留在司天监的硕果

留在司天监的硕果

1070年（熙宁三年）11月，沈括守丧期满，由钱塘回到汴京，升任太子中允、中书省刑房检正官。

由于沈括在天文学方面知识深湛，神宗于熙宁五年让他兼任了司天监的长官。

司天监是朝廷里掌管天文历法的机构，主要负责观测天象，制订历法。

沈括到司天监担任长官之前，监内的情况很糟，既没有懂得天文的专门人才，又缺少可供观测的科学仪器。监里的官员多数不学无术，他们不是侈谈玄理，就是拘泥术数，与科学相去甚远。而观测仪器大多都是前朝的遗物，用以观测天象，总是出现错误，已经无法使用了。正因为如此，北宋以来，虽然多次修改历法，甚至每个皇帝在位时都要颁布一部新历，但都有误差，不能符合实际的节气。

宋神宗是个很有作为的皇帝，立志要把国家治理好。朝中的一切政事他都要亲自过问，每天从日出一直忙到日落，有时甚至连午饭都忘吃了。

神宗即位后，发现历法存在不少问题，曾命令司天监修造新历，但迟迟造不出来。于是，神宗便把希望寄托在沈括身上了。

沈括受到神宗的召见。神宗面带忧色，问沈括到：

“本朝开国以来，多次修造新历，为何都不准确呢？”

沈括答道：

“新历不准，其原因在于历官造历时没有依据天文实测，只是旧历《大衍历》的基础上修修补补，凭着演算方法敷衍了事。《大衍历》是唐代高僧一行大师所制订的，虽其成就远在别的历法之上，但距今已有三百四十多年，误差越来越大了。历官无能，一再因循守旧，小修小补，当然不会准确。”

神宗见沈括说得在理，便说：

“爱卿前去司天监就职，要修造一部新历，颁行天下，供百姓之用。”

沈括连声说：

“陛下放心，臣一定尽快将新历造出来，以利天下。”

神宗笑了笑，说：

“爱卿前去，朕一百个放心。”

沈括见神宗很宠信他，心里深受感动。他暗暗下了决心，要竭忠尽职，以报神宗知遇之恩。

沈括到了司天监，见监里一片混乱，无法开展工作。

沈括首先着手整顿司天监。他罢免了六个尸位素餐的官员，引进了一批士人，特为他们开设了技术训练班，分五科进行培养，经过一段时间后，分派他们在监内工作。

沈括还打破官阶资历和门第等级的成见，大胆地推荐天文数学家卫朴到司天监工作。

卫朴原是一个默默无闻的布衣，也就是平民，进入司天监前一直在楚州（今东苏淮安）北神镇的一所破庙里卖卜。他虽然双目失明，却擅长筹算和心算。他能用算筹运算很大的数字，“运筹如飞，人眼不能逐”（见《梦溪笔谈》）。有人在旁边故意伸手移动了一片算筹，他一触即知，马上随手拨正了。他本领非凡，还可以不用算筹，用心算进行加减乘除，推知古今的日食和月食。随便一个什么数目字，在他耳边一读，他就牢记在心了。一次，卫朴叫人抄写历书，抄完后读给他听。他听着听着，突然喊道：“这里抄错了一个字。”抄写历书的人忙去对照原文，果然抄错了。

沈括虽然整顿了司天监，但京城里面各种势力盘根错节，仍有一些保守分子留在司天监。他们胡作非为，排挤革新派。以沈括为首的革新派虽然给司天监带来了一番新气象，但守旧派对革新派的攻击也越来越猖狂了。

沈括是修造新历的领衔主持者。他和卫朴经过认真的研讨之后，一致认为要使新历准确，一定要修改《大衍历》的闰朔法。具体的作法是必须将熙宁十年正月元日那天的午时改为子时，将闰十二月改为闰正月。

这个正确的革新主张刚一提出，就受到了墨守成规的守旧派的猛烈反击。他们的理由是，新历能不能修成尚未可知，怎么可以将闰朔做如此重大的改变。革新派据理力争，双方辩论得十分激烈。

沈括见争辩不会有什么结果，便决定用事实来说话。

按照制历的法则，冬至前的立冬和冬至后的立春两个节气的日影应该是长短相同的，但用日晷（guǐ）实地测验后，《大衍历》的时候比实际落后了五十多刻。在铁的事实面前，守旧派哑口无言了。

第一个回合取得了胜利，沈括和卫朴开始修造新历了。

为了保证观测天象的准确程度，沈括对几种重要的天文仪器进行了改革和创新，制造了新的浑仪、浮漏和测日影的铜圭。

浑仪古称“玑衡”，安置在高台上，是用来测量天体和日月星辰的运行情况的仪器，历代掌管天文的官员都把它当做主要的观测工具。

沈括到司天监后，发现监中的浑仪有很多缺点，如果只是小修小改，虽然可以勉强对付着使用，但很难保证观测的准确性。在沈括的坚决主张和亲自设计下，先做了一个小小的模型，然后制造出了新的浑仪。

沈括设计的新浑仪，对旧浑仪做了多方面的改革，如尺寸、黄道、赤道、天常环、月道、规环等方面。其中最重要的是取消了月道环以及放大了窥管。

月道环是浑仪是显示月球公转轨迹的铜环；窥管瞭望筒，是一个空心的圆管，一端对准天体，一端可供观测。

旧浑仪上的月道环并不完全符合月球运行的实际情形，和交点运行的科学原理也不相合。同时，月道环还常常遮住窥管，妨碍对天体的观测。

因此，沈括认为，月道环弊多利少，与其虚设图全，不如干脆省掉。事实证明，沈括的大胆改革是完全正确的。

旧浑仪上的窥管直径过小。沈括用它观测北极星时，仅过一两个时辰，北极星就走出了窥管的视域。这样的窥管根本不适用。

沈括决定改革窥管。

他换上了一根直径稍大的窥管进行观测，还是不行。沈括毅然决然地继续扩大窥管的直径。直到扩大到足够的直径，使窥管的视域从原来的一度半扩大到七度时，整整三个月，北极星都没有走出窥管的视域。

这期间，沈括准备了许多白纸，每张纸上各画一个圆圈，每夜分初夜、中夜、后夜观测三次，将北极星的位置画在白纸上，总共画了二百多幅。终于，沈括发现北极星的位置总是在以北极为圆心的一个圆上，距离北极有三度多。

事实证明，用放大了直径的窥管测天体，更为方便和精确了。

接着，沈括又着手改进浮漏。

浮漏是古代的测计时刻的仪器，相当于现代的钟表。

浮漏共分四个部分：求壸、复壸、废壸、建壸。

求壸在最上面，仅作供水之用，水从它的壸嘴徐徐漏入下面的复壶。

复壸是插水壶，下面和侧面都有漏嘴。复壸的水位是一定的。当水位超过侧面的漏嘴时，多出的水就由侧面的漏嘴溢向废壸。这样，复壸中的水就能够由不变的水位而保持恒定的水压，使滴向建壸的水速始终保持均匀一致。

废壸因起分水作用，所以也称“分水壸”。

建壸在最下面，其作用在于受水，壸中有小舟浮在水上，舟上竖着一支带刻度的箭，叫刻漏箭。复壸中的水通过漏嘴不断地滴入建壸，建壸中的水位不断提高，刻漏箭也不断上升，人们便可由此读到几时几刻了。

沈括以前的浮漏，其漏水部分采用的是铜嘴曲颈管子。由于铜嘴易结水垢，阻塞水流，而曲颈管子又很不容易疏通，所以报时往往不准。沈括对此进行了改革，将铜嘴改成玉嘴，将曲颈管子改为直颈管子。

这样，浮漏不但报时准确，而且经久耐用了。

测日影的铜圭也称晷。过去，只用一个铜圭测日影，沈括改用三个铜圭测日影，从而保证了测试的准确性。

为了说明改制天文观测仪器的原理，沈括写出了著名的《浑仪议》、《浮漏议》和《景表议》三篇文章。实际上，这三篇文章的内容并不止于对改制仪器的说明。沈括将他的几个重要的天文学说，都写进这三篇文章中去了。在文章中，沈括对一些传统的和当时的错误天文理论也进行了批驳。

当时，人们普遍认为中国的位置是在地球的东南角。沈括在《浑仪议》中指出，天下各国都规定日出的方向为东，日落的方向为西，而中国人见中国的东南方全是大海，便误以为中国在地球的东南角了，其实这是错觉所造成的。

沈括在《浑仪议》中，还对月球的运行规律做了形象的说明。沈括认为，由于月球是地球的卫星，而地球又是太阳的卫星，所以月球在天体中的实际运动就是它绕地球运转和地球绕太阳运转两种运动的合成。假如把地球绕太阳运转的轨迹比作一根弯成圆圈的软木杆，则月球的运行轨迹就像绕在这根圆木圈上的绳子一样。这个比喻既形象又贴切。

在《浮漏议》中，沈括发展了关于太阳的运动不均匀的学说，指出冬季和夏季一昼夜的长短并不完全相同。过去，人们用浮漏测计时刻，发现冬夏一昼夜长短不同，总怀疑是冬天水发涩，浮漏中的水滴得慢，夏天水发滑，浮漏中的水滴得快所造成的。他们想了许多克服的办法，一直未能解决问题。沈括利用他新制的浮漏，进行了多年的观测和研究，得到了超越前人的见解，第一次从理论上推导出冬至昼夜长度“百刻而有余”，夏至昼夜长度“不及百刻”的结论。沈括做出了正确的解释，把前人一直搞不清楚的事弄明白了。

在《景表仪》中，沈括介绍了造日晷的原理和定向方法，还说明了怎样才能纠正因蒙气差所造成的偏误。

所谓蒙气差，已经天体所发生的光从没有空气的宇宙空间进入地球大气层所发生的折射现象。为了使所测到的日影能够符合太阳的实际情况，沈括提出了一个崭新的方案，利用三个日晷来观测日影，从而对测影法做出了巨大的贡献。沈括在《景表议》中阐述了他的见解和主张，丰富了蒙气差的学说。

沈括的《浑仪议》、《浮漏仪》和《景表议》被公认为我国科技史上的重要文献。

1074年（熙宁七年）沈括负责设计的新仪制成时，曾在汴京的迎阳门举行了隆重的呈献仪式，宋神宗亲率辅政大臣前去观看了新仪的演示，还向沈括询问了改制的原理。

为了奖励沈括制造新仪的功绩，神宗特地提升他为右正宫、司天秋宫正。

熙宁八年闰四月，司天监修造的新历《奉元历》正式颁行了。

按照沈括和卫朴的主张，修造新历必须从观察金、木、水、火、土五星的运行情况入手，来验证推算出来的新历。具体做法是，每夜分黄昏、夜半、拂晓三次观测月亮和五星的所在位置，记录在候簿上。候簿就是观测记录本。观测五年后，去掉阴天和没有星月的日子，可以得到三年的观测资料。然后，再用这些实地测得的可靠资料来修正新历。沈括和卫朴认为，用这种方法修造的新历，一定会超过以前一切旧历的水平。

但是，沈括和卫朴的这个正确主张无法实现！

原来，司天监内的守旧派消极抵抗，始终不肯交出候簿，而观测天象的艰巨任务又决非几个人所能完成。由于实测缺少数据，卫朴的才能未能得到充分的施展。《奉元历》虽然有成功之处，但总的说来，还是不够理想的。《奉元历》预测熙宁九年正月十五日的夜里将发生月食，但没有应验。司天监内的守旧派乘机发难，宋神宗也下令追究修历官员的责任。这时，沈括虽已不在司天监任上，但他仍然挺身而出，替卫朴辩护。他对神宗说：

“卫朴是古今罕见的奇才，他的历术无人能及。因无人支持和配合，难以施展他的才能，太可惜了！”

沈括提出了一个补救的办法，让天文院用浑仪、浮漏、日晷观测天象，每天做记录，三五年后将记录的资料交给修历官员据以修改新历。宋神宗采纳了沈括的建议，卫朴又第二次入监修历去了。

宋朝在宫中设立了天文院，院里有观天台和浑仪、浮漏、日晷等仪器，设备和司天监一样。每天夜里，天文院都要观测天象，必须在皇城开门之前将观测的结果报到宫中。皇城开门后，司天监观测的结果才送到宫中。宫中将两方的观测结果互相核对，以防弄虚作假。后来，两个机构私下商量串通，写出内容相同的观测结果。他们上报的日月星辰位置，都是推算出来的，并没有实地观测。两个机构设置的官员只是白领薪俸而已。

这样，《奉元历》仍然没有达到应有的水平。但它不失具有一定特色和成功之处的。如《奉元历》以365.24358500日作为一回归年，比现代实测所得的365.2422日虽稍大了点，但比以前通行的宋历更为准确。

有句成语是“能者多劳”。这个成语用在沈括身上是再恰当不过了。沈括自从兼任司天监的长官后，还经常被调去做其他朝廷大事。因为沈括博学多才，朝廷有好多事不得不倚重他。

沈括精力充沛，又胸怀大志，因此不喜欢过安乐的生活。让他多做事，正是投其所好了。

他常常念起《易经》上的一句话：

“君子自强不息。”

这句话是他的座右铭。