第三节 地磁场

《梦溪笔谈》中的物理学知识

　　《梦溪笔谈》是我国北宋大科学家沈括的传世著作。沈括在晚年用笔记文学体裁写成《梦溪笔谈》二十六卷，再加上《补笔谈》三卷和《续笔谈》，共列有条文六百零九条，遍及天文、数学、物理、化学、地学、生物以及冶金、机械、营造、造纸技术等各个方面，内容十分广泛、丰富，是中国科学史的重要著作。《梦溪笔谈》中所记述的许多科学成就均达到了当时世界的最高水平。英国著名科学史专家李约瑟称《梦溪笔谈》是“中国科学史上的坐标”。

　　《梦溪笔谈》中涉及物理学方面的内容主要有声学、光学和磁学等各方面，特别是在磁学方面的研究成就卓著。

　　沈括在《梦溪笔谈》中留下了历史上对指南针的最早记载。他在书卷二十四《杂志一》中记载：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常偏东，不全南也。”这是世界上关于地磁偏角的最早记载。西方直到公元1492年哥伦布第一次航行美洲的时候才发现了地磁偏角，比沈括的发现晚了四百年。沈括在《梦溪笔谈》的《补笔谈》第三卷中《药议》中又记载道：“以磁石磨针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不同。”沈括不仅记载了指南针的制作方法，而且通过实验研究，总结出了四种放置指南针的的方法：把磁针横贯灯芯、架在碗沿或指甲上，以及用丝线悬挂起来。最后沈括指出使用丝线悬挂磁针的方法最好。

　　在光学方面，《梦溪笔谈》中记载的知识也极为丰富。关于光的直线传播，沈括在前人的基础上，有更加深刻的理解。为说明光是沿直线传播的这一性质。他在纸窗上开了一个小孔，使窗外的飞鸟和楼塔的影子成像于室内的纸屏上面进行实验。根据实验结果，他生动的指出了物、孔、像三者之间的直线关系。此外，沈括还运用光的直线传播原理形象的说明了月相的变化规律和日月蚀的成因。在《梦溪笔谈》中，沈括还对凹面镜成像、凹凸镜的放大和缩小作用作了通俗生动的论述。他对我国古代传下来的所谓“透光镜”的透光原因也作了一些科学解释，推动了后来对“透光镜”的研究。

　　在声学方面，沈括在《梦溪笔谈》中精心设计了一个声学共振实验。他剪了一个纸人，把它固定在一根弦上，弹动和该弦频率成简单整数比的弦时，它就振动使纸人跳跃，而弹其它弦时，纸人则不动。沈括把这种现象叫做“应声”。用这种方法显示共振是沈括的首创。在西方，直到十五世纪，意大利人才开始做共振实验。至今，在某些国家和地区的中学物理课堂上，教师还使用这个方法给学生做关于共振现象的演示实验。

地磁场正在翻转

　　地球的磁场是由于地核中呈熔融状态的铁的流动而形成，而呈熔融状态的铁的流动模式又与地球的自转有关。因此，地磁场磁极的方向与地球自转轴基本上保持一致。

　　但是，通过研究古代岩石中矿物质排列的方式，科学家们发现，地磁场的两极曾经消失过，留下一个复杂的多磁极的地磁场，然后地磁场的南北极重新出现，但南磁极和北磁极的位置互相调换了。科学家们说，地磁场上一次的转换发生在78万年前，整个转换过程经历了几千年。

　　现在，科学家们认为，他们发现了地磁场将发生下一次转换的早期迹象。他们通过卫星资料对地磁场进行研究，发现南非地壳下的磁场出现异常，那里的磁场方向与地球其他地区的磁场方向不一致，而且，那里的磁场异常已经有几百年的历史，使地磁场的强度被减弱了10％。因此，他们估计，如果照这种趋势发展下去，地磁场将在200万年内发生转换。

地球磁场为什么会颠倒

　　地质学家们对几百万年前的古磁石研究后发现地磁场在历史上曾发生过很多次颠倒的现象.地磁场颠倒时，北磁圾由指向北极转为指向南极(或者相反).研究还表明，磁场颠倒的现象不仅在地球上有，而且在太阳上也有.

　　现代的实验观测表明，地球的磁场强度正在衰减，若以目前的速度衰减下去的话，则大约在1200年之后，指南针将失效.甚至在短时期内会出现“指向紊乱”现象，然后又会渐渐地(几十年或几百年)重新稳定下来，磁场强度也会由小变大，但此时的磁场方向不再是指南，而是指北了.这就是说，原来的指南针变成了指北针. 地磁场的变化和颠倒现象是如何发生的呢?

　　这首先要了解地磁场是如何形成的.间接证据表明，地核是由铁合金组成的.中心附近是固体，其他部份是呈熔融态的液体，这种金属化的流体不停地运动，且以某种方式形成电流，从而产生地磁场.关于这种金属化的熔融效应及其形成电流、产生地磁场的细节，人们目前并不十分清楚.

　　地磁场的外部结构较好地提供了解释上述现象的线索.地磁场包围着地球并延伸到外层空间达几十万公里.我们可以把地磁场想象成一系列看不见的磁力线，它们从地球的南磁极出发，以弧线形状穿过空间进入加拿大的北磁极，再穿过地心形成闭合回路，重新从南极发出.目前一般认为，地磁场的大约百分之九十是偶极磁场，其余是多极场.实际上，地磁场并不那么规则，而是波动起伏和扭曲的；两磁极的位置也不与地理南北极重合(目前夹角约为11°)，并且是在不断变动的.地磁场内有扭转和涡流.在地球上某些区域，指南针的指向偏离真正的磁极方向竟达20°之多.自十七世纪以来，水手们就将这些区域绘制成图，以免误入歧途.从一些观测记录可知，地磁场强度大有起伏，并以20公里／年的速度向西偏移.有的科学家认为，地心中熔融流体正以0.5毫米／秒的速度移动，每天大约走一个足球场长的距离.

　　我们现在观测到的地球表面的磁场只是个次要现象.最主要的磁作用来源于地球的金属熔液之中，根据流行的发电机理论，穿过地心的那部份磁力线被熔融的带电性熔岩流体所截获并受地球自转的牵制，结果是磁力线不正好直接通过地心，而是一圈一圈地缠绕成强度极大的磁力线，好似一卷拉紧了的橡皮条一样.而从地心向上喷涌出的金属熔液的对流会挤压被紧密包围着的磁质物质的小回路，并将其带到地表层，在那里，它们能转向空间发出磁场，然后重新潜入地心再被紧密包裹.地磁场就是这样自我维持着.

　　关于地磁场颠倒的原因，目前主要有两种观点.

　　一种认为，它们可能是对流的偶然特性，即磁极颠倒是随机发生的.假如某处的磁性小回路突然出现且稍多于它处，则其压挤到地表层的小磁场将组成反向回路.在某种情况下，可导致磁极的颠倒.有人还进一步认为，这种过程的间隔时间从3万一100万年不等.

　　发生这种情况时，地磁场首先是完全发生“混乱”，接着是经过一万年的逐渐消失，然后又在相反方向上慢慢加强.当然，也有人认为这种过程并不需要那么长时间，他们认为，地磁极的完全颠倒仅需几千年就可实现.地磁极颠倒发生原因的另一观点认为，地磁场的颠倒并非“随机”事件，而是有一定规律，是可以预报的.只是由于电磁现象耦合于地心流体运动的规律，目前尚未被人们掌握，以致有人认为磁场颠倒是随机出现的.美国明尼苏达大学的一位地质学家苏比·班吉纳最近预测，地球磁场可能在不久之后开始倒移方向.由明尼苏达湖底的沉积岩中获得的资料证明，地磁场已经有七十万年未发生变化了，但其强度在过去

　　四千年间减弱了一半.班吉纳认为，这可能是地磁场倒移的前兆.如果地磁场果真颠倒，估计可能需要几年至几千年的时间.

　　尽管目前对于地磁场的变化和颠倒提出了不少理论或模型，但基本上都处在假设和推测的阶段，并没有一个十分成熟的理论.而且还有许多有关问题，没有人能够作出回答.这一切，都有待致力于地磁研究的科学工作者们继续努力研究和探索.

沈括

　　沈括（1031—1095）不仅是我国北宋时期一位有经世之才的杰出政治家，也是一位学识渊博、成就卓越的自然科学家。《宋史·沈括传》说他“博学善文，于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算无所不通，皆有所论著。”他晚年所著的《梦溪笔谈》是一部十几万言的皇皇巨著，内容极其丰富，反映了我国古代尤其是北宋时期自然科学所取得的伟大成就，记载了他自己许多精辟的学术见解。沈括和他的著作在我国科技史上占据着特别突出的地位，在世界科技史上享有很高的声誉。日本数学家三上义夫称赞沈括说：“日本的数学家没有一个比得上沈括，……沈括这样的人物，在全世界数学史上找不到，唯有中国出了这一个人。”英国著名科技史家李约瑟也认为沈括是“中国科学史上最奇特的人物”，而《梦溪笔谈》是“中国科学史上的座标。”

　　但是，沈括这样一位文武双全的政治家、世界第一流的科技人才，一生中却历尽坎坷，在政治上和学术上都屡遭排斥和打击。沈括所处的时代，北宋地主统治阶段内部革新派与守旧派的斗争十分激烈。宋神宗熙宁二年（1069年），地主阶级革新派的代表王安石被任命为宰相，开始进行大规模的变法运动。沈括积极参预变法活动，受到了王安石的器重，担任过管理全国财政的最高长官三司使等许多重要官职。在这同时，他也被守旧派视作眼中钉，多次遭到诬陷，两度被罢官降职。沈括在政治上是一个坚定的革新派，在科学研究中更是一贯敢于提倡新说，反对墨守陈规。沈括的科技发现和学术创见很多，但大都是在同腐朽的儒教经学传统势力进行反复斗争后才取得的。自先秦以来，僵化的儒教经学曾束缚住了中国历史上无数知识分子的手脚，把他们的主要精力都吸引到“齐家、治国、平天下”的政治目标和自我道德修养上去，而把一切真正具有认识价值的科学知识一概贬作“君子不齿”的“方技”。而且这种传统儒教经学具有极其顽固的抗变性和保守性，只要谁稍稍“有乖于圣学经义”，就会被扣上“离经叛道”的罪名，受到轻则毁誉、重则家破人亡的严惩。因此，中国古代许多曾见诸史籍的重要发现和发明，都 在漫长的岁月中被淹灰了。沈括在自己的学术生涯中，同样未能逃脱这样的厄运。他的许多学术成就都曾被作为异端而遭受排斥，有的甚至被埋没了数百年。这种情况特别典型地表现在他对历法的改革方面。

北宋大科学家沈括

　　在我国北宋时代，有一位非常博学多才、成就显著的科学家，他就是沈括──我国历史上最卓越的科学家之一。他精通天文、数学、物理学、化学、生物学、地理学、农学和医学；他还是卓越的工程师、出色的军事家、外交家和政治家；同时，他博学善文，对方志律历、音乐、医药、卜算等无所不精。他晚年所著的《梦溪笔谈》详细记载了劳动人民在科学技术方面的卓越贡献和他自己的研究成果，反映了我国古代特别是北宋时期自然科学达到的辉煌成就。《梦溪笔谈》不仅是我国古代的学术宝库，而且在世界文化史上也有重要的地位。

　　沈括，字存中，生于浙江钱塘（今浙江杭州市）一官僚家庭。他的父亲沈周（字望之）曾在泉州、开封、江宁做过地方官。母亲许氏，是一个有文化教养的妇女。沈括生于宋仁宗天圣九年（公元1031年），他自幼勤奋好读，在母亲的指导下，十四岁就读完了家中的藏书。后来他跟随父亲到过福建泉州、江苏润州（今镇江）、四川简州（今简阳）和京城开封等地，有机会接触社会，对当时人民的生活和生产情况有所了解，增长了不少见闻，也显示出了超人的才智。他二十四岁开始踏上仕途，最初做海州沭阳县（在今江苏省）主簿，以后历任东海（在今江苏省）、宁国（在今安徽省）、宛丘（今河南省淮阳县）等县县令。三十三岁考中进士，被任命做扬州司理参军，掌管刑讼审讯。三年后，被推荐到京师昭文馆编校书籍。在这里他开始研究天文历算。宋神宗熙宁五年（公元1072年），兼任提举司天监，职掌观测天象，推算历书。接着，沈括又担任了史馆检讨，熙宁六年（公元1073年）做集贤院校理。因职务上的便利条件，他有机会读到了更多的皇家藏书，充实了自己的学识。1075年曾出使辽国，进行边界谈判，次年任翰林学士，权三司使。

　　宋神宗熙宁二年（公元1069年），地主阶级革新派的代表王安石被任命做宰相，开始进行大规模的变法运动。沈括积极参预变法运动，受到王安石的信任和器重，担任过管理全国财政的最高长官三司使等许多重要官职。熙宁九年（公元1076年），王安石变法失败。沈括被诬劾贬官，出知宣州（今安徽省宣城一带）。三年后，为抵御西夏，改知延州（今陕西省延安一带），兼任（鹿+右耳刀）延路经略安抚使。因守边有功，元丰五年（公元1082年），升龙图阁直学士。但是不久又遭诬陷，降职做均州（今湖北省均县）团练副使。哲宗元 二年（公元1087年），沈括花费十二年心血编修的《天下州县图》完成，被特许亲自到汴京进呈。次年，定居润州（今江苏省镇江东郊）梦溪园，在此安度晚年。

　　沈括晚年在梦溪园认真总结自己一生的经历和科学活动，写出了闻名中外的科学巨著《梦溪笔谈》和《忘怀录》等。宋哲宗绍圣二年（公元1095年）逝世。他一生著作多达几十种，但保存到现在的，除《梦溪笔谈》外，仅有综合性文集《长兴集》和医药著作《良方》等少数几部了。《梦溪笔谈》是中国科学史上的坐标，是沈括一生社会和科学活动的总结，内容极为丰富，包括天文、历法、数学、物理、化学、生物、地理、地质、医学、文学、史学、考古、音乐、艺术等共600余条。其中200来条属于科学技术方面，记载了他的许多发明、发现和真知灼见。

　　沈括治水

　　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。

　　唯物主义者

　　沈括具有朴素的唯物主义思想和发展变化的观点。他认为“天地之变，寒暑风雨，水旱螟蝗，率皆有法”，并指出，“阳顺阴逆之理，皆有所从来，得之自然，非意之所配也。”就是说，自然界事物的变化都是有规律的，而且这些规律是客观存在的，是不依人们的意志为转移的，而且这些规律是客观存在的，是不依人们的意志为转移的。他还认为事物的变化规律有正常变化和异常变化，不能拘泥于固定不变的规则。正是这些比较正确的思想观点，促使他取得了那个时代在科学技术方面达到的高度成就。沈括曾提出已知的知识是有限的，人的认识是无限的观点，对科学的发展产生了很大的影响。

　　唯物主义的思想倾向，还表现在沈括十分重视劳动群众的实践经验和发明创造上，他不断地从劳动人民那时汲取智慧和力量。他曾说：“至于技巧器械，大小尺寸，黑黄苍赤，岂能尽出于圣人！百工、群有司、市井田野之人，莫不预焉”。为了探求医药知识，他“所至之处，莫不询究，或医师，或是巷，或小人，以至士大夫之家，山林隐者，无不求访”。在《梦溪笔谈》中，他以敬佩的态度记载了宋朝劳动人民在科学技术上的许多卓越贡献。例如布衣毕（上日+下升）发明活字印刷术，民间匠师喻皓的建筑成就和编著的《木经》，河工高超创造的合龙堵口的先进方法，平民天文数学家卫朴修历的事迹，以及河北工作炼钢、福建农民种茶等许多无名英雄在生产斗争中取得的宝贵经验，等等。正是由于沈括的详细记述，才使得不少作出贡献的劳动人民的业绩得以保存流传下来。

　　唯物主义的思想倾向，决定了沈括对于自然现象和科技成就的记述具有一定的科学性。他观察和描述事物非常细致、具体、准确，没有封建时代一般文人虚词浮夸的坏习惯。因此，通过他的记述，我们能够明确地判断他那个时期生产技术和自然科学所达到的水平。例如，沈拓有关雷电、海市蜃楼、龙卷风、地震以及陨铁等自然现象的记载，非常细致贴切而生动形象，使人们仿佛亲临现场。

　　沈括能够用发展变化的观点研究客观事物，得出正确的结论。他在论述有关数学、气象、医药等许多问题的时候，多次强调要因地因时制宜。例如古代规定二月和八月是采药的季节， 是沈括指出，草药生长由于受自然条件和栽培情况的影响，同时采药又有取根、取叶、取芽、取花、取实等不同的要求，因此，要根据不同情况选下采药时间，不可死板地“拘以定月”。沈括的这一见解是十分合理的。

　　沈括对一些自然现象并不停留在表面的观察上，他还努力探求它的科学道理，提出对事物发展变化规律性的解释。象对雁荡山诸峰和华北平原的形成原因、二十八宿的位置、化石的形成等许多问题的说明，是符合近代科学原理的。为了弄清阳燧（凹面镜）成像的道理，他观察空中飞鸟的影子情况，并亲自移动自己的手，来比较成像的区别，终于作出了比较正确的解释.这些都是他在科学事业上能够获得成功的重要原因。

　　文武双全

　　沈括文武双全，不仅在科学上取得了辉煌的成绩，而且为保卫北宋的疆土也做出过重要贡献。北宋时期，阶级矛盾和民族矛盾都十分尖锐。辽和西夏贵族统治者经常侵扰中原地区，掳掠人口牲畜，给社会经济带来很大破坏。沈括坚定地站在主战派一边，在熙宁七年（公元1074年）担任河北西路察访使和军器监长官期间，他攻读兵书，精心研究城防、阵法、兵车、兵器、战略战术等军事问题，编成《修城法式条约》和《边州阵法》等军事著作，把一些先进的科学技术成功地应用在军事科学上。同时，沈括对弓弩甲胄和刀枪等武器的制造也都作过深入研究，为提高兵器和装备的质量做出了一定贡献。

指南针概述

　　指南针是用磁铁做成的.早在中国春秋时期，人们已发现磁铁有吸铁的功能.指南针是一种指示方向的工具.航海、航空、勘察、探险等都离不开它.在古代，人们戏称它为『航海的眼睛』.

　　发明指南针后，航海便有了「眼睛」.即使到了夜晚的时候，船只也不会迷失方向.在北宋时航海的人，为了辨识方向，白天看太阳，夜晚看星辰，阴雨天则看指南针.南宋时期，航海已用「针罗」，即是将指南针和罗盘结合在一起使用.

　　到了明朝，指南针更显示它的威力.郑和七次下「西洋」，其规模之大，时间之长，在当时真令人叹为观止.郑和率领的航队，计有二万七千人，分乘六十多艘船只，船上不仅有罗盘针、航海图，还有专门测定方向的技术人员.这支船队先后到过印度支那半岛、南洋群岛、印度、波斯和阿拉伯等地，最远到达非洲东岸，途经三十余国，历时二十八年.在这样大规模的远航中，罗盘针发挥着巨大的作用.

　　中国发明的指南针，经阿拉伯人传到欧洲，这对欧洲航海事业的发展有很大贡献.欧洲各国的航海家开辟新航路、发现美洲大陆、完成环球航行，指南针都是他们航海中不可缺少的「眼睛」.

　　指南针制作方法

　　磁铁的两端具有不同磁极，一端为Ｎ极(北极)，另一端为Ｓ极(南极).而地球也是个天然的大磁体.根据「同性相斥，异性相吸」的原理，磁针的Ｎ极总是向着北方，而Ｓ极则总是指向南方，指南针就是利用磁铁这种特性制成的.

　　战国时，人们利用磁铁做成「司南」，这是一种原始的指南针.他们把磁铁磨成勺子的形状，勺柄为Ｓ极，并将它们放在用青铜或木制的漆盘上，盘子四周刻上方位的线格.转动司南，勺柄指向南方，而勺口则指向北方.

　　北宋时，指南针的制作更加完善.古人们用钢片做成「指南鱼」，并用人工磁化的方法将钢片变成磁铁，使它们具有指南的作用，并把它用在军事方面.

司南

螃蟹为何横行

　　世界上的螃蟹，除了一两种特殊的之外，几乎都是横着走路的。这是为什么呢?

　　人们知道，许多动物是依靠地磁场来判断方向的，特别是对于回游、迁徙性动物，地磁场起了很大的作用。但是地磁场不是固定不变的。据古地磁学研究，在地球形成以后的漫长岁月中，地磁南北极已发生多次倒转。地磁极的倒转使许多生物无所适从，甚至造成灭绝。螃蟹是一种古老的回游性动物，它的内耳有定向小磁体，对地磁非常敏感。由于地磁场的倒转，使螃蟹体内的小磁体失去了原来的定向作用。为了使自己在地磁场倒转中生存下来，螃蟹采取以不变应万变的做法，干脆不前进，也不后退，而是横着走。从生物学的角度看，蟹的胸部左右比前后宽，八只步足伸展在身体两侧，它的前足关节只能向下弯曲，这些结构特征也使螃蟹只能横着走。