細說宋朝 · 八二　三大發明與科學技術

李約瑟以為：對科技史說來，唐代不如宋代有意義。在被國人引以自豪的四大發明中，火藥、指南針與活字印刷的使用，都是宋代最後完成的。在中國古代科學技術史上，宋代的天文學、數學與醫學也都占有重要的地位。不過，黃仁宇曾在《中國大歷史》里指出：由於宋朝的經濟未能在改革社會上發揮作用，這就「導致以上發明不能作有系統的增進」。 火藥的發明雖在宋代以前，但由於這一時期各政權之間頻繁的戰爭攻守，很快被用於軍事，從而進入了冷兵器與火器並用的時代。開寶三年（970年），兵部令史馮繼昇獻火箭法，五年後，火箭就用於與南唐的戰爭。 《武經總要》是北宋仁宗時期官修的一部關於軍事理論與軍事技術的巨著，記錄的火藥武器就有弓弩火藥箭、火藥鞭箭、火球、蒺藜火球、煙球、毒藥煙球、竹火鷂、鐵嘴火鷂等十多種，還分別記載了引火球、蒺藜火球與毒藥煙球的配方，這是世界上現存最早的完整的火藥配方。 其後，火器研製不斷改進。靖康元年（1126年），在開封保衛戰中，宋軍已使用霹靂炮打退金軍的進攻，這是火藥拌和瓷片裝入干竹節內裹以紙殼而成的一種火器。金朝在這一基礎上製成震天雷，宋人稱之為鐵火炮，《金史》有具體描述：「鐵罐盛藥，以火點之，炮起大發，其聲如雷，聞百里外，所爇圍半里之上，火點著甲鐵皆透」，威力強大可以想見。這種鐵火炮因蒙古西征傳到中亞與西南亞，回回炮應即由此改進而成的，再由蒙古軍隊用於攻宋的戰爭。 管狀火器的發明在兵器史上有重要的意義。據陳規的《德安守城錄》，紹興二年（1132年），他為堅守德安（今湖北安陸），用火藥製造長竹竿火槍二十餘枝，其法是一人持槍，一人點火，一人協助，使用雖不便利，卻是管狀火器的最早記載。 金朝末年研製成功飛火槍，長僅二尺許，火藥發射完畢而槍筒完好無損，已是攜用方便的單兵火槍。開慶元年（1259年），壽春府（今安徽壽縣）發明了突火槍，據《宋史·兵志》記載，「以巨竹為筒，內安子窠，如燒放，焰絕，然後子窠發出，如炮聲，遠聞百五十餘步」，已具近代槍炮的雛形。 令人驚訝的是，宋金時代這種先進的火藥技術在明清兩代似乎沒有什麼長進，反而倒要從西方引進佛郎機與紅夷炮，到了近代竟然只有在虎門挨打的分，難怪魯迅憤激地說，中國發明了火藥，最後是用來製造鞭炮與煙花的。 指南針的發明可以追溯到先秦，但用於航海則在宋代。《武經總要》載有指南魚的製作方法，是利用地磁場作用使魚身鐵片含磁定位。這在指南針發明史上意義雖大，但因獲得的磁性不強，實用價值仍然有限。三四十年後，《夢溪筆談》記載了另一種製造方法，即利用天然磁石的磁場作用，以磁石磨針鋒令其含磁，具有實用推廣的價值。 關於指南針的使用方法，據沈括介紹有四種：一是水浮法，即將指南針放入盛水的容器中指示方向；二是置指爪法，即將指南針放在指尖上指示方向；三是置碗唇法，即將指南針放在碗沿上指示方向；四是縷懸法，即將指南針用線騰空懸掛指示方向。第二、三種方法不易固定，很快淘汰，第一種方法發展成後來的水羅盤，第四種方法演變為後來的旱羅盤。 至遲到崇寧年間（1102—1106年），指南針已普遍用於航海。據《萍洲可談》，當時船長航海，夜則觀星，晝則觀日，「隱晦觀指南針」。宣和年間出使高麗的徐兢也說，「若晦冥，則用指南浮針以揆南北」，從「浮針」看來，使用的應是水浮法，尚未發展為水羅盤。 南宋咸淳年間（1265—1274年），吳自牧在《夢粱錄》里說到當時航海，「風雨冥晦時，惟憑針盤而行，乃火長掌之，毫釐不敢差誤，蓋一舟人命所系也」，這裡的「針盤」，應是水羅盤。 南宋末年出現一種指南龜，是將天然磁石放入木龜腹中，腹壁有一光滑小穴，可安放在圓滑而固定的竹釘上，龜身自由轉動指示方向，這是後世旱羅盤的前身。 指南針為全天候的航海提供了可能，也為遠洋航海圖的精確繪製創造了條件。揆之情理，航海圖不應遲至宋代才出現，但正式見諸記載卻是指南針使用以後。那位徐兢所著的《宣和奉使高麗圖經》，原附所經海道圖，可惜其書文存而圖佚。南宋晚期，金履祥也曾繪過一張由江浙沿海直趨幽燕的海圖，備記航路，歷歷可據。後為元人所得，成為海上漕運海圖的藍本。 指南針的全面使用，航海圖的精確繪製，再加上以開放的心態對待與海外的經濟往來，迎來了宋朝與緊接其後的元代前所未有的航海業盛況。可惜的是，自南宋以來的這種海上優勢，到明代鄭和下西洋以後就逐漸失去，而到清代竟至於要由西方船艦來叩開中國的大門。魯迅對此也嘲諷過：祖先發明的指南針，卻被不肖子孫製成羅盤去看風水了。 雕版印刷究竟出現在隋唐之際，還是晚唐五代，學術界還有爭論，但盛行於北宋是毫無疑問的。據蘇軾說，北宋初期，圖書仍多手抄，仁宗以後，書坊轉相翻刻諸子百家之書，學者很容易得到印本書。 宋代雕版印刷分三大系統。一是官刻系統，中央國子監是主要官刻機構，所刻稱監本；地方上路級監司（茶鹽、轉運、提刑、安撫、常平）和路、州、府、軍各級公使庫、州縣學，也都有官刻書行世，公使庫本是常見的宋版書。 二是坊刻系統，即以營利為目的的書坊或書肆刻印的圖書，表明雕版印刷的圖書已完全進入了市場流通。當時坊刻書技術質量以浙江最好，稱浙本；四川次之，稱蜀本；福建以量多取勝，稱建本，尤以建陽（今屬福建）麻沙鎮出版最多，世稱麻沙本。開封、杭州、成都、眉山（今屬四川）、建寧、建陽（今均屬福建）、福州和建康（今江蘇南京）都是當時的印刷中心。三是私刻系統，即官僚士紳私宅或家塾所刻的圖書，表明宋代圖書文化的普及程度。宋版書紙墨精良，版式疏朗，字體圓潤，傳世稀少，價值連城。 雕版印刷是書寫印刷技術的一次革命。但印行一部大書所需雕版往往累百千萬，雕刻既費工時，保存也占空間，仍有改革的必要。宋仁宗慶曆年間（1041—1048年），畢昇發明了活字印刷。 其法是以膠泥刻字，每字一印，火燒泥活字使其堅硬備用。然後在一塊鐵板上敷以松脂、蠟和紙灰，上加一鐵范，內放滿所需字印，持鐵板在火上加熱。等松脂等熔解軟化，再用一平板壓平字印，使字平如砥，即可開印。 印刷時準備兩塊鐵板，一板印刷，一板排字，交替使用，效率極高。每字多刻數印，常用字更多至二十餘枚，以備一板內重複使用，以韻分類儲入木格，少數僻字則臨時燒制。印刷完畢，加熱再令藥物熔化，以手拂印，字印自落。畢昇出身平民，生平事跡不得而詳。他也試製過木活字，但木紋有疏密，沾水易變形，還容易與松脂等藥粘住，不易拆版，認為還是泥活字方便。實際上，只要選用優質木料，改變拼版方式，木活字的這些缺點也是可以解決的。 畢昇以後，使用泥活字印成的圖書，目前確認最早見諸文獻記載的是紹熙四年（1193年），周必大用膠泥活字印行了他的《玉堂雜記》。但現存西夏翻印佛經有光定六年（1216年）「御前疏潤印活字都大勾工院」的題記，表明當時西夏已專設主持活字印刷的機構，則可推斷西夏使用泥活字與木活字印刷不會遲於周必大印書的年代，可見傳播之快。 畢昇發明活字印刷術，是人類文明史上的一件大事。大約在13世紀，活字印刷東傳朝鮮，後經朝鮮傳入日本；另一路同時傳入中亞與波斯，並因蒙古西征傳入歐洲，啟發了古騰堡金屬活字的使用與推廣。但古騰堡比畢昇的發明整整晚了四個世紀。 沈括 除了三大發明，就應說到宋代科學最具代表性的人物沈括。他是一位百科全書式的科學家，在天文學、數學、物理學、地學、生物學、醫藥學和工程技術上都深有造詣，這裡只能擇要而說。 在天文學上，沈括曾經提舉司天監，改進天文儀器，提倡十二氣歷。他改制了渾儀，使其結構簡化，精度提高，操作方便。他還吸取了燕肅蓮花漏法的成果，提高了浮漏記時的準確性。他所提倡的十二氣歷是一種純陽曆的歷制，以立春節氣為一年之首，將傳統的二十四節氣與十二個月建立起對應的穩定關係，與現行公曆格列高利歷有相似之處。但這一革新創舉終因遭到傳統勢力的「怪怨攻罵」而沒能推行。 在數學上，沈括一方面為隙積術給出了正確求解公式，隙積術是求解垛積問題的方法，解決的是高階等差級數的求和問題。另一方面，他創立了會圓術，給出了一個近似公式，會圓術就是已知弓形的圓徑和矢高求解弦長與弧長。 在物理學上，沈括進行了凹面鏡成像的光學實驗，取得了新結果；首次記載了地學上地球磁偏角的現象；以實驗證明了弦線的基音與泛音之間的共振關係。 在醫藥學上，他編著了《沈氏良方》，自稱「必目睹其驗」，才寫入書中。其中的「秋石方」，是關於提取荷爾蒙的最早記載。後人將其書與蘇軾的醫說合編為《蘇沈良方》，也許因蘇軾名聲比他還大，可以招徠讀者。 沈括最主要著作當然是他的《夢溪筆談》，共二十六卷，另有《補筆談》三卷，《續筆談》一卷，共計六百零九條。據統計，關於科學技術的條目占全書的百分之四十以上，其中既有他自己對科學技術諸問題的觀察、實驗與思考，還保存了當時科學技術的具體史料，例如畢昇的活字印刷術、喻皓的《木經》，都因該書而得以傳世。科學史家李約瑟對其書評價最高，盛讚為「中國科學史上的里程碑」。 不過，國人對這一評價也不必過於陶醉。從其結構體例來看，《夢溪筆談》還稱不上是一部嚴格的科學著作（在這點上，甚至還不及秦九韶的《數書九章》有意識）。他採用的完全是兩宋筆記的傳統體制，著述宗旨也只是「談噱」，與其他以資談助的宋代筆記沒有形式與內容上的根本區別。僅僅因為關注的興奮點與眾不同，因而保存的科技史料就較其他筆記遠為密集。《夢溪筆談》在保存沈括與他同時代的科技史料上確有價值，無視其地位自然不對，不切實際地過高評價也是不必要的。 說完沈括這位科學巨星，接著說說宋代科技的一般情況。 先說數學。傳統數學在宋代取得了多項突破性的成就，湧現了賈憲、沈括、秦九韶和楊輝等頂級的數學家，迎來了中國數學發展史的高峰期。 賈憲大約生活在宋仁宗時期，曾在司天監任過職。他的數學著作《黃帝九章算經細草》和《算法斆古集》已經佚失，前書經楊輝的《詳解九章算法》轉引才保留了部分內容。 賈憲的「開方作法本源圖」是一個三角形數表，實際上就是指數為正整數的二項式定理的係數表，比西方阿爾·卡西的同類成果約早四百年，數學史上稱為賈憲三角（因出現在楊輝書中，也稱楊輝三角）。賈憲根據開方作法本源圖，創建了增乘開方法，提供了求解任何高次冪和高次方程正實根近似值的方法。 秦九韶生活在宋寧宗、宋理宗時期，代表作為《數書九章》。他將增乘開方法成功地應用於一般高次方程的數值解，比西方同類成果早了五百多年，達到了當時數學的最高峰。他還創立了大衍求一術，簡潔嚴密地解決了一次同餘組問題的理論與算法，比西方歐拉與高斯的同類證明早了五百年。 楊輝、秦九韶與元代的李治、朱世傑並稱宋元數學四大家。楊輝的活動年代比秦九韶略晚，大約在宋元之際。他的數學著作有《詳解九章算法》、《日用算法》、《乘除通變本末》、《田畝比類乘除捷法》和《續古摘奇算法》，後三書也合稱《楊輝算法》。 楊輝的貢獻主要有三。其一，他在沈括「隙積術」的基礎上提出了「垛積術」，推動了高階等差級數的研究。其二，他研究了組合數學中高階縱橫圖的構成規律。其三，他對籌算算法歸納了一整套歌訣，有助於捷算法的應用與推廣。 再說天文學。其成就主要表現在天文儀器、天象觀察、行圖繪製與曆法改進諸方面。 在天文儀器的研製發明上，燕肅在天聖八年（1030年）發明的蓮花漏，首次使用了漫流系統，前所未有地提高了漏壺的計時精度。蘇頌在元祐七年（1092年）研製成功的水運儀象台，實現了渾儀、渾象與報時三位一體、協調運作的構想，既能觀察天象、演示天象，又能計時、報時，已具有近世天文台開啟式圓頂、望遠鏡轉儀鍾與機械鐘的科學結構原理。 在天象觀察方面，北宋在大中祥符三年（1010年）至崇寧五年（1106年）的近百年間，先後舉行過五次大規模的天文觀測，其中崇寧年間的觀察，姚舜輔等測得二十八宿距度誤差的絕對值僅有0.15度，取代了沿用三百餘年的唐代一行的數據。景德三年（1006年）對豺狼座超新星爆發的觀測記錄，至和元年（1054年）對天關客星的觀測記錄，都為現代天體物理學的研究留下了重要的歷史資料。 在星圖繪製上，蘇頌也有傑出的貢獻。他的天文學名著《新儀象法要》附有五幅星圖，首次採用了較科學的全天星空表示法。皇祐年間（1049—1054年），天文學家周琮主持了重測二十八星宿與周天恆星的工作，這次實測的結果，編制了三百四十五個星官距星的入宿度與去極度，這一星表收入《靈台秘苑》，所收星數超過了前代。元豐年間（1078—1085年）的恆星測量精度更高，其星圖以刻石形式保存下來，此即現存蘇州博物館的石刻《天文圖》，上半部為星圖，下半部為碑文，是研究宋代全天星空的珍貴文物。 兩宋共三百二十年，先後頒歷達二十部，後出轉精，曆法修訂之頻繁為歷代所僅見，也可見天文曆法研究的活躍。神宗時，衛朴制定的《奉元歷》依據二十四節氣修成，頗有特色。寧宗時，楊忠輔主持修成的《統天曆》所測定的回歸年長度為365.2425日，與現行公曆所用之完全一致，但比西方格列高利早了將近四百年。 最後說說醫藥學。 宋朝政府對醫藥學十分重視，設有太醫局與翰林醫官院，大體說來，太醫局就是中央醫科大學，翰林醫官院就是皇家醫院。在醫療設施方面，宋代政府設立了官藥局，按方配售成藥，名稱幾經變動，最後稱太平惠民和劑局；另外還官設了專供有病官員診病與休養的保壽粹和館，供行旅患者醫養的養濟院，為貧苦病人服務的安濟坊，給棄兒與貧苦幼兒治病的慈幼局。 官修醫方與本草也受到政府高度重視。重要的官修醫方有太宗時修成的《太平聖惠方》，徽宗大觀年間編撰的《和劑局方》，南宋紹興年間在此基礎上校補而成的《太平惠民和劑局方》。徽宗政和末年，命醫官廣集歷代方書與民間驗方，匯編成《聖濟總錄》，收方近二萬，集當時醫方之大成，未及印行，即因靖康之變而被金人運至北方，在金世宗時刊行。 官修本草最早是開寶七年修成的《開寶本草》，嘉祐五年在此基礎上重新修訂為《嘉祐補註神農本草》。與此同時，朝廷命各地普查藥物，繪圖匯總中央，由蘇頌在嘉祐六年主持編成《圖經本草》，收圖九百餘幅，是現存最早的版刻藥物圖譜。藥物學家唐慎微在元豐五年（1082年）以私人之力修成《經史證類備急本草》，內容精詳遠逾前人，宋朝政府在此基礎上分別在大觀、政和與紹興年間多次官方修訂，作為國家藥典刻印頒行。 宋代的醫學成就也是多方面的。王惟一對針灸術作出了重大貢獻，他鑽研前人著作，結合自身經驗，詳定經穴位置，編成《針灸圖》，天聖五年（1027年），他奉命在此基礎上鑄造針灸用的銅人兩具，對針灸學的教學、臨床與考試都極為便利，他也將自己的著作改名為《銅人腧穴針灸圖經》。 錢乙從事嬰幼兒疾病診治達四十餘年，形成了系統的理論與方法，成果主要保存在重和二年（1119年）成書的《小兒藥證直訣》中，這部書被稱為「幼科之鼻祖」，對兒科醫學的形成與發展頗有影響。 陳自明在嘉熙元年（1237年）著成《婦人大全良方》，分婦科三門，產科五門論述了婦產科臨床與理論諸問題，是當時婦產科集大成的專著，使其成為一門獨立的學科。 解剖學在宋代也初露萌芽，出現了最早的人體局部解剖圖。慶曆六年（1046年），廣西區希范起事被捕，被處磔刑，處刑過程中，由繪工宋景將其內臟繪製成圖，稱《區希范五臟圖》。崇寧年間（1102—1106年），楊介又繪有《存真環中圖》，對人體胸腹腔相關部位的血管走向與消化、泌尿與生殖系統都詳為描述。可惜這種實驗科學的萌芽，在其後沒能發揚光大。 宋慈長期擔任提點刑獄，對刑事案件的現場勘查檢驗積累了豐富的經驗，淳祐七年（1247年）著成《洗冤集錄》，是世界上第一部系統的法醫學專著。將宋慈尊為法醫學之父，應是名至實歸的。 比起其他科學來，金代醫學的成就倒是不容小覷的。醫史上號稱金元四家，分別是劉完素、張從正、李杲與朱震亨，前三家都是金朝人。劉完素，因其籍貫河間（今屬河北），世稱「劉河間」，治法上多用寒涼藥，後世稱為寒涼派。張從正，字子和，以字名世，治法上主張去邪安身，故有「攻下派」之稱。李杲，號東垣老人，時稱李東垣，治法強調補氣益胃，人稱「溫補派」。他們與以「陰補派」聞名的元代朱震亨在辯證施治上是各有特色的。