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宋廷不便驱逐他出境，于是派遣知制诰沈括找出证据。沈括字存中，号梦溪丈人，也就是后来写成《梦溪笔谈》之人。天圣九年，沈括出生于杭州钱塘沈氏家族。他的祖父沈曾庆曾任大理寺丞，他父亲沈周、伯父沈同均为进士。沈括自幼勤奋好学，十四岁就读完了家里的藏书 。之后，他随父亲宦游州县，到过泉州、润州、简州和汴京等很多地方，增长了见识。
沈括自幼体弱多病，加上他读书十分用功，经常需要服食中药调理。钱塘沈氏在医药学颇有建树，有家传的药学书籍《博济方》。受到家庭影响，沈括也从搜集医方开始，钻研医学。沈周知明州的时候，沈括借居在苏州母舅家，从舅舅许洞的著作与藏书中，得益甚多。他开始对军事产生了强烈的兴趣，为他以后指挥作战奠定了基础。
至和元年，沈括因为父荫而入仕，担任海州沭阳主簿。他大力治理沭水，开发农田，颇有政绩。工程结束后，沈括辞去职务，来到哥哥沈披在任的宁国县，准备科举考试。当时沈披主持芜湖万春圩工程，由于沈括有治水经验，于是他献计献策，并作了详细记录。
嘉祐八年，沈括进士及第，授扬州司理参军。后来沈括被调入京师，编校昭文馆书籍，参与详订浑天仪，他在闲暇之余，又开始研究天文历法。熙宁元年，沈括升任馆阁校勘，有机会接触到皇家的藏书，进一步充实他的学识。
一次，沈括在开封相国寺，见到高益的一幅壁画，内容为乐工同奏，很有意境。但人们都诟病，弹琵琶的乐工拨错了弦。管乐吹奏的都是“四”字音，在琵琶的上弦，但画上拨的却是下弦。沈括经过仔细观察，认为高益画的没错。他指出，弦乐跟管乐不同，演奏管乐的时候，手指按在什么音，就发什么音。琵琶则不同，只有当手指拨弦之后，才会发音，动作早于声音。因为这样，弹琵琶的乐工手指不在“四”字音的上弦，而在下弦。足见画家的布置巧妙，匠心独运，众人大为佩服沈括的见识。
唐朝白居易曾和朋友结伴游庐山，写了不少诗，其中一首是《大林寺桃花》。沈括读到这首诗，非常惊讶，带着讥讽的口吻评道：“既然‘四月芳菲尽’，怎么会‘桃花始盛开’呢？大诗人也写出这样自相矛盾的句子。可谓‘智者千虑，必有一失’呀！”说完，他也就把这事给忘掉了。
后来，有一年春夏之交，沈括到一座山上考察，他见到了白居易诗中的奇景：四月天气，山下众花凋谢，山顶上却是桃花红艳。他这才猛然想起白居易的诗来，领悟到自己错怪了大诗人，也从中发现了高度对季节的影响。由于山上气温低，春季到来要晚于山下。
于是他找来白居易的诗，发现前面有一篇序。序中写道：“大林寺山高地深，时节绝晚，于时孟夏月，如正二月天。梨桃始华，涧草犹短。人物风候，与平地
聚落不同。”沈括很有感慨地说道：“都怪我读书不仔细，经验太少！”
熙宁四年，沈括守母丧期满。他得到赵顼和王安石的器重，被任为检正中书刑房公事。接着沈括奉命主持汴河疏浚工程，被加任史馆检讨。按照惯例，皇帝每三年要到圜丘祭祀天地，吏员常借此修建园林、谋取私利。沈括考察南郊大礼的历史沿革，撰成《南郊式》，被任命掌管郊祀事务。沈括按新礼仪办事，节省费用数以万计，赵顼对此十分满意。
淮南饥荒，沈括受命巡察。他发放常平仓钱粮，疏通河渠，修治荒田，取得明显成效，升任集贤校理，巡察两浙农田水利。两浙水利工程规模浩大，沈括建议出钱雇用饥民兴建水利，得到赵顼赞同。
沈括到两浙视察的时候，苏轼刚好在杭州任通判。两人曾是崇文院同事，有共同语言很多。不同的是，沈括支持王安石，苏轼倾向于司马光。政见虽然不同，沈括还是去看望了苏轼。老朋友久别重逢，相见甚欢。苏轼十分热情地接待了沈括，沈括问苏轼：“最近可有好作品，能否让兄一睹为快？”苏轼按捺不住兴奋，立马拿出新鲜出炉的作品。沈括说道：“写得真好，我可否抄录几首？”苏轼对沈括没有提防之心，爽快地答应了。沈括工整地抄好，如获至宝地带回京城。
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