沈括一生为官,四处飘泊,几乎走遍了大半个中国。峭拔险怪的名山,一碧万顷的平川,烟波浩渺的湖泊,飞湍急流的江河,到处留下他的足迹。他深邃的目光,透过青山秀水,看到了它们的沉浮变迁。比如在雁荡山,沈括发现了一个奇怪的现象:他曾游览过不少名山,都是从岭外便能望得见峰顶,而雁荡山却不然,只有置身山谷,才能看到高耸入云的诸峰。经过再三琢磨,沈括得出了结论:是山谷中的大水,将泥沙冲尽之后,这些巨石才高峻耸立,拔地而起的。而且,雁荡山的好多独特景观,如大小龙湫、初月谷等,也都是大水长年累月冲凿的结果。由此,他联想到西北那土墩高耸的黄土区,和雁荡山的成因相同,也是大自然的杰作,只不过一个是石质、一个是土质而已。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。通过观察雁荡山诸峰的地貌特点,分析了它们的成因,沈括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。
神宗时,沈括担任经略使。有一年在延州,黄河大堤崩了,并出现裂痕,中间出现竹笋林。这太奇怪了,沈括进行了仔细地考察。他看到一大片根干相连,都化为石的竹笋,真是罕见,根本无法知道这是什么年代的东西。沈括就想:这儿的环境不适合竹子生长,可是却怎么会有竹笋的化石?想了好久,他得出结论:“是不是从前这里气候温暖潮湿,适合竹子生长呢?”沈括觉得他这个结论还是很科学的。在此基础上,他还观察研究了从地下发掘出来的桃核、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,以及古环境变迁、植物地理分布的制约因素等。同时,他还考察了黄河三角洲并提出三角洲是黄河泥沙堆积而成的,这些见解用今天的眼光来检验也是正确的。他提出广种树木、保护树木以涵养水份的观点,也完全符合当代的保护环境的理念。这些都表现了沈括可贵的唯物主义思想。
沈括关于因水侵蚀而构造地形的观点,在当时只有阿拉伯的一位科学家“英雄所见略同”,直到七百年之后,英国科学家赫登才完整地运用了这一原理论述地貌变化。另外,在冲积平原成因的解析方面,在“化石”的命名以及地形测量和地图绘制等方面,沈括的贡献也极有价值。
宋仁宗时,有一天,一位大臣捧着一颗龙蛋来见仁宗,大臣振振有词地说是从黄河中漂来的。漂来龙蛋,岂不象征着大宋上承天运吗?这可是祥瑞,仁宗大喜,并重赏了那位大臣,并派人把龙蛋送到金山寺里供奉了起来。这个龙蛋送到寺里不久,寺里发水了,冲了寺。大臣们嘀咕,这龙蛋是灾星,带来了灾难,当然他们不敢跟皇上说。仁宗也嘀咕,但是要推翻自己的说法,又实在不妥。于是再也不提这件事情了,龙蛋也就再无人过问了。这龙蛋到底是什么样的呢?沈括就想去看个究竟。原来这龙蛋跟鸡蛋差不多,只是特别大而已。但当时沈括也只能是看看,不敢深入研究,因为这涉及到皇帝的体面。到了英宗时,泽州一户人家挖井时挖到龙蛇一样的东西,不敢动,放了好久,还是那样。胆大的摸了一下,原来是石头。后来打碎了,众人给分了。沈括后来见到一块,看到有棱有角,像蛇身上一样,不过特别大,沈括研究了许久,得出结论:这是一块蛇化石。
沈括在地学方面的卓越的论断,反映了我国当时地学已经达到了先进水平。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,却仍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(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,经过近二十年的坚持不懈的努力,终于完成了我国制图史上的一部巨作——《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。
沈括为了维护宋朝边境的安全,十分重视地形勘察。有一次,宋神宗派他到定州(今河北定县)去巡视。他假装在那里打猎,花了二十多天时间,详细考察了定州边境的地形,还用木屑和融化的蜡捏制成一个立体模型。回到定州后,沈括要木工用木板根据他的模型,雕刻出木制的模型,献给宋神宗。这种立体地图模型当然比绘制在纸上的地图更清楚了。宋神宗对沈括画的地图和制作的地图模型很感兴趣。第二年,就叫沈括编制一份全国地图。但是不久,沈括受人诬告,被朝廷贬谪到随州(今湖北随县)去。在那里,环境虽然很困难,但是他坚持绘制没有画完的地图;后来,他换了几个地方的官职,也是一面考察地理,一面修订地图,坚持了十二年,终于完成了当时最准确的一本全国地图——《大宋天下郡守图》。
《大宋天下郡守图》是他用“飞鸟图”创造并绘制出来的,这使得北宋的地图越来越精确。在宋代,由于测绘技术的局限,绘制地图用的是“循路步之”法,也就是沿路步行丈量,用步行得出的数据绘制地图,由于道路弯弯曲曲,山川高低错落,用“循路步之”法绘制的地图与实况有很大的误差,图上差之一厘,实地就差之千米。他采用“飞鸟图”也就是“取鸟飞之数”,用的是飞鸟直达的距离,有点像现在的航空拍摄,使得地图的精确度大为提高。令人没想到的是,他的地理学说与《大宋天下郡守地图》在与辽国的边界谈判中发挥了重要作用,起到了十万士兵都难以达到的威力。
北宋与辽国之间战争不断,签订《澶渊之盟》后双方罢兵休战。辽国垂涎中原地区的繁华,仗着骁勇的骑兵,不断提出领土要求。自从宋真宗以后,宋朝一直依靠每年送大量银绢,维持了几十年跟辽国暂时妥协的局面,但是辽国欺宋朝软弱,想进一步侵占宋朝土地。宋熙宁八年(1075年),辽国派大臣萧禧来到东京,要求重新划定边界,他提出的边界是山西北部的黄嵬山(在今山西原平西南),黄嵬山以北为辽国所有,以南为宋朝所有,宋朝如同意他的要求,等于将辽国的领土向南推进了三十多里。
黄嵬山是一座默默无闻、名不见经传的山脉,北宋大臣对此山几乎是一无所知,朝廷上下顿时乱作一团。宋神宗派大臣跟萧禧谈判,双方争论了几天,都没争论出个结果。萧禧坚持说黄嵬山一带三十里地方应该属于辽国,宋神宗派去谈判的大臣由于不了解那里的地形,明知萧禧提出的是无理要求,可就是想不出办法反驳他。就在这危急关头,宋神宗猛然想起了熟识地理的沈括,于是赶紧命他出任谈判特使,指示他既不能随意向辽国挑衅,但也不能向敌示弱而接受无理要求。
沈括精通地理,而且办事认真细致。他首先到枢密院,从档案资料中把过去议定边界的文件都查清楚了,证明那块土地应该是属于宋朝的,而他所凭借的依据就是《天下郡国图》。他把自己在《天下郡国图》中所查找到的资料向宋神宗汇报了一番,宋神宗听后,非常高兴,马上就命沈括画成地图。地图画成之后,宋神宗就送给萧禧看,并向萧禧说明地图中的边界:两国曾按《澶渊之盟》划分边界,边界是白沟河,白沟河以北为辽国领土,以南为大宋领土,而黄嵬山在白沟河以南,是大宋的领土,而不是辽国的领土。萧禧没有一张自己的地图,更不知道黄嵬山的准确方位,在地图面前,他顿时感到理亏三分,气焰不知不觉地矮了一截,争论了几天后,双方都无功而返,但也没有将争论推向极端。此时的萧禧也不像先前那样振振有词了。
不久,宋神宗派沈括出使上京(辽朝的京城,在今内蒙古自治区巴林左旗南)。沈括在出发之前做了大量的准备工作,他首先收集了许多地理资料,然后叫随从的官员把这些资料都背熟。来到上京后,辽朝派宰相杨益戒跟沈括谈判边界,辽方提出的问题,沈括和官员们对答如流,有凭有据。沈括又再次提出以《澶渊之盟》为基础,以《天下郡守图》为依据,有理有节,寸步不让,而辽国宰相却找不到重划边界的理由。杨益戒一看没有空子好钻,就板起脸来蛮横地说:“你们连这点土地都斤斤计较,难道想跟我们断绝友好关系吗?”这时,只见沈括理直气壮地说:“你们背弃过去的盟约,想用武力来胁迫我们。真要闹翻了,我看你们也得不到便宜。”随后,沈括又出示了宋朝的木制地形模型,这使得辽国宰相大为惊奇,深感宋朝有奇才能人。在充分的证据面前,辽国宰相无话可说,只好放弃了他们的无理要求,沈括运用智慧捍卫了宋朝的尊严,他不愧是一位出色的外交家与地图学家。
沈括带着随从的官员从辽朝回来,一路上,每经过一个地方,他便把那里的大山河流,险要关口,画成地图,还把当地的风俗人情,调查得清清楚楚。回到东京以后,他把这些资料整理起来,献给宋神宗。宋神宗龙颜大悦,直夸奖沈括立了大功,为犒赏他,加封他为翰林学士。