沈括的生平和他的政治生涯
1.政治上的建树
沈括（1031~1095），钱塘（今浙江杭州）人，字存中。父亲叫沈周，一生都在各地做官。母亲许氏，很有文学修养。沈括和他的哥哥沈披在童年时代都从母亲那里受到良好的启蒙教育。沈括从小就随着在外做官的父亲到过不少地方。十岁以后，因为沈周做泉州（今福建泉州）州官，沈括便随父亲在福建住了多年。后来他在《梦溪笔谈》中所记的一些最早的见闻，就是他在这一时期耳闻目睹的事情。
沈括在21岁的时候，父亲去世。宋朝政府因为他的父亲生前做官很有功劳，所以当他守满了三年父丧以后，按照当时的制度，任命他为沭阳（今江苏沭阳）县主簿。他一生的政治生涯，便从此开始。县主簿是当时县长的助手，职位虽低，但是沈括却在任内积极发挥了自己的才能，替地方办了一些好事，尤其是在兴修水利方面很有成绩。当时沭阳县境内的沭水因年久失修，河道淤塞，不能充分引水灌溉，以至许多田地都荒废了。沈括到任后，便把沭水加以修浚，开辟了一百条灌溉渠，修筑了九条堤堰，因而使七千多顷田地都变成了上等良田，使当地的农业生产得到发展。
沈括在33岁那年（1063）考中进士。以后便参加昭文馆编校书籍的工作，同时研究天文和算术。他这时虽然不是行政官吏，但是对于国家大事和民间疾苦仍然非常关心，总想为国家和人民作些有益的事情。下面所举的便是一个例子。
按照宋朝的制度，皇帝每三年要举行一次祭祀天地的“郊祭”典礼。每一次郊祭，事先都要大兴土木，设立祭坛，坛下要围上巨大的帐布，还要在城外方圆数里之内广植树木，建造园林，布置许多彩绘、雕刻等装饰品。郊祭的仪式也非常繁琐。这一切都要浪费人力、物力和财力，加重了劳动人民的负担。沈括看到这种情形，就对郊祭礼制的沿革作了一番研究，著成《南郊式》一书，共一百一十卷，对郊祭的仪式作了修改和简化，建议朝廷采用。当时正是宋神宗（1068—1085年在位）任用王安石做宰相，准备实行变法，改革政治的时候。所以沈括这一改革郊祭仪式的建议得被采纳。由于采用了新的仪式，每次祭典都节省下来很多的钱，这样就减轻了人民的一些负担。因为沈括这一项建议受到宋神宗的重视，同时也因为他长于天文、历法和算术，于是被提升为太吏令兼管司天监，掌管图书资料和天文历法的工作。
当时充当司天监的官吏，都是一些坐食俸禄的人，并没有天文，历学方面的真正知识。沈括到任以后，就着手加以整顿，他把一个平民出身的著名历算家卫朴荐入司天监，参加改革历法的工作。沈括又制造了浑仪（又名浑天仪，是我国古代观测天文的主要仪器）、景表（表示太阳影子的仪器）、五壶浮漏（五个水箱合成的测时器）等仪器。获得很大的成绩。
不久，淮南一带发生水灾，沈括被派去调查灾情，赈济灾民。他到淮南后，一面把常平仓储备的粮食发给灾民，一面采取积极措施疏通沟渠，治理被水淹没的田地，恢复生产。由于他的认真努力，使灾情得到一定程度的减轻。
这一年沈括被提升为集贤阁校理，校勘经籍。不久又升任太常丞（管礼乐的副长官）。这时，他的职位比过去更高了，但是他并没有满足于个人的高官厚禄，脱离社会实际生活，而是更加关心民间疾苦和政府各项措施的利弊得失。他经常根据他的观察所得，向宋神宗提出有利于国计民生的建议。例如，当时宋朝政府曾打算采取两项很不合理而且损害人民利益的措施：一件是为了防御北方境内的辽、夏两个少数民族政权的进攻，派人登记民间所用的运输车辆，以便在战时征调来作为兵车使用；另一件是政府主管盐专卖的机构为了禁止四川的私盐贩卖，预备把四川境内私人所有的盐井全部填塞，而由政府把解池（今山西运城境内）所产的池盐运往四川，供给川民食用。这两项措施如果实行，将使人民的生产和生活遭到很大困难，所以当时弄得人心不安，而政府里面也是议论纷纭，不能作出最后决定。一天，宋神宗在同沈括谈话的时候，提到登记民间车辆这件事，并征求他的意见。沈括先问宋神宗说：“请问征集车辆，准备干什么？”宋神宗回答道：“现在北方的威胁没有解除，而北方民族多以骑兵制胜，我们非用车战不足以抵挡，所以政府想征用民间的车辆，加强防卫。”沈括听了，便向宋神宗解释说：“使用车战来抵御骑兵的进攻是有利的，历代都是如此。但是过去所用的兵车非常轻便灵活，速度又快，而现在民间所用的载运货物的车辆，形式笨重，用牛挽车，一天走不到三十里，而且一遇到雨雪便不能使用。所以这种车辆称为‘太平车’，只可以用于平时，用它来作战会有什么用处呢？”宋神宗听了他的解释，认为很有道理，并且说：“这一个问题大家争论很久，可是对于这一个显而易见的事实却没有一个人谈到过。我一定要重新考虑。”接着他又提起川盐的问题，问沈括应该怎么办。沈括说：“本来盐是应该由国家专卖的，如果各地所产私盐都能够彻底禁断，完全由国家专卖，当然是好的。不过应该考虑到在忠州（今四川忠县）、戎州（今四川宜宾）、泸州（今四川泸州）一带少数民族地区，小盐井特别多，如果一下全部禁止生产，将会影响到当地人民的生活；同时，既然要严禁私盐，就不得不增加许多关卡，这样一来不但骚扰百姓，而且国家也要增加很多开支，其结果恐怕得不偿失。”宋神宗很同意沈括这种看法。第二天便下令同时停止施行这两项措施，从而避免了对民间的骚扰。
此外，还可以举出下面一个事例：1074年（宋神宗熙宁七年），当时沈括做河北西路察访使（察访案件的使臣），兼判军器监（管理兵器制造的官）的时候，宋朝政府为了防御北方民族的侵袭，下令征用京城附近的民间马匹。这一措施不仅给人民造成沉重的负担，同时也是不切实际的。沈括就向政府提出建议，大意说：“北方产马，所以北方各族人民多善于骑战，这正和中原武士善于用强弓射击一样。现在我们如果舍弃自己所擅长的军事技能，而勉强使用自己所不熟习的骑兵战术，怎么能够取得胜利呢？”他主张改进武器，以“射远入坚”为标准，制造射程远、杀伤力强的强弓利箭，并严格训练士兵，提高射击技术，以便随时应战取胜。他还重新详定“九军阵法”（九个军团合成的阵式），并且编著了一部《修城法条约》。他一共提出了三十多项关于改良武器和改进战术的办法，建议政府采用。
2.出使契丹
北宋时期，我国北方境内契丹族建立的辽政权时常侵扰中原。1075年3月，辽派遣使臣萧禧到宋朝来，要求重新划定疆界，实际上是想借此要挟宋朝，侵占中原土地。萧禧非常蛮横，声言不达到目的决不回去。宋神宗先派韩缜同他谈判，双方争执不下，形成僵局。宋朝政府不得已，改派沈括代替韩缜继续进行谈判。沈括先到枢密院查阅了档案，了解到过去双方曾经议定疆界的情况。萧禧坚持要求以黄嵬山（在今山西原平县西南七十里）为界，这就比以前议定的疆界线向南面伸延了三十多里。这种要求，显然是无理的。沈括马上把他所了解到的情况向宋神宗报告，宋神宗听了非常高兴地说：“别的大臣谁也不去追寻当时议界的本末，如果不是沈括，几乎误了大事。”于是就命沈括拿着过去议定疆界时所绘的地图向萧禧据理力争。萧禧自知理屈，推说自己不能做主，要求宋朝派使臣到辽去，继续谈判。宋神宗认为沈括很有外交才能，便把这个任务交给他。当时辽对宋的领土虎视眈眈，志在必得。沈括在这种形势之下出使，不仅任务非常重要，而且也是相当危险的。宋神宗对沈括的胆力和才能虽然是信赖的，但是也总还有些替他担心。沈括临行之前，宋神宗问他：“如果敌人威胁你，你打算怎么办？”沈括毫不迟疑地回答道：“我决定以死力争，决不使宋朝的土地受到损失。”沈括在出使之前，为了作好充分准备，搜集了几十件有关划界的档案资料，让随从人员预先一一熟读，默记在心。当他到达以后，同辽相杨益戒举行了谈判。不论杨益戒提出什么问题，沈括都叫随从立即根据事实加以答辩和驳斥，把杨益戒弄得哑口无言。杨益戒老羞成怒，竟然用威胁的口吻对沈括说：“为了几里土地，你们就要同我们断绝友好关系吗？”他以为在他的威胁恐吓下，沈括不敢再坚持下去，一定会让步的。沈括却毫不动摇，义正词严的回答道：“现在的问题并不是宋朝要同北朝（指辽）断绝友好关系，而是北朝不顾信义，威胁宋朝。一旦双方发生战争，宋朝理直，北朝理曲，那时候失理的恐怕不见得是宋朝！”沈括同辽相先后举行了六次谈判，每次谈判，辽方都聚集了一千多人旁听，但是没有一个人能够驳倒沈括。最后，辽因为要挟失败，而又不敢轻易发动战争，只得让步。沈括胜利而归。沈括这次出使，不但没有让辽达到侵占宋朝土地的目的，而且也使辽知道宋朝朝中有人，不敢再像从前那样轻视宋朝了。
沈括在出使契丹的时候，还在沿途随时注意观察北方的地理形势。回朝以后，便根据他的观察所得，制成了一幅《使契丹图抄》，把辽的山川道路和风俗人情记录下来，送给政府参考。
3.防御西夏
沈括不但是一个有才智、有胆识的外交家，同时也是一个出色的军事统帅。公元1080年（宋神宗元丰三年），沈括任延州（今陕西延安一带）州官，不久又转任延路（今陕西延安一带）经略安抚使，担任这个地区军队的指挥官。陕西是宋朝西北方面同西夏相邻的要地。沈括到延州上任后，即积极整顿军事，防备西夏的侵扰。他为了充实地方武装力量，鼓励当地青年练习骑射，凡是成绩好的，他都亲自斟酒慰劳。当地许多青年人在他的激励之下，踊跃地参加军事锻炼，经过一年多的训练以后，都掌握了一定的军事知识和作战技术。沈括在他们中间选拔了一千多名成绩优异的人编入正式军队，从而加强了宋朝西北方面的防御实力。
当时驻在各地方的军队分为卫兵和镇兵两部分。卫兵是从中央政府派去的，因此比较受到重视，经常得到政府的赏赐奖励。而镇兵却因为是长期驻守地方的，不能和卫兵享受同等待遇。沈括觉得这种不公平的待遇会直接影响到镇兵的战斗情绪，削弱地方上的防卫力量。因此，他便不避嫌疑，大胆地用朝廷的名义拿出很多钱赏赐镇兵，事后才向朝廷报告。宋神宗接到这个报告后，认为政府原来颁行的赏赐办法是错误的，如果不是沈括相机变通办理，一定会影响军心士气，所以不但不责备沈括，还特别允许他以后凡是来不及请示朝廷的事情，都可以按情况和需要自行处理。
沈括非常重视军队的纪律，对于犯了军令的人决不姑息。有一次，宋朝政府派到西北前线去的一支军队开到五原（今内蒙古自治区五原附近）时遇到大雪，粮饷一时接济不上。带兵官刘归仁竟擅自率领士卒二万多人向南撤回，结果队伍溃散，秩序大乱，当地居民非常恐慌。沈括得到消息，便到延州郊外亲自阻止士兵继续南溃，并加以安置。不到十天，溃兵便全部回到了队伍。沈适把军队整顿以后，就把带兵官刘归仁问罪斩首。沈括这一铁面无私的坚决处置，对于整肃军纪发生了很大的效果。
1081年（元丰四年），西夏统治者发动了进攻宋朝的战争。沈括率领延路的军队迎敌。由于他到任以后一年多的积极整顿和充分准备，军队的战斗力大为加强，结果在固上（今陕西境内无定河）大败西夏军队七万人，获得全胜。在战争中，沈括曾亲自作了凯歌数十曲，让士兵们齐声合唱，以激励士气。
4.新法的积极拥护者和参加者
沈括除了作出如前所述的种种建树之外，还是当时变法运动的积极拥护者和参加者。当时宋朝政府内以王安石为首的一派官僚，为了缓和地主阶级和农民的阶级矛盾，巩固宋朝的封建统治，在政治上和经济上实行了一些改革，主要是设法减轻一些人民的沉重负担和苦役，以利于发展生产。这种改革，在客观上对人民有一定好处，所以是进步的。由于变法运动直接损害了大地主的特权和利益，因此就遭到代表大地主利益的一帮守旧派官僚的猛烈攻击，斗争非常尖锐。沈括在这一斗争中，坚定地站在进步派一边，拥护新法，始终不变，并且亲自参加了许多变法工作。
首先，他在王安石支持之下，作了不少改革旧制的工作。除了如前所举的关于“郊祭”仪式的改革之外，他为了使政府节约开支，减轻人民负担，还制订了限制各级官员日常副食品数量的规定，以及颁布各种命令的办法等等新规定。这说明沈括在新法制订过程中是起了一定作用的。
1073年（熙宁六年），王安石向宋神宗推荐沈括到两浙路（今浙江全省和江苏东南部）调查农田、水利、差役等情况和新法实行后的效果，并且对宋神宗说：“沈括出生在农村，很熟习农村的情形，他能够判断利害，考虑问题很谨慎，很周密，一定能够很好地完成任务。”从这里可以看出，王安石对沈括是很了解很信任的。1074年，沈括和变法运动的重要人物章悼同领军器监，掌管兵器制造的工作。他们奉皇帝的命令讨论兵车制度，规定了兵车的式样、大小和每一个零件的尺寸，交给军器作坊制成新式的兵车。以上这些事实都说明沈括是变法运动中的一个相当重要的人物。
在王安石当权的时候，一般依附权势的人都争先恐后，要当王安石的学生，把投靠王安石当作光荣的事情。但是一到王安石被守旧派攻击下台以后，这些人便马上否认同王安石的关系，甚至有的还攻击诋毁王安石。而沈括对王安石始终保持着深厚的友谊，对新法也始终表示支持。王安石被免去宰相的职务以后，曾有人问沈括：“自从免役法实行以后，批评、指责很多，一直到今天还是如此。究竟免役法对老百姓有利还是有害呢？”沈括毫不犹疑地回答道：“说免役法不好的，不过是那些豪门权贵和富人。他们本来就不负担力役，所以他们的话是不足为凭的。至于穷苦的老百姓，自从实行免役法以后，他们的力役负担大大减轻了，怎么能说这个办法不好呢？”
后来，沈括在写《梦溪笔谈》的时候，由于环境恶劣，他虽然极力避免评论当时政治的得失和当代人物的功过是非，但是在几处提到王安石的地方，字里行间，都流露出对王安石诚挚的敬意和亲切的怀念。从这里可以看出他们之间的友谊是有着共同的政治思想基础的。
1081年沈括率领延路军队在固上大败西夏军以后，次年九月，西夏统治者又以三十万大军围攻宋朝西北要塞永乐城（今陕西米脂）。同时，以八万大军袭击绥德（今陕西绥德）。沈括当时手下只有一万多士兵。因为他奉命力保绥德，所以不可能分兵去解救永乐之围。结果，永乐失陷，宋军二万三千多人全部覆没。永乐的陷落，沈括本无责任。但因这时王安石已经罢相，守旧派就借此机会攻击沈括，给他加上一个“抗敌不力”、“处理失当”的罪名，降职为均州（今湖北均县）团练使（武官名）。
沈括到了五十八岁的那年（1088），便到润州（今江苏镇江）隐居，称他的住所为“梦溪园”。从此以后，他没有再参加政治活动，而以全部精力来从事写作。他的著名著作《梦溪笔谈》便是这个时期写成的。他在润州隐居了八年，1095年病逝，终年六十五岁。
关于《梦溪笔谈》
沈括对自然科学的研究非常专心。由于他的辛勤努力，刻苦钻研，终于在这一方面获得了辉煌的成就。
沈括是一个知识广博的学者。他在自然科学、历史、文学、艺术、政治、军事各方面的著作，见于记载的共有数十种之多。可惜这些著作后来绝大部分都失传了。幸而在他晚年的几年隐居生活中，写成一部《梦溪笔谈》（以下简称《笔谈》）。他的这部有名的著作，一直完整地流传到现在。它不仅为我们介绍了我国古代劳动人民在科学技术方面的成就，保存了丰富的极有价值的资料；同时也使我们了解到这位杰出的学者在科学上的贡献和认真不苟的研究态度。
《笔谈》共二十六卷，另有《补笔谈》三卷，《续笔谈》一卷，共六百零九条。涉及的方面非常广泛，内容极其丰富。下面分别就自然科学、科学史、历史和考古学以及文学、艺术这几个主要部分略加介绍。
1.沈括在自然科学方面的贡献
天文、历法和算学沈括在自然科学方面成就最大的首推天文、历法和算学。
在天文方面，据《笔谈》记载，他曾连续用了三个月的时间，每天夜间用“窥管”（是“浑仪”的一个重要组成部分）观测北极星的位置。他把初夜、中夜、后夜所看到的北极星的方位分别画在图上，一共画了二百多幅图。经过精心研究，最后他得出了当时北极星同北极的距离为三度多的科学结论。
早在东汉末年，我国伟大的天文学家张衡就曾对月亮的发光和盈亏原理作出了科学的说明。沈括在《笔谈》中更进一步发展了前人的学说。他认为：月亮好像一个银制的弹丸，本身是不会发光的，只是由于太阳的照射，它才反射出光来。月初（阴历）的时候人见太阳在月亮的旁边，月光生于月亮的一侧，所以看起来好像钩形。到了月中，太阳距月亮的角度渐大，日光斜照着月亮，月光就渐渐显得圆满。如果我们把一粒弹丸涂上一半白粉，再从侧面看去，有粉的地方看起来就像钩形；从正面看去，便是正圆形。他的这种解释在当时可以说是最接近科学原理的一种解释，而且用弹丸来做比喻，也使人非常容易理解。
沈括对于虹和大气的折射现象也有正确的解释。他认为虹的位置同太阳的位置是相对的，所以傍晚时的虹便出现在东方。他引用了当时另一位科学家孙彦先关于“虹是日光照着雨点而发生的”的论点，来解释虹是大气的折射现象。这种解释基本上是符合科学原理的。
沈括还发现，当太阳的光线通过大气到达地面时，在大气中发生折射作用，从而得出结论说：人们在地面上所观察到的太阳方向同太阳本身的实际位置是不一致的，人们所观察到的太阳高度要比太阳本身的实际高度大。沈括这一发现，在当时实在是一件了不起的创见。
在历法方面，沈括主张实行阳历，就是不以月亮的朔望定月，而是根据节气定月，取消闰月，也就是把一年分为十二个月，大月三十一天，小月三十天。实行这种历法，就可以避免计算和安排沈括名扬天下的《梦溪笔谈》书影闰月的麻烦，同时节气也会更准确。这是一种很科学、很进步的历法，当时如能采用，对农业生产是有很大便利的。但是由于保守派的反对，他的新历法不仅没有被采用，还引起了一阵恶毒的攻击。沈括并没有因此而动摇自己的科学见解。他坚决相信：他的这种历法，以后是一定要被采用的。
沈括的新历法当时虽然没有实行，但是在他的援引和帮助之下，当时一位平民出身的历算家卫朴得以进入司天监，担任改革旧历法的工作。经过五年的努力，卫朴完成了一部比前代历法更为精密准确的《奉元历》。这部《奉元历》曾在宋朝颁行了十九年。
在数学方面，沈括发展了《九章算术》（我国沈括勤奋著书古代一部数学著作，汇集了汉朝以前的数学知识）以来的等差级数，创造了新的高级等差级数求总和的算法——“隙级术”。“隙级术”的推算方法，是把许多同样的物体（如棋子、弹丸、缸、瓦盆等）摆成长方形，层层堆积起来，并且从上而下，每层在长、阔方面各增一个。这样，只要知道顶层和底层的长和阔，以及堆积的层数，就可以求出物体的总和数。
另外，沈括还发明了“会圆术”，就是从已知的圆的直径和弓形的高度来求弓形底和弓形弧的方法。
沈括的这两种算法都是在我国数学史上的重要贡献。
地理学和地质学沈括在地理学和地质学方面也有很大的成就。前面曾经提到，他在出使契丹回来以后，曾绘制一部《使契丹图抄》。他还用面糊调木屑和熔蜡制成地平模型。后来更进一步用木料制成立体模型地图。这种模型地图相当于现代的地形模型。宋神宗和一些大臣们看到以后，认为很有用处，就下令各边境地区，都按照这种方法把各地山川险要制成模型，送到朝廷集中保管，以备有事时应用。
沈括绘制地图，应用比例尺的办法来表明地图上的实际距离。他在地图上把一百里缩成二寸，绘成一部“天下郡县图”，同时又把全国郡县的位置用文字详细准确地记录下来。这样，即使地图遗失了，还可以根据记录重新绘制。沈括所用的这种绘图方法是很科学的。我们现在用的一般地图，除了测量地形用的仪器比以前更精确和利用经纬线以外，基本原理和沈括所用的并没有什么不同。
沈括在地质学上也有同样正确的认识和精辟的见解。例如他在《笔谈》上说到，浙江的雁荡山山峰峭拔险怪，上耸千尺，但都包在山谷之间，从岭外远望，一无所见，必须深入谷内，才能看到。他经过细心的观察和研究，得出结论说，雁荡山的这种特殊形状是由水的浸蚀作用造成的。他又由此联想到耸立在陕西黄土高原上的那种高达百尺以上的土峰，也认为是由于同一原因形成的，所不同的不过是一是黄土一是岩石罢了。
有一次，他因公事到河北路经过太行山，发现山崖的许多石壁上有很多螺蚌壳和鹅卵石。因此他就推想到这一带在太古时代一定是海岸。他的这种推想，是符合科学原理的。证实了河流的冲积作用和海陆变迁之间的因果关系。
沈括在延州的时候，曾在数十尺深的地下发现了一种很像竹子的化石。他同时又注意到在当时的气候条件下，延州是不会产竹子的。因此他根据这一情况推想到古代延州地方的气候可能比当时温暖而湿润。虽然他所见到的化石实际上并不是竹子而是一种古代的蕨类植物——芦木，但他能从一块化石上面发现古今植物生长条件的差异，从而进一步推想到古今气候的不同。由此可见，他对自然现象的观察和研究是多么细致认真。
关于地形和地面的高度对植物生长的影响，沈括也有正确的认识。例如他曾经观察到，同样一种植物，生长在平地上三月开花，而生长在深山里就要到四月才开花。他还引用了白居易写的“人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开”这句诗来说明这个问题。同时他还了解到江南和北方桃李开花的时间也先后不同。根据这种观察，他认为不同的地区、不同的地形和不同的气候对植物生长是有很大影响的。这种解释也是合乎科学原理的。
沈括还发现延州一带有石油矿。石油点燃后发烟很浓，用石油烟制成的墨，墨色和光泽要较一般用松烟制成的墨好得多。因此他曾大量地用石油烟来制墨。他并且预料到，后世一定会大规模地采用石油作为燃料，因为石油的蕴藏量是非常丰富的。在沈括以前，人们管石油叫“石液”或“石漆”，最早使用石油这个名称的，乃是沈括。
磁学和光学《梦溪笔谈》还记载了一些有关磁学和光学的知识。我国古代劳动人民在很早的时候就发现了磁石和它的指极性，并利用来做指示南北的工具。汉朝的“司南”是用天然磁石琢成的一个勺形体，勺底是球面体，放在铜制的地盘上，可以灵活地转动。但这种“司南”只适于在陆地上使用，不适用于航海。沈括除了用磁石磨制钢针，制成了人造磁性指南针之外，还在《笔谈》中介绍了自己所发明的支挂指南针的四种不同的方法：第一种是浮在水面上；第二种是搁在指甲上；第三种搁置在碗边上；第四种用丝悬挂着。四种方法以悬丝法最为完善，最适宜于在动荡不定的海船上使沈括所作支挂指南针的四种试验右边的鸟在空中飞，影子移动的方向和鸟飞的方向是一致的。假如光线照到左边的鸟身上，再穿过窗子小孔，鸟和影子的方向就相反用。他还发现指南针所指的方向不是正南而稍微偏东的现象，这就是现代物理学所称的“磁偏角”。
在光学方面，沈括也有重要发现。当他看见凹面镜映入的物体呈现倒影的现象后，他便进行以下的反复试验；用手指对准镜面，镜面上映出的是正像；但是当他把手指向后移到焦点上的时候，镜面上的影像就看不见了；然后他再把手指离开焦点逐渐向外移开，镜面上便出现了倒像。他又进一步从天空飞鸟的影子移动的方向发现了类似的现象：飞鸟映在地面上的影子，本来是朝着飞鸟飞行的方向移动的，如果把窗子穿一小孔，光线射到鸟身上，再穿过小孔，照在室内壁上的鸟影移动的方向同鸟飞的方向正好相反。他还发现，楼塔的影子经过窗上小孔透入室内也呈现出倒影。他还用凹面镜做过向日取火的实验。沈括通过这些实验最后得出了光线通过小孔同焦点形成“光束”的光学原理。
医学和药学沈括对于医学、药学、生物学，特别是药用植物学也很有研究。
在医学方面，他批判了以前医书上关于人体解剖学方面的错误。古人由于缺乏解剖学知识，误认为人有三喉，即食道、气管、水喉，并且认为食物经过食道便进入腹腔，因而有的药品吃下去便会粘着在肝和肺上。沈括在《笔谈》中指出了这种说法的错误。他说：“人只有咽（食道）和喉（气管），食物经过食道先到胃里，然后再到小肠、大肠。所以药品绝不会粘着在五脏上。”这个道理在今天看来，只不过是一个普通的常识问题，但在当时医学上却不能不算是科学的见解。
沈括还深通医理药性，对于我国生药很有研究。在《笔谈》和《补笔谈》中就有两卷是专门谈药品的。他指出了我国古代药典中的许多错误，并把许多重要药用植物的名称、形态、功能重新加以订正，使患者不致因用药的错误而贻误治疗甚至丧失生命。他在这方面的贡献是很有价值的。
2.沈括在科学技术史方面的贡献
《笔谈》中还保存了许多有价值的科学史资料。最主要的是关于活字板印刷术、水利和建筑方面的记述。
沈括在《笔谈》中对北宋平民毕升发明的活字印刷术有详细的介绍，毕升在庆历年间（1041~1048）创造了活字板印刷术。根据《笔谈》的记载：方法是先用胶泥刻字，每字为一印，放在火里烧得很坚固，然后用一块铁板，上面涂上一层蜡质，再把一个铁范放在铁板上，铁范里排满胶泥制成的活字。活字排满一版，就放在火上烘烤一下，使蜡稍微熔化变软，然后用一平板压在活字印上，等蜡凝固后，字印全部平如磨刀石一般，即可以进行印刷。印时，可用两块铁板轮流排版。采用这种方法，如只印两三份，并不算省事；但如印千百份，便显得非常神速了。《笔谈》这一段记载，是我们今天对于毕升的活字板印刷术的设备和使用情况所能得到的惟一详尽的资料。我们今天还能够这样清楚地了解到一千多年前这一伟大发明的情形和具体操作方法，这不能不归功于沈括。
在水利和建筑方面，沈括对于前代或当代劳动人民的成就是非常重视的，在《笔谈》里有许多关于这方面的记载，下面举两个例子：
北宋庆历年间，黄河在商胡（今河南濮阳东）决口，由三司度支副使（管理财政的副长官）郭申锡率领河工抢修，河堤虽已大部修复，但不能合龙。当时有一位名叫高超的工人认为所以不能合龙的主要原因是因龙门堤身太长。他建议把堤分成三节，先下第一节到底，然后再压第二、第三节。他的这项极有创造性的建议，当时却遭到一些工人和督导官的反对。后来郭申锡因河堤始终无法合龙受到降官处分。最后还是采用了高超的方法，才使河堤合龙。
北宋初年有一位技术非常高明的建筑师喻皓，曾总结了木构建筑工程的经验，著成《木经》三卷。这部重要的古典技术著作，由于在封建社会中劳动人民的劳动成果得不到应有的重视，久已失传。幸而沈括在《笔谈》中对它作了扼要的介绍，才使这位古代建筑家能够在我国古代建筑史上留下了他的名字。
3.历史学和考古学
沈括在《笔谈》中还记录了一些重要历史事件的真实情况，特别是对于公元993年四川王小波、李顺所领导的农民起义有一段比较详细的记述。他在这一段记载中以生动、凝练的文字记下了起义军的进步政策和严明的纪律。他写道：“李顺初起义的时候，召集下乡里中所有的富人、地主，命令他们交出所有的财物和粮食，除一部分留给他们作生活费以外，其余的全部用来救济贫穷的人。对于有才能的人加以录用，对于善良的人加以保护。起义军纪律严明，所到的地方，秋毫无犯。当时四川灾荒很严重，十天之内，参加起义军的就有几万人。凡是起义军经过的地方，老百姓自动开城请起义军进去，以解救他们的痛苦。起义军檄文所到的地方，敌军纷纷瓦解。后来起义军失败了，人民还非常怀念李顺。李顺隐藏在民间三十多年，没有被统治者发现……”从这一段文字中，我们可以看出，沈括本身虽然是封建统治阶级中的人物，但是他对于农民起义的记载还是比较真实的。封建王朝编修的历史书上，都说李顺失败后即被逮捕杀害；在其他一些私人著作中也从未见到关于李顺事迹的正确记载。只有沈括揭露了这一事实的真相。
沈括同时又是一个金石、考古学家。他在《笔谈》第十九卷对于他所收集到或见到的古器文物作了详细的记述。特别值得提到的，是关于我国古代著名文物“透光鉴”的记载和说明。“透光鉴”的制作是我国古代劳动人民利用物理学原理创造的一种特殊的制镜技术，有极高的技术水平和艺术水平。据《笔谈》所记，镜用铜铸成，背面有凸起的花纹和文字，正面是磨光的。用镜面对着日光，镜背上的花纹能够清楚地反射在墙壁上。对于这一个现象，沈括还作了比较科学的解释。他说：“铸镜时，在冷却的过程中，薄的地方（没有花纹的地方）先冷，厚的地方（有凸起花纹的地方）后冷。先冷的地方和后冷的地方，铜的密度不同，因此反射光的能力也不一样。所以磨光的镜面可以把花纹反射到墙壁上。”
此外，他在《笔谈》中对于许多出土文物的时代、形状、文字、花纹及古代的服装、度量衡制度等，都加以详细的考证。他在这方面所付出的劳绩，对于宋朝新兴起来的考古学的发展，起了很大的推动作用。
4.文学、音乐和美术
沈括长于诗词，著有《沈存中诗话》一书，可惜已经失传了。《笔谈》这部书不但叙事明确，逻辑性很强，而且文字生动、简练、优美，富有文学色彩。因此，虽然他的其他文艺作品都已失传，我们也还可以从《笔谈》这部书中看出他在文学方面造诣之深。
沈括对于音乐和美术都有很深的爱好。《笔谈》卷五专论音乐，卷十七专论书画。他对古代音乐理论、乐器的制作和使用方法以及少数民族的音乐都有精心的研究，而且还会作曲。他曾写过《乐论》、《乐器论》、《三乐谱》、《乐律》等四部著作，但是这些著作也都失传了。
他又是一个很好的艺术批评家。他曾指出，当时有一派画家所画的山上亭馆、楼塔、屋檐等等，看起来好像都是以从下向上仰视的角度所画出来的形象，从整个画面来说，这种角度是不对的。因为观画的人并不是置身在画境之中而是站在画面之外，不是仰视而是平视，有如观看盆景中的假山一样。他认为如果从下而上仰视的角度来看，只会看见一重山或一幢房屋。因此，前面说的那种画法显然是不对的。他又记载了五代时画家董源和巨然（一个和尚的名字）的画法。他说他们多画江南山水，这种画的特点是要在远处看而不要在近处看，近看时几乎看不出画的是什么，远看的时候，就会看出画面上的景物美妙逼真，使看画人发生一种身临其境的感觉。
沈括在学术上所以能取得如此高的成就，是和他的研究态度、研究方法分不开的。他在进行科研工作时重视实践，不单纯依靠理论，不迷信前人，对于劳动人民的生产经验很重视，他经常虚心地向劳动人民请教，即使是一点一滴的知识他都非常诚恳地去学习。这样，他才能把人民长期积累下来的劳动成果，总结概括成为科学的理论。
以上所举的一些例子，只不过是《笔谈》一书的简单轮廓。《笔谈》广泛地包罗了各方面的知识，但最主要的是关于自然科学方面的研究成果的记录。有人把《笔谈》这部书称作中国科学史上的“坐标”，它确是能够当之而无愧的。
《笔谈》不只是沈括个人一生辛勤研究的结晶，也是我国劳动人民千百年来积累下来的科学经验的总结。它无疑是祖国文化宝库中的一颗明珠，至今还闪烁着灿烂的光辉。我们珍视这颗宝珠，同时也深深怀念着把它留给我们的古代杰出科学家沈括。但是《笔谈》并不是丝毫没有缺点的。由于时代的限制，这部书也同古代其他许多笔记一类的书籍一样，用了相当的篇幅记载了许多迷信荒诞的故事。不过以《笔谈》的巨大成就相比较，它的缺点还是瑕不掩瑜的。
