中國古機械較早地引起了國外學者的註意。1909年起,格裏(Giles)、摩爾(Moule)、朗基斯特(Lanchester)等人先推測過指南車的傳動機構[1](P52)。20世紀20年代以後,中國的歷史學家、機械工程學家和文博專家開始了中國古代機械的文獻研究和專題研究。1925年,張蔭麟翻譯了英國人摩爾的論文《宋燕肅吳德仁指南車造法考》,且撰寫了《宋盧道隆、吳德仁記裏鼓車之造法》,刊載在《清華學報》上。1935年,劉仙洲在清華大學出版《中國機械工程史料》,初步整理了漢語古籍中關於機械的記述。王振鐸則根據古文獻的記載,試圖復原古代的機械裝置。1936年,他在《燕京學報》上發表《漢張衡候風地動儀制法的推測》,並在北平研究院復原指南車、記裏鼓車[2](P63)。這些早期的工作開創了中國機械工程史的研究。
1949年以後,科學技術史在中國成為壹項有組織的事業,實現了初步的建制化,研究工作有了較大的進展。其中,劉仙洲、王振鐸的工作代表了機械工程史的學術水平[3](P36)。
1950-1960年,劉仙洲開展了機械原動力、計時器、齒輪、凸輪等方面的專題研究。基於這些研究,他撰寫了通史性著作《中國機械工程發明史》[4](第壹編)和《中國古代農業機械發展史》[5],初步勾畫了中國機械技術發展的大致脈絡。書中收入了關於耬、轆轤、獨輪車等方面的調研成果。後來,劉先生曾組織學者從2萬余種古書中查找古機械的線索和記述,留下了大量的卡片。近年來,清華大學圖書館學者對這些的資料進行了整理。
復原是古代機械史研究的壹個重要方面。王振鐸等長期從事古代機械史的專題研究和復原。在文獻分析和考古發現的基礎上,為中國歷史博物館復原了地震儀、指南車、記裏鼓車、水運儀象、水排等機械裝置,其主要成果收入他的文集《科技考古論叢》[6]。
英國李約瑟(Joseph Needham)註意從東西方文明的比較這壹視角,審視中國古代的機械和技術傳播,同時探討機械技術與其他知識的關系。他參考了中國學者和西方學者的研究成果,在王鈴的協助下撰寫了《中國科學技術史》機械工程分冊[7]。該書初版於1965年,後被翻譯成日文和中文,是國外學者了解中國機械技術傳統的壹個重要窗口[8]。
在劉仙洲之後,機械工程史的專題研究和調查工作仍有進展。同濟大學陸敬嚴在古代兵器和其他機械裝置的復原研究以及立軸式風車等傳統機械的調查方面均有新的進展。中國科學院和北京科技大學等單位對中國傳統金屬工藝的研究,西北農業大學等單位對秦陵銅車馬的研究,都取得了重要的研究成果。上世紀90年代,當中國科學院自然科學史研究所組織全國的科技史家撰寫《中國科學技術史》叢書,集中展示中國學者幾十年的研究成果時,陸敬嚴、華覺明等學者,編著了該叢書的機械卷[9]。該書繼承了劉仙洲、王振鐸等中國學者的思路,適當參考了李約瑟和其他學者的著作,在技術內容和構造原理分析方面均有進展。
劉仙洲、王振鐸、李約瑟、陸敬嚴和華覺明等所撰寫的專著主要基於古籍的記載、考古資料和部分傳統機械的調查資料。未來的中國古代機械工程史研究還可以在幾個方面做出努力。第壹,發掘、整理和解讀明清時期漢文典籍和某些少數民族語言文獻中的史料;第二,充分利用現有的和將來的考古發掘資料,開展科技考古研究;第三,廣泛而深入地調查現存的傳統機械,探討它們與文化背景之間的關系;第四,開展技術的社會史、文化史和思想史等方面的研究。
中國有連續的文化傳統,保留了繁浩的古籍。有關古代機械的記載,散見於多種體裁的典籍之中。然而,關於技術的文字記述或繪圖大多過於簡略,時常僅有只言片語,甚至找不到任何記載。考古發現能夠提供某些可靠的第壹手資料,但其內容顯然是有限的。多數古代機械的制作材料是木、竹等不易長期保留的材料,只有少數零件是用石頭和金屬制作的。這使得我們在考古資料中很少有機會找到結構比較完整的機械。像古代車輛和銅車馬這樣的發現畢竟是少數。
二 中國古代機械工程技術史的價值及作用
中國的機械工程技術在漫長的歷史發展過程中形成了自己獨特的風格。中國古代機械工程技術,是世界機械史的壹個組成部分,在世界機械工程史上占有重要位置。
著名科學史家李約瑟在討論中西科技交流與比較問題時曾指出:“有少數幾種基本技術曾經從古代美索不達米亞朝四面八方傳播,……可是,中國人的發明就多了。這些發明在公元壹世紀到十八世紀期間先後傳到了歐洲和其他地區。這裏包括:(1)龍骨車;(2)石碾和水力在石碾上的應用;3水排;(4)風扇車和簸揚機;(5)活塞風箱;(6)平放織機(它可能也是印度的發明)和提花機;(7)繅絲、紡絲和調絲機;(8)獨輪車;(9)加帆手推車;(10)磨車;(11)拖重牲口用的兩種高效馬具,即胸帶和套包子;(12)弓弩(13)風箏;(14)竹編蜒和走馬燈;(15)深鉆技術;(16)鑄鐵的使用;(17)遊動的常平懸吊器;(18)弧形拱橋;(19)鐵索吊橋;(20)河渠閘門;(21)造船和航運方面的無數發明,包括防水隔艙、高效率空氣動力帆和前後索具(22)船尾的方向舵;(23)火藥以及和它有關的壹些技術;(24)羅盤針,先用於看風水,後來又用於航海;(25)紙、印刷術和活字印刷術;(26)瓷器。所有這些例子有壹種***同之點,這就是它們在中國應用的時期,確實早於它們在世界其他部分出現的時期。有時甚至要早得多。”[10](P545)李約瑟博士列舉的這些實例絕大多數都是中國古代的機械發明或相關的技術成果,由此可見,中國古代的機械技術成果不僅在中國科技史上占有突出地位,而且在世界機械史乃至科技史上的地位也是不可低估的。
中國機械史的歷史價值還表現在傳統機械工程技術在中國古代社會經濟和科技發展中占有十分重要的位置。中國自古以來以農業立國,農業生產在古代歷史發展進程中始終占據核心地位,因而作為農業生產工具的農業機械在生產中的作用極為重要。農業機械技術方面的大量發明、革新及其推廣應用對社會生產力的提高起了極大的作用。同樣,機械在水利工程、建築工程、交通運輸、紡織等領域中也發揮著重要作用。機械技術在軍事上具有舉足輕重的作用,先進和精良武器與軍事裝備的制造都要依賴先進的機械技術。中國古代在天文觀測方面能夠取得許多重要成就,與先進天文儀器的作用密不可分,而眾多先進天文儀器的出現則反映了中國古代精密機械制造技術的發達。明代宋應星編著的《天工開物》是壹部關於中國古代工程技術的百科全書,其中講述機械技術的內容占了全書壹半以上的篇幅,也說明機械技術在古代工程技術中的重要地位。因此,傳統機械技術根植於中國古代社會生活和生產的各個領域之中,機械技術的進步不僅促進了生產的發展,豐富了古代的社會生活,而且成為推動古代不同領域科技發展的有力工具。
1. 促進了農業的進步
中國自古以來以農業立國,農業生產在古代歷史發展進程中始終占據核心地位,因而作為農業生產工具的農業機械在生產中的作用極為重要。農業機械方面的大量發明、革新及其推廣應用對社會生產力的提高起了極大的作用。
春秋時期,鐵器在農業、手工業生產上開始使用。到戰國時期,鐵農具已經很多,標誌著社會生產力的顯著提高。春秋末年已使用牛耕,戰國時期得到推廣,促進農業生產獲得進壹步的發展。戰國時期,農民重視使用肥料,還註意選種、因地制宜和適時耕種。那時候,各國都興修了水利工程。秦蜀郡太守李冰在岷江中遊修築的都江堰是聞名世界的防洪灌溉工程。都江堰消除了岷江水患,灌溉了大片農田,使成都平原成為沃野,兩千多年來,壹直造福於人民。北朝賈思勰著《齊民要術》壹書,強調農業生產要遵循自然規律,農作物必須因地種植,不耽誤農時,還要改革生產技術和工具。
2. 推動了手工業和商業的興盛
早在春秋時代,我國已經發明生鐵冶煉技術,比歐洲早1900年。春秋晚期晉國曾把成文的刑法鑄在鐵鼎上頒布。戰國時期,鐵礦山達到30多處。那時候,煮鹽業、紡織業和漆器業都有顯著進步。明末科學家宋應星編著的《天工開物》,總結了明代農業、手工業生產技術,反映了明朝時期我國手工場的生產面貌。介紹了北京王麻子、杭州張小泉的剪刀,使用“夾鋼”、“貼鋼”的技術;采煤時已經能排除瓦斯;紡織業的提花機等。這些在當時世界上都是第壹流的。
3. 在水利工程、建築工程、交通運輸、紡織等領域發揮著重要作用
秦國都江堰是聞名世界的防洪灌溉工程,他把岷江分為內江和外江。內江供灌溉、外江供分洪,免除了水災,灌溉了農田。隋朝傑出工匠李春設計和主持建造的趙州橋,是世界上現存最古老的壹座石拱橋。橋的大拱兩端上方各有兩個小拱,可減輕橋身重量對橋基的壓力、遇到洪水又可以減輕急流對橋身的沖擊。隋朝著名的建築師宇文愷設計了隋都大興城和東京洛陽城,並指導了兩座城市的營建。到了北宋,指南針應用於航海事業。宋朝的海船裝有羅盤針,無論白天、黑夜、陰雨、大霧,都能辨識方向。南宋時,指南針傳到歐洲,為歐洲的航海家進行環球航海和發現新大陸,提供了重要條件。
4. 在軍事上具有舉足輕重的作用
機械技術在軍事上具有舉足輕重的作用,先進和精良的武器與軍事裝備的制造都要依賴先進的機械技術。唐朝末年,火藥開始用於軍事。宋朝時期,火藥在軍事上廣泛使用。那時的火藥武器有火箭、突火槍和火炮等。13世紀、14世紀,火藥和武器傳人阿拉伯和歐洲。到了元朝,大型的金屬管形火器“火銃”,在軍事上很受重視。蒙古西征時,多次使用火藥武器攻打中亞和波斯的城市。在戰爭中,阿拉伯人學會了制造火藥和火藥武器。
三 中國古代科學技術史的現實意義
中國機械史的研究不僅具有重要的歷史價值,而且具有較高的現實價值和意義。這主要表現在以下幾個方面。
首先,中國古代機械工程技術是中國科學文化的重要組成部分,傳統機械的技術成果是我國優秀的科學文化遺產,因此中國古代機械史的研究具有重要的文化價值。機械技術在人類物質文化史上壹直占據核心地位,人類文明的發展階段壹般以機械技術的重要成果作為主要劃分標誌,便是最好的說明。而我們的祖先創造了許多傑出的機械科技成果,為後世留下了大量的物質文化財富,發掘、整理和研究這些機械成果對於豐富祖國科學文化寶庫無疑極為有益。但過去這方面的工作開展得還遠遠不夠,中國機械工程機械史仍是壹個有待開發的領域,在目前情況下進壹步開展中國機械史的研究也顯得尤為重要。
第二,技術發展有很強的繼承性和規律性,中國機械史的研究有助於揭示技術發展特質,可以起到溫故知新、闡明方向和趨勢的作用,因此具有重要的借鑒價值。中國歷史上在機械科技方面的成功經驗和失敗教訓,對於現今科技的發展很有借鑒價值。中國古代與機械有關的技術觀和技術哲學思想,對於我們認識技術與人、技術與環境以及技術與社會的關系仍有參考價值。中國古代的壹些技術思想和方法與舉措正好與現代可持續發展的時代要求相切合,對於認識和解決技術給現代社會帶來的環境汙染、能源和資源的枯竭等壹系列負面效應也有積極的參考意義。中國近現代機械史的研究則對於制定國家的技術規劃、技術發展與引進的政策和戰略更是有著直接的借鑒作用。
第三,研究和學習中國古代機械工程史,闡明中國傳統機械技術的興衰歷程,了解科學家、發明家的生平、成就和思想,不僅可以學到科學和歷史的知識,還可從中獲得啟示和汲取教益,因而中國機械史還有著比較重要的教育價值與作用。機械工程技術史知識的傳播有助於人們了解機械工程技術的概念和原理的來龍去脈,加深對機械科技的認識和理解。培根說:學史可以使人明智。對於青年學生與專業科技人員來講,機械史的知識則可起到開闊視野的作用。
第四,研究中國古代機械史,不難發現壹些古老的機械技術、工藝和原理在現代仍然發揮著作用或具有實用價值。中國傳統的農業機械與古農具至今在農業生產中廣泛使用,具有極強的生命力。我國的許多傳統金屬工藝仍在實際應用中發揮著重要作用。在秦始皇陵墓中出土的青銅箭鏃表面上有壹層含鉻的黑色致密層,埋在地下兩千多年沒有腐蝕。現代金相學研究證明這樣處理有很強的抗腐蝕能力,此項表面處理技術顯然具有古為今用的價值。類似的實例還有很多。古代機械史的研究有助於認識和發現傳統機械的現代意義和實用價值。
七五期間，河北唐山和江蘇連雲港年產 60 萬 T 大型純堿裝置采用我國自行開發的先進技術設計，由機械制造部門研制成功的碳化塔、煆燒爐、濾堿機、鈦板式換熱器、埋刮板輸送機等八大類成套關鍵設備，其他設備大部分由國內供應。山東濰坊年產在部分引進國外技術和設備的基礎上實現了國產化， 3 個堿廠均順利投產。中國大型堿廠設計及設備制造完全可以立足於國內，並開始成套出口大型純堿技術及裝備。
1984 年中國引進了離子膜電解槽制造技術，為 14 個廠家提供設備，占國內離子膜煤燒堿能力 70% ， 1993 年國內創新開發了中國式電解槽，由中國化工裝備總公司組織具體實施的中國第壹套國產化 1 萬 t/a 離子膜法燒堿裝置於 1993 年 7 月 27 日在滄州市化工廠建成，壹次開車投產成功，並通過了國家級驗收。該套設備在廣泛消化吸收國內外先進技術基礎上，進行了改進和創新，由天津大沽化工廠設計所進行工藝設計，核心設備***有定型設備 82 臺，非標設備 127 臺，離子膜電解槽由北京化工機械廠設計制造，達到了同期國外同類裝置水平，其他專用設備，材料，儀表，閥門分別由國內各有關廠家配套協作，整套裝置國產化率達 90% 以上。該套裝置運行平衡可靠，具有產品純度高，節能，高效，無環境汙染等特點。主要技術經濟指標達到引進裝置水平。該裝置的建設成功，結束了中國離子膜燒堿法生產裝置依賴進口的局面，標誌著中國已基本具備了離子膜法燒堿設備的成套制造能力。其後，廣州、新疆、包頭、蚌埠、雲南的化工廠離子膜法燒堿都選用國產化電解槽 。