秦漢時期，中國勞動人民在長期的生產和生活實踐中，對自然界的興趣和認識漸趨廣泛，視野更加開闊。在自然科學領域，不僅如天文、數學、地學和醫學等傳統學科較之前代有了較大的進步，而且也獲取了地震、電磁、化學等許多新的知識。
地動儀模型
一、張衡與地動儀
中國是一個地震較多的國家。在古代，由於人們缺乏對地球運動的了解，更由於缺乏對地震的預知和必要的防震措施，因而一次較大的地震常給生活在那裏的人們帶來很大的損失。從漢代開始，人們就把地震作為“災異”記入各朝代史的《五行誌》中。據研究，中國兩漢時期共發生了28次較大的地震，所記錄下來的各次地震破壞情況有“地坼湧水”“敗壞城廓”“山穀坼裂”“傷害人物”“壓殺人”等。其中西漢宣帝本始四年（前70年）發生於中原地區的一次地震，造成6000餘人死亡。正是由於這一嚴峻的現實，促使人們對地震加以關注、研究。在漢代，對中國地震學發展作出最大貢獻的是張衡。
地動儀剖麵圖
關於張衡在自然科學方麵所取得的成就，前文已幾次提及。這裏，僅介紹他於東漢順帝陽嘉元年（132年）發明的“候風地動儀”。這是世界上第一台觀測地震方位的儀器。《後漢書·張衡傳》對這台儀器有較具體的描述。據記載，地動儀“以精銅鑄成，圓徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊”。裏麵的結構，主要有立於中央部位的“都柱”（相當於一種倒立型的振擺）和它周圍的“八道”（振擺周圍的八組機械裝置），外麵相應地設置八條口含小銅丸的龍，每個龍頭下有一隻張口向上的蟾蜍。一旦發生比較強烈的地震，“都柱”因震波的衝擊失去平衡，震波從哪一個方向來，“八道”中哪一個方向的一道就被觸動，使相應的龍口張開，小銅丸就落入下麵蟾蜍口裏，觀測的人就知道在什麽時間、什麽方向發生了地震。地動儀製成後，安置於當時的都城洛陽靈台。
據記載，漢順帝永和三年（138年）二月初三日，地動儀西側一條龍突然吐出銅丸。當時京城的人們沒有感到有地震發生，於是便議論紛紛，認為張衡發明的地動儀不靈。但是不久，隴西（今甘肅東南部）有人飛馬來報，說那裏二月初三日的確發生了地震。這說明張衡的地動儀是比較準確的。在《續漢書·五行誌》中，對於隴西發生的這次地震有如下記載：“金城、隴西地震，裂城廓，室屋多壞，壓殺人。”據分析，這次地震的震級在六級以上。這也是人類曆史上第一次用儀器來觀測地震。在國外，直到13世紀，在波斯馬拉哈天文台才有了類似的儀器。到18世紀，歐洲才出現了利用水銀溢流來記錄地震的儀器。
值得一提的是，張衡設計的地動儀，也體現了他的自然哲學。地動儀形似酒樽（卵形），直徑和渾象一樣大，象征渾天說的天；立有都柱的平底，表示大地，籠罩在天內；儀體上雕刻的山龜鳥獸等可能象征山巒和青龍、白虎、朱雀、玄武等二十八宿，所刻篆文大約是乾坤震巽坎離艮兌，表示八方之氣；八龍在上象征陽，蟾蜍居下象征陰，構成陰陽上下的動靜辯證關係；都柱象征天柱，居於頂天立地的地位。如果結合當時的天體理論與哲學思想，以及張衡本人對天文學的研究成就，不難發現地動儀的思想因由。
二、對電和磁性的認識
雷電是自然界中常見的現象。關於雷電的記載，中國古代文獻很早就有。如“雷電相薄”[5]“雷雨作而百果草木皆甲柝”[6]“雷不發而震”[7]“雷電擊伯夷之廟”[8]“三月癸酉大雨震電。震，雷也；電，霆也”[9]，等等。但是，由於受到當時生產力和科技發展水平的限製，人們對於雷電這樣的自然現象一時還難以作出正確的解釋。秦漢時期，人們對於雷電的性質及其原因也作了初步的探索。《淮南子·墜形訓》記載：“陰陽相薄為雷，激揚為電。”這是用陰陽學說來解釋雷電。東漢時期的王充也說：“盛夏之時，太陽用事，陰氣乘之。陰陽分爭，則相較軫，較軫則激射。”他基本上繼承了《淮南子》的觀點。從科學的角度講，這種對於雷電的性質及其起因的解釋是欠深刻的，主要還是對這一現象的描述。但是，這種用陰陽學說解釋雷電產生原因的觀點，卻是中國古代在這方麵最流行的一種見解。
在漢代，人們常將摩擦起電的現象同磁石的吸鐵性聯係在一起。如王充《論衡·亂龍》記載：“頓牟掇芥，磁石引針。”頓牟即玳瑁，其甲殼經摩擦後會產生靜電，可以吸引芥一類的輕小物體。關於磁石吸鐵的認識，中國在先秦時期就有記載。如《管子·地數篇》說：“上有慈石，下有銅金。”這裏所說的慈石即磁石。據說，秦始皇時曾利用磁石的吸鐵性建造阿房宮的北闕門，為的是使“懷刃者止之”[10]。到漢代，人們對磁性有了新的認識，即磁石不能吸鐵以外的物體。如《淮南子》記載：“若慈石之能連鐵也，而求其引瓦則難矣。”[11]又雲：“慈石能引鐵，及其於銅則不行也。”[12]這是對磁石能吸引鐵屬物質而不能吸引非鐵屬物質的真實描寫。
又《淮南萬畢術》雲：“磁石拒棋。”注：“取雞血與針磨搗之，以和磁石，用塗棋頭，曝幹之，置局上，即相拒不休。”棋頭塗以磁石，便賦磁性。相拒不休，是指磁石同性相斥、異性相吸現象。這與其說是一種遊戲，倒不如說是一種磁性實驗。由此，人們對於磁性的認識加深了。
對磁性的了解和掌握，有多方麵的用途。利用磁石的指極性，製造出司南，可以指示方向。這在先秦時期就已出現。如《韓非子·有度》記載：“故先王立司南，以端朝夕。”東漢時，王充《論衡·星應》還記載了一種司南的形狀：“司南之杓，投之於地，其柢指南。”據近人王振鐸研究，司南是天然磁石琢磨而成的勺狀物，底部呈球形，放在地盤上，可以自由旋轉，旋定，其柄指南。這裏所說的地盤，是用銅或漆木製成的，呈正方形的物體，四周標有八幹[13]、十二支和四維（乾坤巽艮），合為24個方向。中間天盤呈圓形，作投轉司南之用。整個地盤是采天圓地方之製。這種司南可以看成是後世指南針的前身。
磁性還可以應用於醫學方麵。中國最早用磁石作為藥物治病的記載，見於《史記·倉公列傳》。該傳記載：“齊王侍醫遂藥，自煉五石服之。”五石指的是磁石、丹砂、雄黃、礬石和曾青五種礦物性藥物。《神農本草經》所列舉的46種礦物藥中，也有磁石。書中說：“慈石味辛酸寒，主周痹風濕，肢節中痛，不可持物，洗之酸痟。除大熱煩滿及耳聾。”這裏對磁石的藥療作用也作了說明。
此外，磁石還可以應用於建築、軍事等領域。
三、煉丹術的興起
煉丹術是我國古人為追求“長生”而煉製丹藥的方術。大體說來，它包括以下三個方麵：第一，用各種無機物，包括金屬和礦物，經過化學處理製作“長生藥”的研究；第二，為了研製“藥用”的人造黃金或白銀而進行的冶金研究；第三，為了尋求植物性“長生藥”而進行的藥用植物研究。所以說，盡管煉丹術的目的是荒誕的，所依據的理論大部分是唯心主義的，但由於這種煉丹實踐給煉丹家們提供了許多對自然現象進行觀察研究的機會，客觀上對我國古代的化學、冶金學、藥物學及生理學作出了突出貢獻，它被認為是中國近代化學的先驅。
早在戰國時期，人們就開始尋求“長生”之方。《戰國策》中已有方士向荊王獻“不死之藥”的記載。齊威王、齊宣王、燕昭王都曾使人入海求藥尋仙。秦始皇統一中國後，即遣徐巿（福）等人入海求仙，又派“燕人盧生求羨門、高誓”，“使韓終、侯公、石生求仙人不死之藥”。據研究，秦代已有煉丹活動。當時的煉丹，主要是提煉丹砂；丹砂，就是紅色硫化汞。紅色硫化汞一經加熱，就會分解出水銀（汞），水銀和硫黃化合生成黑色硫化汞，再加熱使它升華，又恢複到紅色硫化汞的形成。所生成的水銀，是金屬物質卻呈**狀態，圓轉流動，容易揮發，與尋常物質不同。古人對這些現象感到神奇，遂用這些物質製作“神丹”，作為“長生”之藥。據說，當時有“韓終丹法”“羨門子丹法”，都是以蜜或酒拌和丹砂而服食。
到漢代，煉丹術有了很大的發展。西漢時，漢武帝劉徹為了“長生久視”，曾經在民間廣求丹藥，並且招致方士親自煉丹。據史書記載，先是“齊人之上疏言神仙奇方者以萬數，然無驗者”，武帝“乃益發船，令言海中神山者數千人求蓬萊神人”。在眾多的方士中，李少君是最重要的人物。他曾向漢武帝提出：“祠灶則致物，致物而丹砂可化為黃金，黃金成，以為飲食器則益壽，益壽而海中蓬萊仙者乃可見，見之以封禪則不死，黃帝是也。”於是，漢武帝“始親祠灶，遣方士入海求蓬萊安期生之屬，而事化丹砂諸藥齊為黃金矣”[14]。與漢武帝同時代的淮南王劉安也“招致賓客之士數千人……言神仙黃白之術，亦二十餘萬言”。此外，“有枕中鴻寶苑秘書，書言神仙使鬼物為金之術，及鄒衍重道延命方，世人莫見”[15]。這裏提到的黃金，是煉丹家用丹砂製作的黃金，其物理性質與黃金相似，是一種仿黃金或偽黃金。這種黃金，就其用途而言，是一種藥金。從史書記載看，當時製作偽金的人不在少數。《漢書·景帝紀》中元六年（前144年）十二月條記載：“定鑄錢、偽黃金棄市律。”作“偽黃金”者就是指煉藥金的道士，因作者之多，故不得不以律禁之。不過，由於漢代許多帝王將相、貴族豪強的提倡，這一法律實際上也是徒具形式，各種各樣的煉丹之術不僅沒有因此消失，反而日益發展起來。
中國古代煉丹的方法可分為火法和水法兩種。這兩種煉丹的方法在秦漢時期均已出現。前文所提到的最早的煉丹材料丹砂即紅色硫化汞，其研製方法用的就是火法。所謂火法，主要是帶有冶金性質的無水加熱法。在現存的漢代丹經中，對這一方法的運用有大量的記載。成書於西漢末或東漢初的《黃帝七鼎神丹經訣》一書，記載了九種神丹大藥的藥方和煉法，其中的“神符”、“柔丹”、“伏丹”都是在土釜中加熱汞製得，用的是火法。如該書對於鉛汞還丹的煉法是這樣記載的：“取汞三斤，納土釜中，複以玄黃覆其上，厚二寸許。以一土釜合之，封以六一泥，外內固濟，無令泄。置日中暴，令大幹，乃火之。濕者不可，得火則拆破。如調丹華法，以馬通若糠火，火之九日夜，寒一日。發之，藥皆飛著上釜，狀若霜雪，紫紅朱綠，五色光華，厚二分寸餘，以羽掃除之。”[16]玄黃一名黃芽，即“仙經塗丹釜所須”的黃丹（鉛丹）。因為鉛丹在500℃以上能分解放出氧氣，氧氣又能與汞結合生成氧化汞而凝結在溫度較低的上釜內壁，所以上述升煉產物為氧化汞（HgO）。這是用火法，以黃芽製汞為丹的還丹煉法。
在大量的煉丹實踐中，秦漢時期的煉丹家們還能用火法製成各種汞合金，即汞齊，如錫、金、銀、鉛等金屬的汞齊。西漢淮南王劉安所著的《淮南子·天文訓》說，“明鏡”要“粉之以玄錫”，“玄錫”就是鉛汞齊，是古時用作製銅鏡時候的拋光劑。東漢末年著名的煉丹家魏伯陽在其所著的《周易參同契》一書中，也介紹了鉛丹的製作方法，並說：“胡粉投火中，色壞還為鉛。”就是說，經炭火的作用，胡粉（堿式碳酸鉛）不但色變，而且質也變了，還原為鉛。這表明中國古代煉丹家對於鉛粉與鉛的互變關係有一定的認識。與魏伯陽大致同時或稍後的東漢煉丹家狐剛子，可以說是用火法煉丹的專家。在他所著的《五金粉圖訣》一書中，記載了他的“九轉鉛丹法。”所謂“九轉”，是指先以鉛製備鉛丹作為原料，再從鉛丹出發用炭火還原出鉛，接著以所得鉛複煉為丹，如此反複九次。由於鉛丹在500℃以上會發生分解，所以狐剛子又特別強調，製鉛時不得用“猛火”。從這裏不難看出，當時人們雖然是為了尋求長生不老之方而煉丹，但客觀上卻把中國古代的冶金水平推進到了一個新的高度。
秦漢時，人們除用火法煉丹外，還采用水法煉丹。他們在溶解金石藥的長期實踐中，對水溶液中的複雜反應取得了相當豐富的經驗性認識。中國古代用水法煉丹處理藥物的方法，大致有以下幾種：化（溶解，有時也用熔化）、淋（用水溶解出固體物的一部分）、封（封閉反應物質，長期靜置或埋於地下）、煮（在大量水中加熱）、熬（有水的長時期高溫加熱）、養（長時間低溫加熱）、釀（長時間靜置在潮濕或含有碳酸氣的空氣中）、點（用少量藥劑使大量物質發生變化）、澆（傾出溶液、讓它冷卻）、漬（用冷水從容器外部降溫），以及過濾、再結晶等。用水法製備藥物，首先要準備華池，就是盛有濃醋的溶解槽（有時用缸、盆代替），醋中投入硝石和其他藥物。硝石在酸性溶液中能提供硝酸根離子，起到類似稀硝酸的作用，所以許多金屬和礦物能被它溶解。中國古代煉丹家有意識地在醋酸中加入硝石，用近代化學觀點來說，就是將酸堿反應和氧化還原反應統一起來加以應用，這在化學史上是一種創造。而這一方法，至少在西漢時人們就已發現。在迄今所知的世界上現存的最早的煉丹術著作、淮南王劉安時就已行世的《三十六水法》一書中，保存了古代煉丹家溶解34種礦物和2種非礦物的54個方子。如該節第一方為“礬石水”方，書中說：礬石水（含有銅鹽）“以華池和，塗鐵，鐵即如銅”。另一本書《淮南萬畢術》也說：“曾青得鐵則化為銅。”曾青難溶於水，需要在酸性條件下才能較快地進行置換反應，而醋酸則是水法煉丹中常用的溶劑。這說明西漢時的煉丹家在用水法煉丹過程中，已掌握了鐵對銅鹽的置換反應的知識。這一反應的發現，奠定了唐宋時代水法煉銅——膽銅法的基礎。當然，由於受到時代條件的限製，他們還不能對水溶液中的金屬置換反應作出正確的解釋。
值得一提的是，水法煉丹並不是千篇一律地都使用醋和硝石，方法是多種多樣的。如《黃帝九鼎神丹經訣》介紹了製取硫酸鉀的方法：用熱水溶化樸硝和硝石，取澄清的混合溶液加熱蒸發，使它濃縮，然後在小盆中用冷水從外部降溫，經過一宿的時間，溶液中生成的硫酸鉀就慢慢結晶出來。這是利用溶解度的不同製取藥物的方法，也是化學史上的一項創造。
總之，秦漢時期煉丹術的產生與發展，不僅直接推動了藥物學、冶金技術的發展，而且也出現了不少與化學有關的創造與發明。在我國現存的最早的藥物學專著《神農本草經》中，把煉丹常用的40多味金石藥分別列入上、中、下三品，其中丹砂還被列為上品第一，即是醫藥學吸取煉丹術成就的一個明證。至於煉丹所用的一些方法與技術，則在冶金技術中得到廣泛的應用，並且一直影響到後世，同時對中國古代化學的發展起了積極的促進作用。因此，可以說，煉丹術是中國古代科學技術上一個特殊的領域，一門獨立的學問，其豐富的內容仍有待於我們作進一步的開發和利用。
四、生物學知識的豐富
中國古代的生物學是與農學和醫學的發展緊密地聯係在一起的。秦漢時期，隨著農業和醫藥衛生事業的不斷發展，人們對動植物的接觸和利用的範圍日益擴大，生物學知識也日漸豐富。這一時期，人們不僅有了較為準確的生物分類知識，而且對於各種生物的屬性、形態有了更為精確的了解，並在農業和醫學諸方麵加以廣泛的應用。
對於生物的分類，是生物學的基本要素，也是人類認識和利用生物的重要手段。從秦漢時期留下的各種典籍中，可以看出當時人們已對各種動植物有了相當的認識。成書於西漢時期的《爾雅》一書，提供了較為完整的中國古代生物分類知識。《爾雅》是中國最早的一部詞典，是一部專門解釋古代詞語的著作。在這本書中，涉及生物分類的，有釋草、釋木、釋蟲、釋魚、釋鳥、釋獸、釋畜等篇，其中前六篇主要包括野生的植物和動物，最後一篇主要講家養動物。從它的篇名排列次序來看，反映了當時人們對於動植物的分類認識，就是分植物為草、木二類，分動物為蟲、魚、鳥、獸四類。這是中國古代勞動人民對動植物分類的樸素的、自然的認識。
在《爾雅》一書中，記載了許多動植物的名稱，反映了當時人們較為豐富的生物學知識。如在《釋草》篇中，記載了一百多種植物名稱，都是草本植物；《釋木》篇記載了幾十種木本植物名稱。《釋蟲》篇載有80多種動物名稱，其中絕大多數為節肢動物，其餘為軟體動物，因此，蟲類大致相當於現代生物分類學上的無脊椎動物。《釋魚》篇列舉了70多種動物，以魚類為主，還有兩棲類、爬行類、節肢動物、扁蟲類和軟體動物。《釋鳥》列舉了90多種動物，除蝙蝠、鼯鼠應列入獸類外，其餘均屬鳥類。《釋獸》列舉了60多種動物，均屬獸類。由此可見，《爾雅》不僅對於動植物的分類基本上是正確的，而且也反映出當時人們對每一類生物的認識是相當明確的。
《神農本草經》是中國兩漢時期一部最重要的藥物學著作。該書共收錄植物及植物性藥物252種，動物及動物性藥物67種，基本上包括了現代中醫的常用藥物。書中還根據藥物的性能和使用目的的不同，將藥物分為上、中、下三品。上品藥一般是毒性小或無毒的，大都是“主養命以應天”的補養藥物；中品藥有的有毒，有的無毒，多兼有攻治疾病作用並能滋補虛弱的藥物；下品藥多是有毒而專用於攻治疾病的藥物。這是中國藥物學最早的分類法，也是生物學領域的一種分類學說。雖然從動植物分類上看，它較之先秦時期的《禮記》及兩漢時的《爾雅》不同，更傾向於人為的分類而不是自然的分類，但是，由於書中不僅記述了藥物的名稱，還深入地記載了各種藥物的性味、藥效、主治乃至產地，因此，就其對動、植物的認識而言，不論從廣度或深度上看，都比先秦時期大大地發展了。
人們在從事農業生產時，也大量地接觸到各種生物。從現有的文獻記載看，兩漢時期人們已對作物的栽培與農作物病蟲害的防治有了相當的了解。如《氾勝之書》指出，種豆時要灌水，“臨種沃之，坎三升水”，種麻時遇“天旱，以流水澆之，樹五升”，說明要根據天氣、土壤等環境情況，進行合理灌溉，以保持植物體的水分平衡。該書還介紹了利用雪水處理種子使稻麥耐寒多實，利用灌溉水控製田間溫度促進稻麻生長，用手摩果實控製瓠定向生長，以及獨特的施用種肥的潑種法等一係列方法。這些方法都是改善農作物或園藝作物生態環境的增產措施。《漢書》中還記載了當時人們在蔬菜栽培上的“溫室栽培法”。當時太官園中，冬天能種植“蔥韮菜茹”。其辦法是“覆以屋廡，晝夜熬（燃）蘊火，待溫氣乃生”[18]。這種方法，雖然隻是在個別地方采用，尚未普及，且其技術水平也不及現代農業，但在當時無疑是一項了不起的發明。
在古代，農作物的生長常受到各種病蟲害的威脅。因此，對於各種昆蟲及其習性的了解十分必要。兩漢時期，一些進步的思想家針對當時流行的“天罰說”，將害蟲的繁殖與人事相聯係的錯誤觀點，進行了有力的駁斥，提出了唯物主義的有說服力的見解。如東漢時期著名思想家王充認為，害蟲的繁衍與人事無關，它們與其他的生物一樣，也需要一定的食物和氣候條件：“甘香渥味之物，蟲常生多”，“然夫蟲之生也，必依溫濕，溫濕之氣，常在春夏，秋冬之氣，寒而幹燥，蟲未曾生”。他還注意到昆蟲各有自己的生活史，“出生有日、死極有月，期盡變化，不常為蟲”[19]，進而談到用幹暴麥種、煮馬糞汁浸種和驅趕蝗蟲入溝內加以殺滅等方法，就能防治蟲害。這種用理性的方法去研究和處理病蟲害，無疑具有重要的思想價值。
遺傳與變異，是生物學中兩個十分重要的概念，也是自然界中廣泛存在的現象。兩漢時期，人們在大量的生產和生活實踐中，對於生物間的遺傳與變異現象也有了一定的認識。如王充在《論衡》中說：萬物“因氣而生，種類相產”[20]，“物生自類本種”[21]。這裏說的就是物種的遺傳性。他還進一步指出：“萬物生天地之間皆一實也。”[22]即萬物的生殖和種類的各種特性遺傳給後代，都是通過種子“實”來實現的。如“草木生於實核，出土為栽孽，稍生莖葉，成為長短巨細，皆由實核”[23]。這就是說，植物的個體發育是從種子開始的，親代的特征可以通過生殖而由種子留傳給後代。但不同種類的生物卻不能**和繁殖，因而也不可能有什麽遺傳。他說：“若夫牡馬見牝牛，雌雀見雄雞，不相與合者，異類故也。”[24]對於生物的變異現象，史書也多有記載。如《爾雅》中就記載了多種馬以及它們之間的差異。王充《論衡》中還清楚地論述了生物的變異。他指出：“種類無常”，“同類而有奇，奇為不世，不世難審”[25]，並舉出許多例子加以說明。如“越常獻白雉。白雉，雉生而白色耳，非有白雉之種也”[26]。就是說，白雉與平常的雉一樣，隻是毛色出現了白色的變異，並非特別的種類。在《氾勝之書》中，對多種農作物的選種提出了具體的要求，這顯然是當時人們利用業已掌握的生物遺傳與變異知識以提高農業生產的一個例證。