宋代是中國曆史上經濟繁榮和科學技術成果顯赫的時期。由于出版印刷業發達，宋代出現了大量的著述和彙編類書籍。在這些琳琅滿目的文化成果中，北宋沈括所著的《夢溪筆談》因其内容廣博豐富、記述衆多的重要發現和發明及體現的學識、思想而閃爍異彩。英國著名科學史家李約瑟博士盛贊《夢溪筆談》是“中國科學史上的裡程碑”，并說沈括“可能是中國整部科學史中最卓越的人物”。
一沈括與《夢溪筆談》
沈括（1031-1095，一說1033-1097），字存中，浙江錢塘（今杭州）人。其父沈周長期擔任地方官職。其母許氏出身名門，有良好的文化素養，沈括早年的啟蒙教育，就得益于母親。沈括在少年時代，因父親的官職調動而多次舉家搬遷，他先後到過福建泉州、江蘇潤州（今鎮江）、四川簡州（今簡陽）和京城開封等地，開闊了眼界，增長了見識。
沈括二十四歲踏上仕途，初為海州沭陽縣（今江蘇沭陽）主簿，後曆任東海（今江蘇東海縣）、宣州甯國（今安徽甯國縣）、陳州宛丘（今河南淮陽縣）縣令。宋仁宗嘉祐八年（1063）中進士，被任命為揚州司理參軍。三年後被推薦至京師昭文館編校書籍，在這裡開始研究天文曆算。宋神宗熙甯四年（1071），沈括為母守喪後返京，參與王安石變法。熙甯五年（1072）兼提舉司
天監，主持制作新天文儀器。熙甯六年做集賢院校理，因職務便利，有機會接觸皇家藏書。
熙甯九年（1076），王安石變法失敗。沈括被誣劾貶官，出知宣州（今安徽宣城一帶）。三年後，為抵禦西夏，改知延州（轄今陝西延安等地），兼鄜延路經略安撫使。因守邊有功，元豐五年（1082）升龍圖閣直學士。但不久又遭誣陷，降職做均州（今湖北均縣）團練副使。哲宗元祐二年（1087），沈括花費十二年心血編修《天下州縣圖》完成，被特許親自到汴京進呈。次年，定居于潤州的夢溪園。
沈括晚年在夢溪園總結自己一生的經曆和科學活動，寫出了重要的著作《夢溪筆談》和《忘懷錄》等。
沈括一生研究興趣廣泛，人文、自然科學無所阻隔，天文地理無所不容，可稱是文理兼通的學者。沈括勤于著述，據考證他的著作多達四十馀種，可惜多數已佚，除《夢溪筆談》外，僅有綜合性文集《長興集》和醫藥著作《良方》等少數幾部傳世。
《夢溪筆談》是一部筆記體著作。“筆記”之名，原指執筆記叙。筆記的特點一是“雜”，内容不拘，有聞即可錄；二是“散”，形式不拘，可長可短。筆記分幾種類型，就《夢溪筆談》來說，它兼有考據辨證類筆記和曆史瑣聞類筆記的特點，内容相當豐富。
根據胡道靜先生的研究結果，《夢溪筆談》共三十卷，其中《筆談》二十六卷，《補筆談》三卷，《續筆談》一卷。全書有十七目，六〇九條，内容涉及科學技術的約占總數的36%。成書約在1086年至1093年間，現存最古版本是國家圖書館收藏的元代大德九年（1305）陳仁子東山書院刻本。1956年，胡道靜《夢溪筆談校證》出版，1957年，中華書局又出版胡道靜《新校正夢溪筆談》，引錄文獻最多。
《夢溪筆談》中關于科技部分的内容：數學有會圓術、隙積術、妥法等；物理方面有磁偏角、凹鏡成像和聲共振實驗；地理學有論太行化石原來是海、以流水侵蝕解釋奇異地貌成因等；技術方面有畢昇發明活字印刷；河工高超的合龍堵口方法；建築師喻皓的《木經》及其成就；指南針、冶金、石油等；還有醫學和藥物的很多記述；以及工程調度的技巧等等。
二沈括的成就
沈括的最大科研成果是用刻漏測定真太陽日的變化。刻漏計時本來是中國古代科技的強項。曆史事實否定中國古無實驗和邏輯的謬論。沈括的成果表現很突出，他測出了真太陽日的變化。這個成果完全可以從史料的科技分析和實驗再現來證實，但近代卻多有懷疑者。他們以為好懂的事其實并不簡單，可疑的事多是看似簡單卻很深奧。實際上，沈括的這項成就是擺鐘之前世界計時技術的登峰造極，隻是刻漏技術廢止已經三百五十年，人們不熟悉了。直到最近，寫文章講刻漏的還有人說那漏水是一滴一滴地下落，他們從“銅壺滴漏”的“滴”字，望文生義認為那就是一滴一滴地落水。稍加思慮當知，史料說的漏水流量大約是每秒1毫升，一滴一滴地漏怎麼夠用？再進一步讨論，分滴則由表面張力影響，與溫度關系很敏感，怎麼保證精度？麻煩在于刻漏的文獻資料留存極少，沈括的《浮漏議》幾乎是現存唯一的詳細史料，全文保存在《宋史·天文志》，可供複原古刻漏參考。
1979年李志超按《浮漏議》做了複原性實驗（參李志超《中國水鐘史》，安徽教育出版社，2014），發現其計時精度竟能完全不受溫度影響，于是判定中國古代的漏水計時技術具有世界一流水平，從張衡到擺鐘發明，占據世界冠軍寶座至少十五個世紀，是中國科學史上一項重要的成就。
按《夢溪筆談》，沈括用他的玉壺浮漏測知“冬至日行速，夏至日行遲”。他用了“日行”和“天運”兩個概念。日行是太陽的視運動，天運是恒星體系的視運行。天運實質是地球自轉的表現，直到原子鐘開發以前，是最好的時間标準。中國古人以天為大物，日的直徑僅為天球直徑的1/730。故沈括認為天運守恒而日行有變，看法不算錯。太陽投影在恒星背景上的軌道是黃道。早在沈括之前五百年，公元550年前後，北齊張子信在二十四等分一年的各時點，觀測太陽在黃道上的方位，确定各相鄰兩點角距離不等。或者反過來說，太陽在黃道上每走過一個角等分點所用時間不等。現在天文學說法是，地球公轉角速度變化遵守開普勒定律。把變化精細分散到每一天，那就是要測定每日的真太陽日時長，這需要計時精度在二十四小時之間的誤差小于幾秒，即誤差秒數是一位數。用計時方法驗證這個規律，是沈括創為之。沈括的刻漏達到的精度是當時計時技術的極限。他對日行遲速的解說也與現代基本一緻。
當時最熱門的基礎科學是天文曆算，但内行很少。現在有人說：中國傳統天文學是為占蔔服務的，讀一下《夢溪筆談》便不會這樣說了。的确，在北宋開國之初，曾有禁民間私習天文的政令。那是因為當時域内尚未統一，各獨立政權都招募所謂天文術士，實際多為假冒的騙子，其目的是編造天象，為其主公奪取天下的大業作宣傳服務。趙匡胤也不例外，陳橋兵變頭一天晚上，兩個随軍術士就編造出看見兩個太陽互争上下的謠言。所以趙家奪得皇位之後就對這種騙子格外設防。然而一個皇朝不能沒有天文曆法專家服務，再說儒經裡也有很多天文曆法内容，不可能完全禁止學習。所以宋朝政治穩定後，那些禁令就悄悄地廢除了，正史記錄甚至有民間預報日食勝于官方者。沈括就是私習天文的範例。《夢溪筆談》記有科舉考試題“玑衡正天文之器賦”，可證禁習天文的法令已被廢除。這種記錄是重要的史學資料。
沈括提出了十二氣曆方案。在現行公曆中，春秋分和冬夏至分别是3月、6月、9月和12月的21-22日。這是西學以季節定月的實踐，他們雖然沒有二十四節氣，但這曆法實質是十二氣曆，時間大概在公元前8年，早于沈括一千多年。沈括在《補筆談》中講十二氣曆，末尾說“予先驗天百刻有馀有不足，人已疑其說。又謂十二次鬥建當随歲差遷徙，人愈駭之。今此曆論尤當取怪怒攻罵，然異時必有用予之說者。”他所說的怪怒攻罵,有嗎？沒有！歲差概念早在五百年前就有了。參考他的《渾儀議》（載于《宋史·天文志》）：
舊說以謂，今中國于地為東南，當令西北望極星，置天極不當中北。又曰，天常傾西北，極星不得居中。臣謂：以中國規觀之，天常北倚可也，謂極星偏西則不然。所謂東西南北者，何從而得之？豈不以日之所出者為東，日之所入者為西乎？
這段話虛設辯難對手，那種疑問不出于當時天文專家。虛設辯難，用意何在？最可能是他從阿拉伯人處聽到了地球說，不敢大聲說出來，就故弄玄虛。這種做法符合沈括的性格。
按渾天說，天極正下方地面的一點就是地北極，天中正下方一點就是大地的中心。但是不但無人去過地北極，也沒人以實證确認過大地中心，古老的“地中陽城”概念已被遠航否定。那麼，中國的方位就該是東南。但天文學實踐又必須把天極定為正北。唐朝僧一行已經發現矛盾，從中原所測天極出地高度，随向北裡數變化，則可推得地北極離洛陽不超過三萬裡。絲綢之路東西裡程已經超過三萬裡，怎麼兩邊看北極都是正北？所以，沈括提出的問題是渾天說的難點！但他卻和了稀泥，不顧邏輯矛盾做結論。盡管如此，還是要給沈括“點贊”。
數學也是沈括關注的事，其中有一項少有人注意的資料，就是他講光學成像的“格術”。清末廣東人鄒伯奇作《格術補》，鄒氏應是引用沈括的創名。沈括說那是“算家”傳承的，可是從未在中算史别處見有此名此事。從他的記述特征看，那就是幾何學（geometry）的譯名，是他從阿拉伯人那裡學來的。這應是很重要的科學史事件，是沈括接觸西學的一例。從遼代墓有西方黃道十二宮圖可知，西學已開始傳來了。
此外，包括博物學、工藝和醫學的一應記述，很多書刊文章說得很多了，此不贅述。
需要注意沈括的自然哲學觀點。當時的知識分子很難完全擺脫神秘主義，偏好探讨自然奧秘者更甚，因為不解的事太多。他說“事非前定”，否定宿命論，認為世界是在變化的，這是對儒道哲學的繼承。但他不能脫離俗見，偏愛陰陽五行，所論大都不切實際。
三沈括的幾項錯誤
“石油”是一顯例。後周顯德五年（958，陳橋兵變前兩年）就有占城（今越南部分地區）進貢“猛火油”。同時還有朝鮮和中國西北的記錄，比沈括的記錄早一個多世紀（在他去延州前約120年，寫書前約140年）。“火油”曾被用于戰争，他在館閣任史官之職，怎麼會不知道？此後“猛火油”或“火油”之詞多次出現。從造詞而言，“石油”不如“火油”。他卻把史館的記錄隐瞞不提，好像從來沒有這件事，自己立個名叫“石油”。
還有渾儀。唐朝僧一行和梁令瓒做的渾儀到唐末就不見了，《舊唐書》作者還能依據存檔抄錄。歐陽修編《新唐書》時增删《舊唐書》文字，竟緻渾儀的記載完全失真。而沈括不辨真僞，宣稱自己是依照僧一行、梁令瓒之法設計，吹得如何如何高明，可是他設計的渾儀很不經用，很快就被擱置一旁了。二十年後，蘇頌受命檢審渾儀，所寫《進儀象狀》說：已經廢置不用的渾儀有幾架，有新有舊。他把在沈括之前的渾儀叫“新儀”，把沈括的渾儀叫“舊儀”。這顯然是由于沈括的渾儀最早被淘汰。
關于極星方位。天赤道和天北極點是移動的，極點上沒有亮星。現在的北極星距天極約40角分，而在沈括的時代，離天極最近的星不是現在的北極星，是一顆叫“紐星”的星，離北天極約1.5度。沈括不知道天極和天赤道是動的，他以為自古以來這顆星就是“極星”。他要測量這顆星離天極有多遠。一般來說，隻要在冬至前後（夜長大于十二小時）對着天極的大緻方位建立一個瞄準望筒，令天極約略在視野的中心，然後天黑時看定極星方位，過六個時辰（十二小時）再看它的方位，兩個方位點連線的中點就是天極，兩點距離的一半就是極星與天極的距離。可是按沈括的方案要搞一個月，畫上百張圖，結果卻給出了一個錯誤數據：3度馀，是實際距離的2倍！他是怎麼搞錯的？因為他把渾儀的空心中軸作望筒，從筒的下端向上望，瞄準不經過中心，誤把圓心角當圓周角，于是就差了2度(參李志超《天人古義》)。
這一錯誤竟使得本來很先進的中國天文學遲遲沒有進入地心說，更不用談日心說了。從漢武帝時代開始的渾天說以為地與天一樣大，天是球殼，地是天球正中的平闆，認為這是天與地為陰陽對偶關系的表現。而西方天文學很早就知道地心說，沒有地心說就沒有日心說，沒有日心說就沒有牛頓定律，所以近代科學是從歐洲發轫的。中國人本可以從天極和天赤道的移動發現地心說，但卻一直不知道天極和天赤道是動的，從晉代就知道黃道與赤道的交叉點在動，卻以為是黃道動。唐朝僧一行時所測極星與天極距離是半度。郭守敬所測是“極星去不動處三度”，也是對的。按渾天說，太陽直徑隻是天地直徑的1/730。如果堅持精确測定極星與天極距離，原可從多年多次測量中發現天極軌迹，從而得知是赤道動不是黃道動，卻被沈括攪糊塗了。直到利瑪窦來華，才确認歲差是天赤道在動。
（作者單位：中國科技大學）