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11世纪末

沈括著《梦溪笔谈》

在中国江苏省的镇江市,有一座始建于北宋年间的园林建筑——梦溪园,是北宋著名的政治家和科学家沈括晚年的居所。据说沈括在30岁的时候,常常梦见一处风景秀美之地,山青水秀,花木如锦,就托人在镇江买了一块园地。

位于北京古观象台的沈括像Ⓞ

几年后,当他路过此地时,不禁又惊又喜,觉得像是到了梦中所游之地,于是举家迁往镇江。就在这里,沈括举平生所见,撰写了笔记体著作《梦溪笔谈》,包括《笔谈》、《补笔谈》和《续笔谈》三部分,内容涉及天文学、数学、物理学、地理学、生物学、医学、军事学、文学、史学、考古学及音乐等,其中自然科学方面的约占总数的36%,是一部集前代科学之大成的光辉巨著。沈括是一位具有“实业报国”思想的技术官员,他关心科学技术,在很多科技领域都有真知灼见。

在北宋,人们已经制出了世界上最早的指南针,能在看不见日月星辰的时候辨别方向。在《梦溪笔谈》中,沈括不仅记载了指南针的详细制作过程,还指出了指南针不能确切地指示南方,它总会微微向东偏。这就是磁偏角,比欧洲人观测到磁偏角早了400多年。该书有许多光学方面的观察和实验的记录及分析,介绍了凹面镜成像和针孔成像的原理,解释了古代透光铜镜的原理,对光的直线传播、光的折射和虹的形成进行了研究。该书还介绍了很多声学方面的知识,包括乐律、古乐钟的发声以及古琴的制作等,并记载了声音共振实验。

位于江苏省镇江市的沈括故居梦溪园Ⓞ

浑仪Ⓞ

除了在数学方面首创了隙积术和会圆术,《梦溪笔谈》还记载了沈括在天文和历法方面的发现。沈括改进了一批天文仪器,如浑仪,使其更便于观星,又方便又精确。他还利用日晷、漏刻等仪器得出冬至日短、夏至日长的结论,在历法上大胆创新,提出了《十二气历》,较好地解决了古代历法中阴阳历之间难以调和的矛盾。

沈括还以其丰富的阅历,撰写了有关山川、地名沿革与考辨的条目,对各地重要物产、重要生产与生活资料的产销与经营管理等方面做了详细记述,为研究自然地理和北宋时期政治经济提供了宝贵的史料。沈括还考察了温州雁荡山独特地形地貌并提出其成因:“原其理,当是为谷中大水冲激,沙土尽去,唯巨石岿然挺立耳。”这种“流水侵蚀作用”的看法十分正确,比英国地质学家赫顿在《地球理论》中提出该观点早了约700年。该书还记载了大量的科学发明创造,如活字印刷术、炼铜、炼钢、炼油等,其中许多科学成就达到了当时世界的最高水平,并被沿用至今。

《梦溪笔谈》是一部百科全书式著作,在国际上亦受重视,英国科学史家李约瑟评价为“中国科学史上的里程碑”。

《梦溪笔谈》Ⓨ ssGz1c4ROUA9Ix76R38xqaaQJx7HlMOmZ/Wbnff47GkySIz/M6JHiDzjPcXo/twd



1593年

伽利略发明空气温度计

伽利略是意大利物理学家、天文学家,贡献卓著,被誉为“近代科学之父”。他的父亲是数学家,因为家道中落,希望伽利略去学医。当时医生的收入是数学家的10倍还多。但是,青年伽利略偶尔听了一次几何课后,就被几何学深深地吸引,他请求父亲让他学习数学和科学,走上了科学研究之路。

位于佛罗伦萨的伽利略雕像Ⓞ

在进行科学研究的过程中,伽利略还发明了许多用于测量和观察的工具。早在古希腊时期,就有人设想利用空气的热胀冷缩原理制作测温器件,伽利略也决心解决这个问题。在一次试管实验中,他发现试管中水位的上升与下降可以反映试管内温度的变化。

伽利略经过多次改进,终于在1593年制成了世界上第一支空气温度计。这是一根细长的玻璃管,一端开口,另一端做成空心圆球,就像一个核桃大的玻璃泡,管壁上均匀地刻上刻度。使用时,先在管内注入一些水,然后开口向下将玻璃管竖直插入水槽。玻璃球中的空气受热或遇冷,其体积都会发生变化,细管中水柱所对应的刻度也随之变化,这样就能测得温度了。人们从此告别了只能依靠感觉来判断温度的时代。

但是,伽利略发明的空气温度计很容易受外界大气压强等环境因素的干扰,测量误差也比较大,不够精确。伽利略的学生、托斯卡纳公爵费迪南二世决定用液体代替空气温度计中的空气。经过多次试验之后,1654年,费迪南二世研制出了世界上第一支酒精温度计。但人们在使用了一段时间后发现,酒精温度计在测量开水的温度时,温度计内就变得一片模糊,根本看不清读数。原来,酒精的沸点只有78℃,当温度超过这个沸点时,酒精早就变成气体了,所以无法测量。1659年,法国天文学家布里奥利根据水银沸点高的特性,制成了水银温度计。他把玻璃泡的体积缩小,充入水银。这种温度计能测357℃的高温,还能测-39℃的低温。这时候的温度计已经具备了现代温度计的雏形。

第一种实用的温度计是德国物理学家华伦海特发明的。1709年,他制成了一支带有刻度的酒精温度计。当他了解到法国物理学家阿蒙顿利用水银作为测量物质制成了温度计后,又在1714年制成了一支更加精确的水银温度计。他还发明了净化水银的方法,使水银能在温度计中普遍使用。华伦海特所创立的历史上第一个经验温标——华氏温标,单位符号记为℉,至今仍在美国和加拿大地区通用。

一座以华伦海特为主题的沙雕作品Ⓞ

1740年,瑞典人摄尔修斯重新定义水的沸点为100℃,冰点为0℃,这套更为简便的温标被称为摄氏温标,单位符号记为℃。如今,物理学家在科学上更多地采用热力学温标——开氏温标(单位符号为K),定义绝对零度(宇宙中最低温度)为0K,相当于-273.15℃。

耸立在美国加利福尼亚州贝克

摄尔修斯Ⓦ TKyR5vRAc7LxoKMoGN5O/2UDiqJ49cRQIEa6lp8Bv7zcbl6KZqhjOVZmBVp0Gs2q

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