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英宗治平二年（1065）九月，沈括入京，编校昭文馆书籍。从这时至熙宁七年（1074）的9年间，除了因母丧守制回到杭州之外，大部分的时间沈括都在开封。在此期间，沈括先后从馆阁校勘累迁太子中允、检正中书刑房公事、提举司天监、史馆检讨、集贤校理、太常丞、同修起居注等本兼各职。其中，兼任司天监的时间比较长，他的几项著名的天文学说，都是在这期间酝酿成熟的。
从入京时起，沈括就开始研究天文学。那个时候他在昭文馆编校书籍。宋代校书官的主要工作是校读公藏的书籍，如果发现错字，就加以改正。那时候许多同职的校书官对此项工作并没有尽心尽责，只是简单地涂改一些错别字，然后在旁边加注正确的字词，他们把这看作是一道日常的工作程序。而沈括却充分利用工作空余的时间，深入研读，致力于深造和研究。在当时，天文学是一门服务于劳动生产需要的学科，因而引起了沈括的浓厚兴趣。随着农业技术的发展，人们需要更加精准地理解和掌握季节更迭的规律。因此，沈括的学术研究就是在已有的天文学理论基础上，将实际生产中积累的经验与个人深入的观察研究相结合，进而提出自己的理论观点。经过一段时间的专心研究，他在天文学领域取得了令人瞩目的成就。在他任职于昭文馆期间，他所提出的一些独树一帜的天文学见解，受到了人们的关注和重视。
熙宁五年（1072），沈括被宋神宗任命兼任提举司天监，至此，沈括正式成为管理朝廷天文事务的官员。后来司天监完成了新观象仪的制作，沈括因此受到奖励，转右正言司天秋官正。
在进入司天监之前，沈括已经参与了一些天文学观测的实际工作，也积累了一些实践经验。在昭文馆编修图书时，他被选中参与浑天仪的相关工作，并在此过程中提出了几个重要的天文学说。根据沈括自己撰文记载，有一次他遇到了一位重要官长，两人就一些天文学的问题进行了深入的探讨，例如，二十八宿黄道经度、日月的形状和日月食发生的条件等问题，沈括根据自身的研究成果一一做了详尽的解答。这些解答包含了沈括对于一些天文学问题的卓越见解。他不仅继承发扬了前人的科学发现，还基于这些发现进行了更为深入的挖掘和创新。在沈括所处的11世纪，这并不是一件容易的事情。沈括的见解主要有以下几个方面：
第一，沈括在用月亮盈亏的现象来论证日月的形状时，用了一个生动形象的比喻，创造性地阐明月亮有盈亏的道理。当时，官长是这样问他的：
日月之形如丸邪，如扇也？
意思是太阳和月亮的形状，究竟是像一颗弹丸，还是像一柄团扇？
沈括回答说：
日月之形如丸。何以知之？以月盈亏可验也。月本无光，犹银丸，日耀之乃光耳。光之初生，日在其旁，故光侧而所见才如钩；日渐远则斜照，而光稍满如一弹丸。以粉涂其半，侧视之则粉处如钩，对视之，则正圆。此有以知其如丸也。
沈括首先确认日月的形状像弹丸。如果用现代科学的语言表述，日月的形状属于球体。他提出，月亮自身是不会发光的，人们看到的月光其实是太阳光的反射。月初（农历）的时候人们看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，月亮就渐渐显得圆满起来。如果我们把一粒弹丸涂上一半白粉，再从侧面看去，有白粉的地方看起来就像钩形；从正面看去，便是正圆形。沈括这种形象的说法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。
在中国古代天文学的历史上，东汉科学家张衡也曾提出月亮本身不会发光，是它反射了太阳光，才让人们觉得月亮在发光的见解。沈括继承和发展了张衡的这一观点，并且用了更加生动形象的语言来进一步阐释，这一点在当时是非常难能可贵的。
第二，日食、月食发生的基本原理。官长向沈括提出的第二个问题就与日食有关，他是这样问沈括的：
日月之行，月一合一对，而有蚀、不蚀，何也？
意思是太阳和月亮的运行，在每月初一和十五期间，总是几乎与地球处于一条直线上，可是每一次相合、每一次相对却不一定会发生日食或月食，这是什么原因呢？
■ 黄道和白道
沈括回答道：
黄道与月道，如二环相叠而小差。凡日月同在一度相遇，则日为之蚀，同在一度相对，则月为之亏。虽同一度，而月道与黄道不相近，自不相侵；同度而又近黄道、月道之交，日月相值，乃相凌掩。
古代的天文学家，如南北朝时期的张子信、唐代的孔颖达，都对日食的发生规律有过阐释。沈括在这些学者的基础上，又进行了深入的研究，科学地说明了太阳、月亮之间的复杂关系。他指出：黄道（太阳运行的轨道）和白道（月亮运行的轨道）如同两个环相互重叠而略有错开，两者之间有一个交角。当太阳、月亮在同一黄经度上相遇，也就是当太阳射到地球上的光线被月亮挡住时，就会发生日食，日食一定发生的农历初一的时候；而当太阳、月亮在同一黄经度上相对，也就是当月亮走到地球的影子里时，没有接收到来自太阳的光，就会发生月食，月食一定发生在农历十五或十六日。因此，只有在黄道和白道交点附近，太阳、月亮和地球三个天体在近乎达到一致时，才有可能发生日食或月食。
沈括还记录了对日食和月食过程的观察，对日食、月食发生的初亏、复圆等阶段的食相，日食和月食必然从西方开始等问题，这些都详细地记载在《梦溪笔谈》中。
根据现代天文学的观点，黄道和白道的交角约为5°9’。初一时，太阳位置若在黄、白道交点15°21’以内，必发生日食；距离交点18°31’以上，则不能发生日食。十五或十六日时，月亮位置若距离交点3°45’以内，则可能发生月全食；距离交点12°15’以上，则不能发生月食。这就是所谓的“食限”。当然，在沈括那个年代，天文知识尚未达到这个水平，但是他已经能够初步运用日、月距离交点的远近，来说明食分的大小，这和现代科学研究的原理是完全一致的。
第三，有关交点退行的说法，是沈括天文学成就中一个非常重要的观点。交点退行，是指太阳和月亮轨道的交点沿黄道向西移动，也就是逆着月亮本身移动的方向移动，这是太阳对月亮吸引力的作用造成的。沈括提出，大概249个交点就是一个周期。
交道每月退一度余，凡二百四十九交而一期。
他在前人学说的基础上指出，每月交点后退一度多，每过249个交点退一周，249个交点大概相当于十八年六个月。他的计算结果与现代天文计算结果（249.65个交点退一周）已十分接近，900多年前的沈括能得出这样的结论，已经足够让人叹为观止。
提举司天监一职，为提出上述三条天文学说的沈括提供了施展才能、大展拳脚的绝好机会。北宋时期，朝廷设有两个天文院：司天监天文院和翰林天文院。这两个天文院职能相仿，都负责观测天象，预测吉凶，但他们之间的关系则是相互监督的。每天晚上，司天监和翰林院的天文院分别对天文现象的变化进行记录，第二天清晨，再由官员将这两个天文院所做的记录进行相互对照和验证。这样设置的本意是防止出现虚假不实的记录，但令人非常气愤的是，两个天文院的官吏居然沆瀣一气，长期串通起来对记录天文现象一事敷衍了事。官员的不负责任，再加上观测天象和计时工具不准确等问题，使得观测结果谬误百出。
沈括主持司天监的工作后，针对这样混乱不堪的局面进行了大刀阔斧的改革。第一步，他对司天监的人员进行大规模调整，将那些严重失职、不负责任、弄虚作假的官员清除出队伍。第二步，引进了一批精通天文历法的新人编撰新的历法。这样调整之后，局面有了一定的改善。
同时，沈括还大力举荐优秀人才。在这方面最值得一提的，就是沈括力荐并重用卫朴一事。据说，卫朴原在楚州（今江苏淮安）北神镇一所破庙里卖卜，虽然身份低微，却是一位精通天文历算的布衣学者。沈括在《梦溪笔谈》卷18《技艺》中，对卫朴的超人才能作了十分生动的描述：
淮南人卫朴精通历法，是如同唐朝时期杰出的天文学家僧一行那样的人物。《春秋》一书中关于日食的记载有36处，历代历法家通力验证，比较精密的也不过推算出了二十六七次，僧一行推算出了26次；而卫朴竟然推算出了35次，唯独鲁庄公十八年的那一次日食，古今推算方法都没有推算成功，可能是前代史书记错了。从夏代仲康五年（戊午，2043）到宋代熙宁六年（癸丑，1073）三千多年间，文献所记载的日食总共有475次。依据各种历法进行验证各有得失，卫朴推算出来的次数是最多的。卫朴可以做到不使用测算工具推算出古今的日食、月食，并且只用口算来计算加减乘除，结果竟也可以分毫不差。凡著名历法验证过的数据，卫朴让人在耳边读上一遍，就能够全部背下来（相传卫朴是盲人）；对于民间的一些历法书籍，他也可以一字不差地全文背诵。他曾经让人抄录历法书籍，写完之后，便让人在他耳边诵读一遍。书中如果有一处的数字错了，当读到这个地方时，卫朴便说：“此处的某字是错误的。”卫朴的计算精通到如此地步，即便是很复杂的数字运算，卫朴都能够运用算筹飞快地计算，旁人看着眼花缭乱。有人故意将算筹上一个数字的位置移动了一下，卫朴用手自上而下摸了一遍，摸到了被移动的算筹位置时，便直接将这个数拨正了。
对于这样一位能“口诵乘除，不差一算”“运筹如飞，人眼不能逐”的奇才，沈括非常器重。他不介意卫朴的布衣身份，力排众议，破除世俗偏见，将他招入司天监并委以重任，负责编撰新的《奉元历》。