中国古代科技史(上)

中国古代科技史中,最让后人津津乐道的是四大发明。然而,勤劳的人民发明创造的不止这些,还有别的发明,比如算盘的发明,所以四大发明只是代表科技发展的进步与繁荣。四大发明是指古代中国的四种发明,一般是指造纸术,指南针,火药,活字印刷术。此种说法最早由英国汉学家李约瑟提出,并为许多历史学家所继承,认为四种发明对中国古代政治,经济与文化发展产生巨大作用,对世界文明发展产生很大影响。

造纸术发明

造纸术是中国四大发明之一,发明时期于汉朝西汉时期,改进时期于汉朝东汉时期。中国是世界上最早发明纸的国家,根据考古发现，西汉晚期已经有了麻质纤维纸,质地粗糙,且数量少,而且成本高,不适合普及。中国是世界上最早养蚕织丝的国家,古人以上等蚕茧抽丝织绸,剩下的恶茧等则用漂絮法制取丝绵。漂絮完毕后,篾席上会遗留一些残絮。当漂絮的次数多了,篾席上的残絮便积成一层纤维薄片,经晾干之后剥离下来,可用于书写。这种副产物数量不多,在古书上称为方絮。105年宦官蔡伦改进了造纸术,他用树皮,麻头及敝布,鱼网等植物原料,经过挫,捣,抄,烘等工艺制造的纸,是现代纸的渊源。自从造纸术发明后,纸张便进入社会文化生活之中,并逐步在中国大地传播开来,以后传播到世界各地。纸是中国劳动人民长期经验的积累和智慧结晶,纸是用以书写,印刷和绘画等作用,用以传播和发展古代文化。

造纸术步骤

东汉和帝时期,经过蔡伦的改进,形成了一套较为定型的造纸术工艺流程,其过程大致可归纳为四个步骤:首先,原料的分离,是用沤浸或蒸煮的方法让原料在碱液中脱胶,并分散成纤维状,然后就是打浆,用切割和捶捣的方法切断纤维,使纤维帚化而成为纸浆。接着就是抄纸,将纸浆渗水制成浆液,然后用捞纸器捞浆,使纸浆在捞纸器上交织成薄片状的湿纸。最后,就是晾干保持干燥,把湿纸晒干或晾干,揭下就成为纸张。

造纸术发明过程

蔡伦简介

1蔡伦(61-121)字敬仲,河南桂阳人,东汉宦官,造纸术改造的发明者。75年选入宫给事,几年后负责传达诏令。88年因有功于太后,升为中常侍,后兼任尚方令。汉和帝即位后,升迁为中常侍,成为传达诏令,掌理文书的高等宦官。97年负责监作秘剑及诸器械,由中常侍加位尚方令。107年邓太后因其很尽职,封龙亭侯。后来,担任长乐太仆,105年向汉和帝献纸,这种纸称为蔡侯纸。总结出人们的造纸经验革新造纸工艺,改进了造纸术,终于制成蔡侯纸,汉和帝下令推行了造纸法。

蔡伦的结局

121年邓太后卒,安帝亲政。因为受窦后指使参与迫害安帝祖母宋贵人致死,剥夺刘庆皇位而被审讯查办,让自己到廷尉那里认罪。耻于受辱,沐浴后穿戴整齐衣服与帽子,最后喝毒药而死,享年61岁。虽然结局不好,但是他发明并推行造纸术的传播,对中国文化进步的发展作出一定贡献。蔡伦改进的造纸术成为中国古代四大发明,对人类文化传播和世界文明的进步作出重大的贡献,千百年来备受人们的尊崇。

蔡伦造纸

指南针发明

古代叫司南,主要是一根装在轴上的磁针,磁针在天然的磁场作用下可以自由转动,并保持在磁子午线的切线方向上,磁针的南极指向地理南极,利用这一性能可以准确辨别方向。记载司南的最早的文献是《鬼谷子》其中写道:"郑人之取玉也,必载司南之车,为其不惑也。”从书中记载可以看出,郑人去取玉,必须要带上司南,就是为了避免方向的迷失。

司南发展过程

司南就是指南针的前身,但是司南具体是谁发明的,目前没有定论。指南针是一种非常简单的仪器,但是其作用非常的大,影响着全世界。主要组成部分就是将一根磁针装在一个可以转动的轴上,使得可以自由地转动磁针。在磁场作用下,磁针保持在磁子午线的切线方向上。指南针最初是北宋时期发展,南宋时期用于航海事业。

司南

指南针的应用

10世纪到11世纪,先是传入阿拉伯,再传入到了欧洲。指南针出现之前,航海家只能依靠太阳以及月亮的位置来确定方位。所以,指南针在欧洲的传播为欧洲航海事业做出巨大贡献,给大航海的时代到来提供便利与发展。航海出现突破的发展,从明代造船业的发展来看,郑和下西洋使用大量指南针,可以突破大海远航,能与海外建交取得重大成就。

宋代指南针

指南车发明

指南车,又称司南车,是古代用来指示方向的一种装置。它与指南针利用地磁效应不同,它不用磁性。指南车是利用齿轮传动来指明方向的简单机械装置。其原理靠人力来带动两轮的指南车行走,从而带动车内的木制齿轮转动,来传递转向时两个车轮的差动,来带动车上的指向木人与车转向方向相反角度相同,使车上的木人指示方向,木人的手始终指向指南车出发时设置指示的方向,车虽回运而手常指南。

指南车

指南车发明者

指南车的使用从黄帝时代直到宋代,按宋史记载知道北宋时有指南车仍然在使用。北宋被灭后,国都南迁后,建立南宋,屡经战乱,也无力顾及指南车的发明。南宋灭亡后,元朝建立,少数民族统治中国,并不重视汉族以往的传统,从此指南车的研究绝迹历史中。然而,有不少人复制出指南车发明,有人说是三国发明家马钧,也有说是南北朝科学家祖冲之。

2马钧(约164-240)字德衡,陕西兴平人,三国时期曹魏发明家,中国古代科技最负盛名的机械发明家。年幼时家境贫寒,有口吃的毛病,所以不擅言谈,精于巧思。186年毕岚制造翻车,用于取河水洒路。当时在京城洛阳任职,刚好见到,城内有地可辟为园地。为了能灌溉,190年制造龙骨水车,更大提高百姓浇灌田地的方便与快捷。后来,在魏国担任给事中,最突出表现就是还原指南车,改进当时操作笨重的织绫机。魏明帝时期,制作出一种轮转式发石机,能连续发射石块,远至数百步,把木制原动轮装于木偶下面,叫做水转百戏图。此后,还改制了诸葛连弩,对科学发展和技术进步做出贡献。

马钧

3祖冲之(429-500)字文远,出生于南京,祖籍范阳郡涞水,南北朝时期杰出数学家与天文学家。喜欢钻研自然科学,其主要贡献在数学,天文历法和机械制造三方面。曾任南徐州刺史府从事,先后任南徐州从事吏,公府参军。虽然生活很不安定,但是仍继续坚持学术研究,并且取得了很大的成就。在刘徽开创的探索圆周率精确基础上,首次将圆周率精算到小数第七位,提出的祖率对数学的研究有重大贡献。直到16世纪阿拉伯数学家阿尔卡西打破这次纪录。

大明历发明与推行

462年把精心编成《大明历》送给孝武帝,请求公布实行,孝武帝命令历法官员对这部历法进行讨论,465年才颁布推行新历法。撰写的《大明历》是当时最科学的历法,对后世的天文研究提供正确的方法。主要著作有《安边论》《缀术》《述异记》《历议》等。464年调到娄县当县令,后又到建康担任谒者仆射。496-498年任长水校尉,花费了较大精力来研究机械制造,重造了用铜制机件传动的指南车,发明能走百里的千里船和木牛流马,水碓磨等,制造过漏壶和欹器。500年与世长辞,享年72岁,其子祖暅继承父业。

祖冲之

4祖暅(456-536)名暅之,字景烁,河北涞水人,南北朝时期数学家,天文学家,祖冲之子。与父亲圆满解决了球面积的计算问题,得到正确的体积公式,并提出了著名的祖暅原理。父子俩总结了魏晋著名数学家刘徽的研究,提出等高的两立体,若其任意高处的水平截面积相等,则这两立体体积相等,这就是著名的祖暅公理。在梁朝担任员外散骑侍郎,太府卿,南康太守,材官将军,奉朝请等职务,青年时代对天文学和数学造诣很深,是科学事业的继承人。主要贡献是修补编辑祖冲之《缀术》因此缀术是他们父子共同完成的数学杰作。

5祖皓(489-550)字皓安,祖冲之孙,祖暅子,范阳涞水人,南朝数学与历法家。志节慷慨,有文武之才。少传家业,善于算历研究。540年任江都县令,545年任广陵太守。548年侯景发动叛乱,攻入梁都台城。次年行至江西,百姓感其恩惠,将其藏匿。广陵人来嶷召集民众,讨伐董绍为虎作伥的行径,自告奋勇支持起兵,纠集勇士耿光等人,救援简文帝。550年诛杀董绍,驰檄讨伐侯景。侯景惧怕,兵败逃走,侯鉴等攻占城池。城破后,见执被缚,箭射遍体,破口大骂侯鉴,侯鉴将其以车裂处死,享年62岁,兄弟子侄遇害者16人。

6信都芳(-548)字玉琳,河北河间人,北朝著名数学家,天文学家。曾向祖暅学习数学与天文知识,并将浑天,地动,漏刻等仪器绘成图册,编为《器准图》3卷。早年隐居并州的东山,太守慕容保乐得知其很有学问,把他征召出来。其弟慕容绍宗将其推荐给高欢,被聘为馆客,授中外府田曹参军之职。生活朴素,并撰写《史宗》等书。此外,还著有《乐书》《遁甲经》《四术周宗》等书,在这些书的序言中论述了盖天说和浑天学说的正误。晚年曾撰《灵宪历》对大月,日蚀,月蚀等计算相当准确,武定年间怀着遗憾离世。

火药发明

火药是中国四大发明之一,在适当的外界能量作用下,自身能迅速而有规律的燃烧,同时生成大量高温燃气的物质。火药的发明是人们长期炼丹与制药实践有关,而且为火炮的发展提供了军事与化学的研究,同时将火药带入欧洲,也是对全世界的军事武器发展与理论做出更大贡献。

炼丹术的发展

原称炼丹术,道教为了避免与内丹相混淆,改称外丹。这是以炉鼎烧炼矿物类药物,制取长生不死仙丹,又称金丹,以追求长生术的一种实验方术。外丹术或炼丹术是中国的道教的一种修炼方法,也是化学的雏形。同时,它也对中国传统医学产生很大的影响。外丹术包括黄白术,也就是炼金术,最早是通过炼制铅,汞等药物来制作长生不老的丹药。开始称作金丹,后来称为外丹。炼制外丹,是通过各种秘法,烧炼成丹药,用来服食或直接服食某些芝草,以点化自身阴质,从而化为阳气。

炼丹术

秦汉时期,我国金属冶炼技术取得更大发展,医药学又提供了使用矿物类药物以疗病的经验。由此可见,我国外丹术最迟在秦代已经出现。在外丹著作方面,除现存《三十六水法》是早期水法炼丹的重要文献外,尚有成书东汉初《黄帝九鼎神丹经》和《太清金液神丹经》等著作,东晋道教著名炼丹家葛洪的金丹理论形成有重要影响。后者体现早期炼丹中水法与火法并重,内养与外功结合的特点,其中生成物是合成氯化亚汞等物质构成。炼丹必须要有炼丹炉,方士们发现朱砂这东西很有意思,拿着火烧就变成水银,放点硫磺又变成朱砂,于是方士们想到这个就是阴阳的体现,开始喝水银吃朱砂,来达到追求长生不老的愿望。

炼丹炉

7张道陵(34-156)字辅汉,原名张陵,江苏徐州人,东汉时道教创始人。因创立的五斗米道又称天师道,故称张天师。父亲张大顺,好神仙之术,自称桐柏真人,生子取名陵,希望将来能追随先祖,远离尘世,登陵成仙。自幼聪慧过人,七岁便读通道德经。为太学书生时,博通四书五经,精于天文地理,从其学者千余人。于是改学长生之道,26岁拜江州令,不久辞官隐居洛阳北邙山中,开始学道。和帝征召其为太傅等职,均辞而不受。后来,开始云游名山大川,访道求仙,居桐柏太平山,后与弟子王长,赵升一起渡江到达江西贵溪云锦山。从此,就在山上结庐而居,并筑坛炼丹。传说三年后神丹成,龙虎出现,故此山又称龙虎山,听闻蜀中民风纯厚,移居四川鹤鸣山。142年太上老君降临蜀地,传授其道法,嘱其扫除妖魔,救护生民。从此,创立了道教,尊老子为教祖,156年升仙而去,时年123岁。

张陵

8张衡(96-179)字灵真,江苏丰县人,张道陵长子,张鲁之父,东汉末年天师道第二代天师。156年袭教,隐居阳平山。皇帝闻其有道法,欲征为黄门侍郎,辞而不就。179年传位于其子张鲁,同年去世,时年84岁,子张鲁,张卫,张愧,张征。

9葛玄(164-244)字孝先,江苏句容人,葛洪从祖,晋代炼丹家。吴初曾拜左慈为师,学习《太清丹经》《金液丹经》。后于江西閤皂山修道,常服饵术,能用符治病,行诸奇术。233年往阁皂东峰建庵,筑坛立炉,修炼九转金丹。曾受吴帝孙权召见,临终前,将左慈所传三部丹经授弟子郑隐。道教丹鼎派最早传授人之一,后世道教尊称为葛仙公,太极左仙公。北宋时追封冲应孚佑真君,244年病死,享年81岁。

10葛洪(283-363)字稚川,自号抱朴子,江苏句容人,东晋道教理论家,炼丹家和医药学家,世称小仙翁。祖父葛系,父亲葛悌,所著《抱朴子》继承和发展炼丹术,对道教炼丹术的发展具有很大影响,为研究中国炼丹史以及古代化学史提供宝贵的史料。此外,还撰有医学著作《玉函方》百卷,《肘后备急方》三卷,内容记录其中有最早治天花等病的记载,其中《正统道藏》和《万历续道藏》收有著作十余种。

葛洪

方士葛玄侄孙,葛悌子。13岁丧父,家境贫寒,以砍柴抄书为业。304年加入吴兴太守顾秘军队,任将兵都尉,与农民起义军交战,因功任伏波将军。次年辞官至洛阳寻找炼丹术书籍,但因陈敏盘据江东作乱,流落在徐州,豫州等地。随后,开始修身养性,师事鲍靓,娶其女鲍姑为妻。314年返回家乡,隐居山林,继续从事抱朴子的创作。东晋初赐爵关内侯,咸和初召为洪州主薄,迁咨议参军,327年开始隐居罗浮山,专门研究炼丹术。晚年修筑黄龙观,著书讲学,363年10月去世,享年81岁。另著有《碑颂诗赋》百卷《军书檄移章表笺记》30卷《神仙传》《隐逸传》10卷,抄兵事方技短杂奇要310卷,有《金匮药方》百卷和《肘后备急方》四卷。

11陶弘景(456-536)字通明,自号华阳居士,号贞白先生,江苏南京人,南朝道教学者,炼丹家,医药学家。士族出身,10岁读《神仙传》,15岁曾作寻山志。20岁时齐高帝引为诸王侍读,拜左卫殿中将军。30岁拜道士孙游岳为师,受符图及经法等,遍游名山,寻访仙药真经。488年在茅山得到许谧手书真迹,490年东行,拜谒各地居士和法师。492年辞去朝廷食禄,隐居句容句曲山,开创茅山宗。梁武帝即位后,多次派使者礼聘,坚不出山。朝廷每有大事,常往咨询,书信往来频繁,时称为山中宰相。晚年整理《神农本草经》增收新药,编成《本草经集注》7卷。著作还有《真诰》《登真隐诀》《养性延命录》《集金丹黄白方》等。能书善画,作品有《山居图》等,536年因病去世,享年81岁。

陶弘景

12孙思邈(580-682)陕西耀县人,唐代著名道士,医药学家,号称为药王。少时因病学医,后来终成大师,博涉经史百家兼通佛典,著名道教人物。出生于农民家庭,自幼聪明过人,长大后开始爱好道家学说。604年隐居陕西终南山中,获得了很高的声名。重视民间的医疗经验,不断积累走访,终于完成著作《千金要方》。唐朝建立后,接受朝廷的邀请,与朝廷合作开展医学活动。659年完成世界上药典《唐新本草》,674年因年高有病,恳请返回故里。682年与世长辞,享年103岁。他的《丹经》书中,第一次把火药配方记录下来。同时,著作有《千金要方》《千金翼方》《唐新本草》等,并发明导尿术,对医药学的发展有重大贡献。此外,还提出针灸会用,针药兼用和预防保健灸法,其子孙行官至太子中允等职。

孙思邈

13孙行(638-700)陕西耀县人,孙思邈子,唐代官吏。少时喜欢道教著作,初任鄜州洛交县尉,洛州渑池县尉等职,后来奉调进京,出任右拾遗,成为唐高宗重要近臣。历任凤阁舍人,鸾台,夏官三司侍郎,左台御史大夫,朝散大夫,官至太子中允等职。700年因病死于洛阳,时年63岁,葬于邙山。

14李畋(621-690)湖南浏阳人,花炮祖师,唐代烟花发明家,生于浏阳醴陵县麻石村。据传,当时灾害连年,瘟疫流行,以小竹筒装硝,导引点燃,以硝烟驱散山岚瘴气,减少瘟疫流行,爆竹因而很快推广开来。因此,被烟花爆竹业奉为花炮祖师。为了制作爆竹,历尽艰辛,手足多次伤损,直到中年与唐姓女子结为夫妻。此后,继续从事爆竹制作和硝药提炼,690年因积劳成疾病逝,享年70岁。宋时爆竹业得到较大发展,又在县城田家巷建造李畋庙,并将故居改为李畋阁,将墓地由东峰界迁至阁后重葬。清初,在县城畀冲观侧重建李畋庙。

李畋雕塑

15陶成道(约1330-1390)原名广义,渐江金华人,元末明初著名发明家。赐名成道,原是浙江婺城陶家书院山长,喜好钻研炼丹技巧。在一次炼丹事故后,转为试制火器。元末时期,群雄争霸,吴王朱元璋攻下婺州,率弟子献上火神器技艺。在历次战事中屡建奇功,受到太祖封赏万户,从此被世人称为万户。明初时期,他是首位想到利用火箭飞天的人,称为世界航天第一人。晚年辞官后,1390年将47个自制火箭绑在椅子上,自己坐在上面,双手举着2只大风筝,然后叫人点火发射。当时,面对周围人担忧后,仰天大笑说道:"飞天乃是我中华千年来的夙愿,今天纵然粉身碎骨,血溅天疆,也要为后人闯出一条探天的道路来。尔等不必害怕,快来速速点火！"仆人们按照要求点火,随着一声巨响,被火箭推力带到了天空,接着设计的第二阶段火药被引燃,以此来继续提高装置升天的高度。正当仆人们高兴的时候,听到天空中发射装置变成了一个火球,迅速从空中坠落,为此付出了生命。为了纪念万户,国际天文学联合会将月球上的环形山,取名叫万户山。

万户飞天

火炮发明史

宋朝初年发明的火石炮(霹雳炮)可能是世界上最早的火炮,据《宋史.列传》记载:胜尝自创如意战车数百两,炮车数十两,车上为兽面木牌,大枪数十,垂毡幕软牌,每车用二人推毂,可蔽五十人。1163年南宋军队发明最早的火炮就是霹雳炮,但是仍有争议。而且,黑龙江出土的元代火炮,则是目前最早的火炮文物。在火炮发明前,最早的炮就是拋石机。抛石机的种类很多,通常抛石机指的是配重式抛石机。与弹射器不同,抛石机是利用配重物的重力发射。拋石机主要用于围攻和防守要塞,抛石机是利用杠杆原理的木制机械装置,用于投掷石弹及火炮弹进行远程军事打击。古代炮字称为砲,从字的形意上去看砲和炮,可以理解包着石头和包着火药的抛石机,这其实从侧面反映了抛石机发展的突破。《守城录》中记载:"攻者利器,皆莫如砲。攻者得用砲之术,则城无不拔,守者得用砲之术,则可以制敌"。运用抛石机在军事作战中,能减少士兵人员伤亡,对军事设施和军队的伤害巨大,缩短战争进程,正是在作战中具有这些无法比拟的优势,因此便在战争中扮演重要的角色,并随着历史变迁获得了充分的发展。

拋石机发明历史

抛石机的机架两支柱间有固定横轴,上有与轴垂直的杠杆,可绕轴自由转动。杠杆短臂上固定一个重物,长臂末端有弹袋用于装弹。发射时,用绞车把长臂向后拉至几乎水平,突然放开,石袋即迅速升起。当短臂重锤完全落下时,投射物从弹袋中沿约45度角飞出。30公斤石弹射程约140-210米,100公斤的石弹射程约40-70米,说明它的威力也很巨大。

抛石机的发明产生于周代,战国时期已经有了人力抛石机,利用杠杆原理将石头等重物抛出。在《墨经》书中,记载牵引投石机向敌军投掷填满燃烧木炭的空心圆木。冷兵器时代,拋石机实际上就是投石机。

投石机

投石机又叫做抛石机,飞石车,砲机等,主体结构采用木料制成,炮架上方横置一个可以转动的轴,固定在轴上的长杆称为梢,起到杠杆作用。梢越多,可以抛射的石弹就越重又越远。

早期人力投石机

历史上最早投石机出现于春秋战国时期,这种武器是利用人力进行发射的人力投石机,通过人力拉拽将石弹抛出。在三国历史中,刘晔献祭曹操用霹雳车在官渡之战发射石弹,击毁袁军用以向曹营发射弩箭的橹楼,最终赢得战役胜利。这里面的霹雳车正是投石机的一种,这个投石机与战国时的投石机相比,依然采用人力拉拽炮梢进行抛投。

宋元时期拋石机

13世纪宋元交战中,元军利用回回炮攻破襄樊,这种从西域传来的回回炮与投石机,霹雳车相比,已经有了非常明显的进步。此炮利用杠杆原理,在一端装有重物,另外一端装有待发射的石弹,燃烧弹或者火药,发射前先将放置弹药的一端用绞盘,滑轮或直接用人力拉下,附有重物的另一端也在此时上升,放好石弹后放开或砍断绳索,让重物落下,石弹顺势抛出,威力更加有突破的成就。

扭力投石机

14世纪投石机发展到了顶峰,投石机的种类也很多,根据作战用途还可以分为轻型,中型,重型,跟现代火炮有点类似。根据发射原理不同可以分为人力投石机,配重投石机,弹力投石机和混合投石机等,发射弹药从早期的石弹,燃烧弹,火药,扩展到毒药,毒烟的化学弹,烟幕弹及人或动物尸体等。

重型投石机

16世纪以后,伴随着火炮和新型城防的发展,投石机受到极大的挑战。为了让投石机有着更大的威力,欧洲人开始恢复在早配重与牵引混合的投射方法,但伴随着火炮的越加强大,最终古老的攻城兵器还是被历史淘汰。

重型抛石机