果拔群。
沈括并不是“神臂弓”的首创，前文提到的李定是一党项的酋长，李定献此强弩后由宋神宗赐名“神臂弓”，宋神宗命人对此仿制。但为何不直接按照“神臂弓”的做法制造“神臂弓”，而是要“仿制”？原因在于，西夏的此类弓弩是使用西夏的材料，弓身、弓弦和箭矢的材料等诸多方面会极大制约弓弩的威力，西夏有的材料，北宋不一定有。相传西夏的此类强弓要用西夏所产的坚韧木材和牦牛的角来制作，制作步骤也是保密的，故而哪怕是敌方酋长带着“神臂弓”和制作技术来投，北宋想要大量仿制此类弓弩也是需要不断试错的。
由于弓弩的制造是一个国家的机密，现存的史书里并没有详细的介绍。沈括戍守边关的实地经验让他深深认识到了“神臂弓”作为武器的巨大潜力，于是上书力荐大量制造“神臂弓”。熙宁八年九月，沈括开始掌管兵器铸造，十一月就有所斩获，“八年十一月十六日，军器监进再造神臂弓。”次年五月，军器监的武器产量更是一下子增加了十几倍。沈括对“神臂弓”的改进，应是通过不断试错，在北宋的物产中找到可以替换的材料，如此“神臂弓”的产量才能大幅提升。
在沈括领导下，军器监也负责改进和监督火药武器的生产，军器监同样有专门的火药制造机构“火药作”。火药武器作为我国古代最早应用于军事的火器，被称为“军中之利器”。
火药用于军事的开始是唐昭宗天祐元年（904）在江西南昌的一次战争，将领郑璠使用“发机飞火”带领壮士攻城，所谓“飞火”，就是火炮、火箭之类。弓弩往往可以和火药搭配使用，火箭就是在弓箭前方绑缚火药桶，利用火药的推力发射弓箭的火器。
随着宋代火药技术发展，火药武器的类型变得更加多样，《武经总要》中详细地记载了宋军装备的火球类火器、火药箭类火器等重要火药武器。火球类火器有火球、毒药火球、蒺藜火球、霹雳火球、烟球、竹火鹞、铁嘴火鹞等；火药箭类火器有弓火药箭、弩火药箭、火药鞭箭等。沈括的火药武器生产，主要生产的就是这些火球类和火药箭类火器。
宋 绿釉瓷蒺藜火球
北宋蒺藜火球、引火球图示
北宋竹火鹞、铁嘴火鹞图示
03
“猛火油”与石油及石油墨的命名
沈括最早提出并使用了“石油”一词，为石油命名。沈括领导的军器监中，专门设立了“猛火油作”，就是军用石油加工场。北宋人很早就意识到了石油对武器制造的作用。不过在沈括领导军器监时，他还没有把制作“猛火油”的原料称作石油。沈括对石油的命名是元丰三年（1080），改知延州，兼任鄜（fū）延路经略安抚使，抵御西夏后发生的。
《武经总要》中介绍了一种名叫“火罐”的火药武器，与用“猛火油”做成的“猛火油柜”“筒柜”相配合，可以用来防卫城池。如果遇到敌人攻城，就可以使用这些武器烧灼他人，水都无法扑灭这种烧灼，是十分强大的武器。军器监制造的“猛火油”，应该也是主要作守城之用。
北宋猛火油柜图示
沈括在被贬延州抵御西夏时，看到了当年炼制“猛火油”的原料，遂取名为石油。沈括的《梦溪笔谈》中记载：“鄜、延（鄜州、延州，今陕西延安一带）境内有石油”，并且说：“（石油）生于水际，沙石与泉水相杂，惘惘而出”。沈括记载，当地的人用鸡毛把石油一点一点收集起来，石油的颜色漆黑，可以燃烧冒烟，熏黑周围的事物。
石油是从石头中出来的，又像油脂，命名为石油十分贴切，沈括还为石油写了一首七绝：
《延州诗》
沈括
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。
这首诗说石油的烟比洛阳的马车还容易熏黑人的衣裳，冬天还没过去，衣服就都变黑了。沈括注意到石油可以染色的作用，石油“燃之如麻，但烟甚浓”，而“墨光如漆，松墨不及也”，因此沈括想到了用石油制墨，还认为石油墨会“大行于世”。
但石油墨并没有被当时的人多加注意。一方面因为石油裸露地表的比较少，当时开采技术没到。另一方面是石油墨品质也没有那么高，古人对墨要求比较高。后来到工业时代，石油大规模被开采和使用，传统的墨才被石油墨所取代。
沈括自身广博的兴趣、研发军事武器的热情，加之北宋统治者对武器研发的重视，共同成就了沈括的军事武器发明。国际知名的汉学家李约瑟曾评价沈括道：“（沈括是）中国整部科学史中最卓越的人物。”“（《梦溪笔谈》是）中国科学史上的坐标。”沈括有着沙场的真实经验，使得他对军事武器有比较高的重视，尽管其兵败永乐，仕途也因此次兵败毁于一旦，但其军事武器的制造能力是不可否认的。《梦溪笔谈》中记述了不少军事相关的事象，从军事武器的角度去认识沈括科学史的地位也许是不无裨益的。
【相关典故与科学成就】
沈括对天文、地理、方志、律历、音乐、医药、卜算、考古等都颇有研究。《梦溪笔谈》中还记录了一些有趣的故事。
1. 沈括读《大林寺桃花》
白居易《大林寺桃花》有：“人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开”，年少的沈括对此非常不解，为什么在四月，山下的桃花都开败了，山上的桃花却刚刚开呢？于是，沈括便邀请几个小伙伴上山游玩看桃花，发现确实山上的桃花开得极好。沈括非常困惑，百思不得其解，当一阵冷风吹过，沈括忽然一下子想到：“我明白了！地势高的地方气温就会比较寒冷，花开得就晚啦！”
这个故事是否真实，已经无从考据了，也许是民众间的口口相传，让这一故事在今天仍旧有生命力。但《梦溪笔谈》确实记载了沈括对白居易《大林寺桃花》的评价：“盖常理也。此地势高下之不同也。”可以确定的是，沈括确实有科学探索精神，能写出《梦溪笔谈》绝非偶然。
2．沈括观测黑龙
熙宁八年（1075），沈括曾出使辽国。正是此次出使的经历，给沈括留下了深刻的印象。在晚年写作的《梦溪笔谈》中，他记述道：“在黑水西侧有一峻山，山上供有一座射龙庙，其内有一巨大骸骨。”
相传，辽太祖耶律阿保机曾见过真龙。920年，辽太祖耶律阿保机全副武装外出骑马打猎，到一地广人稀的荒野处，忽然天空狂风大作、电闪雷鸣，大风吹得耶律阿保机身形摇摆，胯下的骏马也瑟瑟发抖，想要逃跑。耶律阿保机脸色阴晴不定，也在思考要不要打道回府，但天气又实在恶劣，不知如何是好。恰在此时，天空又忽然变暗，耶律阿保机疑惑抬头，便见一黑龙在天空飞舞盘旋，向其扑来。
辽太祖勇猛过人，此时并未害怕，而是直接搭弓射箭，一发箭矢如脱缰野马奔向黑龙躯体将其射杀。巨大的黑龙哀嚎着从天空重重摔下，从此没了声息。之后耶律阿保机便将黑龙骸骨作为自己英勇的象征。沈括观察到的黑龙骸骨疑似即为当年耶律阿保机故事。
3. 扬州明珠：详细描述了宋代一次有名的UFO事件
在北宋嘉佑年间在扬州出现了一只巨大的“珠”，常常在夜晚时可见。开始时它出入于天长县陂泽中，后来转入甑社湖，随后又在新开湖中现身，当地的居民和南来北往的行人常常能见到它。沈括的一位友人的书斋正建在湖上，一天夜里，忽然看见这颗巨“珠”，离他还非常近。开始时，“珠”房微微的打开，有光自吻沿处透出，像横着的一条金线。突然，“珠”房大开，有半席那么大，里面白光如银，中有一颗如拳大的宝珠，耀眼夺目，不可正视。方圆十几里地的树木都能看见影子，它放出来的光芒像初升的太阳，只见天空火红一片，犹如燃烧的野火。倏然之际，“珠”飞一样地远去，像耀眼的太阳，浮于湖面上。这颗珠放出的光不像古时的明月之珠，似月光，而是光芒万丈，如同日光一般。
镇江举行纪念沈括逝世890周年学术讨论会，时任中国科学院自然科学史研究所所长席泽宗讲到：“人们注意到《梦溪笔谈》369条，认为可能是古代已有UFO飞降地面的证据。
4. 记述亲自观看佛牙的经历
《梦溪笔谈》中有一卷《神奇》，专门记录种种超乎自然的事情，其中这件是沈括亲身经历的：
熙宁中，予察访过咸平，是时刘定子先知县事，同过一佛寺。子先谓余曰：“此有一佛牙，甚异。”余乃斋洁取视之。其牙忽生舍利，如人身之汗，疯然涌也，莫知其数，或飞空中，或堕地。人以手承之，即透过；着床榻，摘然有声，复透下。光明莹彻，烂然满目。余到京师，盛传于公卿间。后有人迎至京师，执政官取入东府，以次流布士大夫之家。神异之迹，不可悉数。有诏留大相国寺，创造木浮图以藏之。今相国寺西塔是也。
沈括以很虔诚的态度（先斋戒），观看佛牙，佛牙突然化生出许多舍利，多到不可数，空中飞舞，用手接即透过，掉到床榻上有声音，也能穿过。舍利光明灿烂，后藏于相国寺西塔。
5.沈括在天文历法方面的成就
沈括在天文历法方面取得了很多成就。治平二年（1065）时，沈括编校昭文馆书籍，参与详订浑天仪，并在闲暇研究天文历法之学。在之后，沈括在天文历法方面展现了更多的才能。熙宁五年（1072），沈括提举司天监，进行了大量改革。
北宋时期，司天监天文院和翰林天文院是两个负责观测天象的机构，二者职能相同，都负责观测天象，预示吉凶祸福。两个机构设立的初衷本来是为了相互监督，防止一家独大，但两个机构的负责人却互相串通，敷衍了事。待沈括去任职时，发现司天监的人工作十分不认真，观测也不仔细，有些简直就是对天文历法一窍不通，纯混日子。
沈括主持司天监后，就大量裁汰了那些不负责任、不合格的官员，招募了很多精通天文历法的人才，来编纂新的历法，有效改善了以往冗杂的机构设置。他还举荐了一个叫卫朴的民间学者，卫朴此人在民间算卦，却极精通天文历法，沈括对此大加赞美，不管他身份低微与否，唯才是举。在熙宁八年（1075年），新的历法《奉元历》出现，确定365.24358500日为一个回归年，和现在的365.2422日相当接近。
对于天文仪器，沈括也予以改良，新的浑天仪也被制造出来。沈括还就天文历法写作了很多文章，反映了他极高的理论修养，可谓当时天文学的最高水平。
6．沈括绘制地图
熙宁七年（1074），沈括担任河北西路察访使期间，为了全面显示当地的地理风貌，曾制作一种立体的地图“木图”。
《梦溪笔谈》记载：“予奉使按边，始为木图，写其山川道路。其初遍履山川，旋以面糊、木屑写其形势于木案上。未几寒冻，木屑不可为，又熔蜡为之。皆欲其轻，易赍故也。至官所，则以木刻上之。上召辅臣同观，乃诏边州皆为木图，藏于内府。”沈括详细考察了当地地形，亲自步履山川，用面糊和木屑模拟山川地貌，堆积木案上，但因为天气寒冷，木屑不方便处理，就又用蜡塑形，再用木刻。熙宁八年（1075），沈括向神宗上呈“木图”，也得到了神宗的青睐。
熙宁九年（1076），沈括被任命编绘天下州县图，之后沈括的仕途十分不顺利，历经贬官、兵败、流放，对政治已心灰意冷，但他始终惦念着编绘地图的工作。历时十一年，沈括熙宁九年（1076）以来的材料，终于在元祐二年（1087）编成地图，正式定名为《守令图》，次年（1088）上报朝廷。之后沈括得到了自由活动的权利，元祐四年（1089）搬家到了早年购买的梦溪园，隐居创作《梦溪笔谈》，绍圣二年（1095）病逝。
图片 | 尹博
排版 | 小谢
设计 | 尹莉莎