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中國古代科學成就

1.印刷術

印章在先秦時就有,壹般只有幾個字,表示姓名,官職或機構。印文均刻成反體,有陰文、陽文之別。在紙沒有出現之前,公文或書信都寫在簡牘上,寫好之後,用繩紮好,在結紮處放粘性泥封結,將印章蓋在泥上,稱為泥封,泥封就是在泥上印刷,這是當時保密的壹種手段。紙張出現之後,泥封演變為紙封,在幾張公文紙的接縫處或公文紙袋的封口處蓋印。據記載在北齊時(公元550~577年)有人把用於公文紙蓋印的印章作得很大,很像壹塊小小的雕刻版了。

1、戰國(公元前475-前221年)時期的銅印。

2、晉代著名煉丹家葛洪(公元284~363年)在他著的《抱樸子》中提到道家那時已用了四寸見方(13.5×13.5)有120個字的大木印了。這已經是壹塊小型的雕版了。

3、佛教徒為了使佛經更加生動,常把佛像印在佛經的卷首,這種手工木印比手繪省事得多。

4、碑石拓印技術對雕版印刷技術的發明很有啟發作用。刻石的發明,歷史很早。初唐在今陜西鳳翔發現了十個石鼓,它是公元前8世紀春秋時秦國的石刻。秦始皇出巡,在重要的地方刻石7次。東漢以後,石碑盛行。漢靈帝四年(公元175年)蔡邕建議朝廷,在太學門前樹立《詩經》、《尚書》、《周易》、《禮記》、《春秋》、《公羊傳》、《論語》等七部儒家經典的石碑,***20.9萬字,分刻於46塊石碑上每碑高175、寬90、厚20厘米,容字5000,碑的正反面皆刻字。歷時8年,全部刻成。成為當時讀書人的經典。很多人爭相抄寫。後來特別是魏晉六朝時,有人趁看管不嚴或無人看管時,用紙將經文拓印下來,自用或出售。結果使其廣為流傳。

5、拓片是印刷技術產生的重要條件之壹。古人發現在石碑上蓋壹張微微濕潤的紙,用軟槌輕打,使紙陷入碑面文字凹下處,待紙幹後再用布包上棉花,蘸上墨汁,在紙上輕輕拍打,紙面上就會留下黑地白字跟石碑壹模壹樣的字跡。這樣的方法比手抄簡便、可靠。於是拓印就出現了。

6、印染技術對雕版印刷也有很大的啟示作用,印染是在木板上刻出花紋圖案,用染料印在布上。中國的印花板有凸紋板和鏤空板兩種。1972年湖南長沙馬王堆壹號漢墓(公元前165年左右)出土的兩件印花紗就是用凸紋板印的。這種技術可能早於秦漢,而上溯至戰國。紙發明後,這種技術就可能用於印刷方面,只要把布改成紙,把染料改成墨,印出來的東西,就成為雕版印刷品了。在敦煌石室中就有唐代凸板和鏤空板紙印的佛像。

印章、拓印、印染技術三者相互啟發,相互融合,再加上我國人民的經驗和智慧,雕版印刷技術就應運而生了。

2.造紙術

漢初年,政治西漢麻紙穩定,思想文化十分活躍,對傳播工具的需求旺盛,紙作為新的書寫材料應運而生。許慎著《說文解字》,成書於公元100年。談到“紙”的來源。他說:“‘紙’從系旁,也就是‘絲’旁”。這句話是說見當時的紙主要是用絹絲類物品制成,與現在意義上的紙是完全不同的。許慎認為紙是絲絮在水中經打擊而留在床席上的薄片。這種薄片可能是最原始的“紙”,有人把這種“紙”稱為“赫蹄”。這可能是紙發明的壹個前奏,關於這種“紙”的記載,可以追溯到西漢成帝元延元年(公元前12年)。《漢書·趙皇後傳》中記錄了成帝妃曹偉能生皇子,遭皇後趙飛燕姐妹的迫害,她們送給曹偉能的毒藥就是用“赫蹄”紙包裹,“紙”上寫:“告偉能,努力飲此藥!不可復入,汝自知之!”。由此推測紙可能與絲有壹定關系。

遠古以來,中國人就已經懂得養蠶、繅絲。秦漢之際以次繭作絲綿的手工業十分普及。這種處理次繭的方法稱為漂絮法,操作時的基本要點包括,反復捶打,以搗碎蠶衣。這壹技術後來發展成為造紙中的打漿。此外,中國古代常用石灰水或草木灰水為絲麻脫膠,這種技術也給造紙中為植物纖維脫膠以啟示。紙張就是借助這些技術發展起來的。

從迄今為止的考古發現來看,造紙術的發明不晚於西漢初年。最早出土的西漢古紙是1933年在新疆羅布淖爾古烽燧亭中發現的,年代不晚於公元前49年。

1957年5月在陜西省西安市灞橋出土的古紙經過科學分析鑒定,為西漢麻紙,年代不晚於公元前118年。1973年在甘肅居延肩水金關發現了不晚於公元前52年的兩塊麻紙,暗黃色,質地較粗糙。

1978年在陜西扶風中延村出土了西漢宣帝時期(公元前73~49年)的三張麻紙;1979年在甘肅敦煌縣馬圈灣西漢烽燧遺址出土了五件八片西漢麻紙。1986年甘肅天水放馬灘出土的西漢文帝時期(公元前179~前141年)的紙質地圖殘片,表明了當時的紙可供寫繪之用。從上述西漢出土的紙的質量來看,西漢初年的造紙技術已基本成熟。

歷史上關於漢代的造紙技術的文獻資料很少,因此難以了解其完整、詳細的工藝流程。後人雖有推測,也只能作為參考之用。總體來看,造紙技術環節眾多,因此必然有壹個發展和演進的過程,絕非壹人之功。它是我國勞動人民長期經驗的積累和智慧的結晶。

3.指南針

指南針的始祖大約出現在戰國時期。它是用天然磁石制成的。樣子像壹把湯勺,圓底,可以放在平滑的“地盤”上並保持平衡,且可以自由旋轉。當它靜止的時候,勺柄就會指向南方。古人稱它為“司南”,當時的著作《韓非子》中就有:“先王立司南以端朝夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中記載了司南的應用,鄭國人采玉時就帶了司南以確保不迷失方向。

春秋時代,人們已經能夠將硬度5度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具,因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。東漢時的王充在他的著作《論衡》中對司南的形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經過琢磨制成勺型,勺柄指南極,並使整個勺的重心恰好落到勺底的正中,勺置於光滑的地盤之中,地盤外方內圓,四周刻有幹支四維,合成二十四向。這樣的設計是古人認真觀察了許多自然界有關磁的現象,積累了大量的知識和經驗,經過長期的研究才完成的。司南的出現是人們對磁體指極性認識的實際應用。 但司南也有許多缺陷,天然磁體不易找到,在加工時容易因打擊、受熱而失磁。所以司南的磁性比較弱,而且它與地盤接觸處要非常光滑,否則會因轉動摩擦阻力過大,而難於旋轉,無法達到預期的指南效果。而且司南有壹定的體積和重量,攜帶很不方便,這可能是司南長期未得到廣泛應用的主要原因。

司南由青銅盤和天然磁體制成的磁勺組成,青銅盤上刻有二十四向,置磁勺於盤中心圓面上,靜止時,勺尾指向為南。

4.火藥

我國現在看到的第壹部記載火藥配方的書,約成書於八九世紀。書中說“以硫磺、雄黃合硝石,並密燒之”,會發生“焰起,燒手面及火盡屋舍”的現象。這裏的“密”應該是蜂蜜的“蜜”。蜜加熱能變成炭。硫磺、硝石與炭混合,這就是火藥的配方。

火藥的發明是人們長期煉丹,制藥實踐結果,至今已有壹千多年歷史。

唐朝末年,火藥已被用於軍事。唐昭宗天佑元年(904年)楊行密的軍隊圍攻豫章,部將鄭 (以所部發機飛火,燒龍沙門,帶領壯士突火先登入城,焦灼被體)<九國誌.鄭 傳>。這裏所說的(飛火),就是(火炮),(火箭)之類。(火炮)是把火藥制成環狀,把吊線點燃後用拋石機拋擲出去;(火箭)則是把火藥球縛於箭鏃之下,將吊線點燃後用弓射出。到了宋代,戰爭接連不斷,促進火藥武器的加速發展。北未政府建立了火藥作坊,先後制造了火藥箭,火炮等以燃燒性能為主的武器和(霹靂炮),(震天雷)等爆炸性較強的武器。南未在1259年造出了以巨竹為筒,內裝火藥的(突火槍)。到了元代又出現銅鑄火統,稱為(銅將軍)。這些都是以火藥的爆炸為推動力的武器,在戰爭中顯示了前所未有的威力。下圖為南未突火槍和北未火藥箭。

在12,13世紀,火藥首先傳入阿拉伯國家,然後傳到希臘和歐洲乃至世界各地。對人類社會的文明進步,對經濟和科學文化的發展,起了推動作用。美法各國直到十四世紀中葉,才有應用火藥和火器的記載。

[編輯本段]1、源於煉丹術

煉丹術起源很早,《戰國策》中已有方士向荊王獻不死之藥的記載。漢武帝也妄想“長生久視”,向民間廣求丹藥,招納方士,並親自煉丹。從此,煉丹成為風氣,開始盛行。歷代都出現煉丹方士,也就是所謂的煉丹家。煉丹家的目的是尋找長生不老之藥,這樣的目的是不可能達到的。煉丹術流行了壹千多年,最後還是壹無所獲。但是,煉丹術所采用的壹些具體方法還是有可取之處的,它顯示了化學的原始形態。

煉丹術中很重要的壹種方法就是“火法煉丹”。它直接與火藥的發明有關系。所謂“火法煉丹”大約是壹種無水的加熱方法,晉代葛洪在“抱樸子”中對火法有所記載,火法大致包括:煆(長時間高溫加熱)、煉(幹燥物質的加熱)、灸(局部烘烤)、熔(熔化)、抽(蒸餾)、飛(又叫升,就是升華)、優(加熱使物質變性)。這些方法都是最基本的化學方法,這也是煉丹術這種愚昧的職業能夠產生發明的基礎。煉丹家的虔誠和尋找長生不老之藥的挫折,使得煉丹家不得不反復實驗和尋找新的方法。這樣就為火藥的發明創造了條件。在發明火藥之前,煉丹術已經得到了壹些人造的化學藥品,如硫化汞等。這可能是人類最早用化學合成法制成的產品之壹。

煉丹起火,啟示人們認識並發明火藥。

[編輯本段]2、火藥的發明

煉丹家雖然掌握了壹定的化學方法,但是他們的方向是求長生不老之藥,因此火藥的發明具有壹定的偶然性。

煉丹家對於硫磺、砒霜等具有猛毒的金石藥,在使用之前,常用燒灼的辦法“伏”壹下,“伏”是降伏的意思。使毒性失去或減低,這種手續稱為“伏火”。唐初的名醫兼煉丹家孫思邈在“丹經內伏硫磺法”中記有:硫磺、硝石各二兩,研成粉末,放在銷銀鍋或砂罐子裏。掘壹地坑,放鍋子在坑裏和地平,四面都用土填實。把沒有被蟲蛀過的三個皂角逐壹點著,然後夾入鍋裏,把硫磺和硝石起燒焰火。等到燒不起焰火了,再拿木炭來炒,炒到木碳消去三分之壹,就退火,趁還沒冷卻,取入混合物,這就伏火了。

唐朝中期有個名叫清虛子的,在“伏火礬法”中提出了壹個伏火的方子:“硫二兩,硝二兩,馬兜鈴三錢半。右為末,拌勻。掘坑,入藥於罐內與地平。將熟火壹塊,彈子大,下放裏內,煙漸起。”他用馬兜鈴代替了孫思邈方子中的皂角,這兩種物質代替碳起燃燒作用的。

伏火的方子都含有碳素,而且伏硫磺要加硝石,伏硝石要加硫磺。這說明煉丹家有意要使藥物引起燃燒,以去掉它們的猛毒。

雖然煉丹家知道硫、硝、碳混合點火會發生激烈的反應,並采取措施控制反應速度,但是因藥物伏火而引起丹房失火的事故時有發生。《太平廣記》中有壹個故事,說的是隋朝初年,有壹個叫杜春子的人去拜訪壹位煉丹老人。當晚住在那裏。半夜杜春子夢中驚醒,看見煉丹爐內有“紫煙穿屋上”,頓時屋子燃燒起來。這可能是煉丹家配置易燃藥物時疏忽而引起火災。還有壹本名叫《真元妙道要略》的煉丹書也談到用硫磺、硝石、雄黃和蜜壹起煉丹失火的事,火把人的臉和手燒壞了,還直沖屋頂,把房子也燒了。書中告戒煉丹者要防止這類事故發生。這說明唐代的煉丹者已經掌握了壹個很重要的經驗,就是硫、硝、碳三種物質可以構成壹種極易燃燒的藥,這種藥被稱為“著火的藥”,即火藥。由於火藥的發明來自制丹配藥的過程中,在火藥發明之後,曾被當做藥類。《本草綱目》中就提到火藥能治瘡癬、殺蟲,辟濕氣、瘟疫。

火藥不能解決長生不老的問題,又容易著火,煉丹家對他並不感興趣。火藥的配方由煉丹家轉到軍事家手裏,就成為中國古代四大發明之壹的火藥。

[編輯本段]3、火藥的應用

唐朝時的火藥

火藥發明之前,火攻是軍事家常用的壹種進攻手段,那時在火攻中,用了壹種叫做火箭的武器,它是在箭頭上綁壹些像油脂、松香、硫磺之類的易燃物質,點燃後用弓射出去,用以燒毀敵人的陣地。如果用火藥代替壹般易燃物,效果要好得多。火藥發明之前,攻城守城常用壹種拋石機拋擲石頭和油脂火球,來消滅敵人。火藥發明之後,利用拋石機拋擲火藥包以代替石頭和油脂火球。據宋代路振的《九國誌》記載,唐哀帝時(十世紀),鄭王番率軍攻打豫章(今江西南昌),“發機飛火”,燒毀該城的龍沙門。這可能是有關用火藥攻城的最早記載。

兩宋時的火藥

到了兩宋時期火藥武器發展很快。據《宋史·兵記》記載:公元970年兵部令史馮繼升進火箭法,這種方法是在箭桿前端縛火藥筒,點燃後利用火藥燃燒向後噴出的氣體的反作用力把箭簇射出,這是世界上最早的噴射火器。公元1000年,士兵出身的神衛隊長唐福向宋朝廷獻出了他制作的火箭、火球、火蒺藜等火器。1002年,冀州團練使石普也制成了火箭、火球等火器,並做了表演。

火藥兵器在戰場上的出現,預示著軍事史上將發生壹系列的變革。從使用冷兵器階段向使用火器階段過渡。火藥應用於武器的最初形式,主要是利用火藥的燃燒性能。《武經總要》中記錄的早期火藥兵器,還沒有脫離傳統火攻中縱火兵器的範疇。隨著火藥和火藥武器的發展,逐步過度到利用火藥的爆炸性能。

硝酸鉀、硫磺、木炭粉末混合而成的火藥被稱為黑火藥或者叫褐色火藥。這種混合物極易燃燒,而且燒起來相當激烈。如果火藥在密閉的容器內燃燒就會發生爆炸。火藥燃燒時能產生大量的氣體(氮氣、二氧化碳)和熱量。原來體積很小的固體的火藥,體積突然膨脹,猛增至幾千倍,這時容器就會爆炸。這就是火藥的爆炸性能。利用火藥燃燒和爆炸的性能可以制造各種各樣的火器。北宋時期使用的那些用途不同的火藥兵器都是利用黑火藥燃燒爆炸的原理制造的。蒺藜火球、毒藥煙球是爆炸威力比較小的火器。到了北宋末年爆炸威力比較大的火器向“霹靂炮”、“震天雷”也出現了。這類火器主要是用於攻堅或守城。公元1126年,李綱守開封時,就是用霹靂炮擊退金兵的圍攻。金與北宋的戰爭使火炮進壹步得到改進,震天雷是壹種鐵火器,是鐵殼類的爆炸性兵器。元軍攻打金的南京(今河南開封)時金兵守城時就用了這種武器。《金史》對震天雷有這樣的描述:“火藥發作,聲如雷震,熱力達半畝之上,人與牛皮皆碎並無跡,甲鐵皆透”。這樣的描述可能有壹點誇張,但是這是對火藥威力的壹個真實寫照。

火器的發展有賴於火藥的研究和生產。《武經總要》中記錄了三個火藥配方。唐代火藥含硫、硝的含量相同,是1比1,宋代為1比2,甚至接近1比3。已與後世黑火藥中硝占四分之三的配方相近。火藥中加入少量輔助性配料,是為了達到易燃、易爆、放毒和制造煙幕等效果。火藥是在制造和使用過程中不斷改進和發展的。

1044年曾公亮主編的《武經總要》壹書中介紹了三種火藥配方,以不同的輔料,達到易燃、易爆、放毒和制造煙幕的不同目的。

宋代由於戰爭不斷,對火器的需求日益增加,宋神宗時設置了軍器監,統管全國的軍器制造。軍器監雇傭工人四萬多人,監下分十大作坊,生產火藥和火藥武器各為壹個作坊,並占有很重要的地位。史書上記載了當時的生產規模:“同日出弩火藥箭七千支,弓火藥箭壹萬支,蒺藜炮三千支,皮火炮二萬支”。這些都促進了火藥和火藥兵器的發展。

南宋時出現了管狀火器,公元1132年陳規發明了火槍。火槍是由長竹竿作成,先把火藥裝在竹竿內,作戰時點燃火藥噴向敵軍。陳規守安德時就用了“長竹竿火槍二十余條”。公元1259年,壽春地區有人制成了突火槍,突火槍是用粗竹筒作的,這種管狀火器與火槍不同的是,火槍只能噴射火焰燒人,而突火槍內裝有“子巢”,火藥點燃後產生強大的氣體壓力,把“子巢”射出去。“子巢”就是原始的子彈。突火槍開創了管狀火器發射彈丸的先聲。現代槍炮就是由管狀火器逐步發展起來的。所以管狀火器的發明是武器史上的又壹大飛躍。

突火槍又被稱為突火筒,可能它是由竹筒制造的而得此名。《永樂大典》所引的《行軍須知》壹書中提到,在宋代守城時曾用過火筒,用以殺傷登上城頭的敵人。到了元明之際,這種用竹筒制造的原始管狀火器改用銅或鐵,鑄成大炮,稱為“火銃”。

1332年的銅火銃,是世界上現存最早的有銘文的管狀火器實物。

明代

明代在作戰火器方面,發明了多種“多發火箭”,如同時發射10支箭的“火弩流星箭”;發射32支箭的“壹窩蜂”;最多可發射100支箭的“百虎齊奔箭”等。明燕王朱棣(即後來的明成祖)與建文帝戰於白溝河,就曾使用了“壹窩蜂”。這是世界上最早的多發齊射火箭,堪稱是現代多管火箭炮的鼻祖。尤其值得提出的是,當時水戰中使用的壹種叫“火龍出水”的火器。據“武備誌”記載,這種火器可以在距離水面三、四尺高處飛行,遠達兩三裏。這種火箭用竹木制成,在龍形的外殼上縛四支大“起火”,腹內藏數支小火箭,大“起火”點燃後推動箭體飛行,“如火龍出於水面。”火藥燃盡後點燃腹內小火箭,從龍口射出。擊中目標將使敵方“人船俱焚。”這是世界上最早的二級火箭。另外,該書還記載了“神火飛鴉”等具有壹定爆炸和燃燒性能的雛形飛彈。“神火飛鴉”用細竹篾綿紙紮糊成烏鴉形,內裝火藥,由四支火箭推進,它是世界上最早的多火藥筒並聯火箭,它與今天的大型捆綁式運載火箭的工作原理很相近。

火箭的發展,使人產生了利用火箭的推力飛上天空的願望。根據史書的記載14世紀末,明朝的壹位勇敢者萬戶坐在裝有47個當時最大的火箭的椅子上,雙手各持壹個大風箏,試圖借助火箭的推力和風箏的升力實現飛行的夢想。盡管這是壹次失敗的嘗試,但萬戶被譽為利用火箭飛行的第壹人。為了紀念萬戶,月球上的壹個環行山以萬戶的名字命名。

[編輯本段]4、對外傳播史

早在八、九世紀時,和醫藥、煉丹術的知識壹起,硝也由中國傳到阿拉伯。當時的阿拉伯人稱它為“中國雪”,而波斯人稱它為“中國鹽”。他們僅知道用硝來治病、冶金和做玻璃。13世紀火藥是由商人經印度傳入阿拉伯國家的。希臘人通過翻譯阿拉伯人的書籍才知道火藥。火藥武器是通過戰爭傳到阿拉伯國家,成吉思汗西征,蒙古軍隊使用了火藥兵器。公元1260年元世祖的軍隊在與敘利亞作戰中被擊潰,阿拉伯人繳獲了火箭、毒火罐、火炮、震天雷等火藥武器,從而掌握火藥武器的制造和使用。阿拉伯人與歐洲的壹些國家進行了長期的戰爭,戰爭中阿拉伯人使用了火藥兵器,例如阿拉伯人進攻西班牙的八沙城時就使用過火藥兵器。在與阿拉伯國家的戰爭中,歐洲人逐步掌握了制造火藥和火藥兵器的技術。

火藥和火藥武器傳入歐洲,“不僅對作戰方法本身,而且對統治和奴役的政治關系起了變革的作用”。“以前壹直攻不破的貴族城堡的石墻抵不住市民的大炮,市民的子彈射穿了騎士的盔甲。貴族的統治跟身穿鎧甲的貴族騎兵同歸於盡了。隨著資本主義的發展,新的精銳的火炮在歐洲的工廠中制造出來,裝備著威力強大的艦隊,揚帆出航,去征服新的殖民地……。”